[发明专利]利用平面反射镜合光的成像系统及光学测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，更具体的涉及一种利用平面反射镜合光的成像系统及光学测量装置。

背景技术

在光学测量系统中，测量过程中通常需要观测目标样品表面结构和探测光束在样品表面的形状和位置；即，具有能够同时观测样品表面结构和探测光束在样品表面光斑、且最小影响光学测量的成像系统。若要实现对样品表面指定的位置进行测量，则要求成像系统能够同时观测样品表面结构和探测光束在样品表面光斑的位置，以实现探测光束与指定测量位置的校准。另外，集成图像识别功能的成像系统，可实现对样品表面重复的相同结构的自动识别和标定，从而实现测量自动化，提高测量精度和测量速度。当今先进的薄膜结构测量设备，如椭圆偏振仪和光学临界尺度测量仪器(OCD)要求满足尽量宽的光谱测量能力，通常为190nm至1000nm。由此，对光学系统中各个部件在宽光谱上的指标和光学系统色差、像差和偏振性控制方面的设计要求都提出了更全面的更高标准的要求。

在现今技术中，同时显示探测光束光斑与样品表面结构的成像系统主要通过集成在光学系统中的分光器实现；分光器使部分测量光束及照明光束入射在样品表面样品，并且将部分测量光束及照明光束在样品表面的反射光束合并，而后导入同一图像探测器成像。分光器可为分光薄片、分光棱镜、薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter)。如图1所示，探测光束103垂直入射至样品102的情况下，探测光束103经分光器101透射后聚焦在样品102表面，探测光束103在样品102表面的反射光束入射至分光器101后，其反射光束经分光器104和透镜105聚焦在图像探测器106上。照明光束107先后经分光器104反射及分光器101反射后入射至样品102表面(光路未示出)。照明光束107在样品102表面的反射光束经分光器104反射和透镜105聚焦在图像探测器106上。此过程可认为探测光束103和照明光束107合并为一路光束入射在样品102表面，探测光束103和照明光束107在样品102表面的反射光束为一路光束入射在图像探测器106上。图1示例中，探测光束103为会聚光束，且探测光束103经分光器101透射后入射在样品102上。图2示例为探测光束103为平行光束情况，且探测光束103经分光器101反射后，经透镜108使平行光会聚入射在样品102表面。照明光束107与探测光束103在样品102表面的反射光束依次透射经分束器101、照明分束器104、透镜105后，入射至图像探测器106。此例中，由于分光器皆处于平行光入射状态，所以较适合分光棱镜。以上两个实例中，仅描述了正入射情况；在准正入射或小角度入射情况下，通过调整照明光束107，仍可做到合光成像；此时探测光束103将不受分光器101影响直接入射至样品表面。

在分光器为分光薄片的情况下，分光薄片与光束主光需成45度角使用，如美国专利US7505133B1所示。此结构的缺点为：1)薄片的两个面可形成重影，影响成像质量、位置校准及测量。2)无论透射或反射，光束经过分光薄片后，偏振态发生变化；若要实现探测光束的偏振控制，需在分光器与样品之间设置偏震器；如此成像受到样品偏振特性及探测光束偏振状态的限制。3)在宽波段光束透射情况下，当光束为平行光束时，会产生色差；当光束为会聚或发散光束时，使得光束成像沿单一方向分开，可严重影响表面结构不均匀样品的测量和成像；此问题可通过另设置完全相同的分光薄片修正色差及由不同入射角引起的像差，但增加了系统复杂度。另一种基于分光薄片的分光器为点格分光镜(Polka-dot Beamsplitter)(如美国专利5450240，EdmundOptics点格分光镜)或厚度仅为100微米的点格分光镜(如美国专利US6525884B2)，其结构的特点为：反射光束可实现宽光谱(包括深紫外范围)，且自身无色散；但其表面点格的周期性结构会造成衍射光斑，极大的影响了测量和成像识别的准确度。

在分光器为分光棱镜的情况下，其缺点为：1)分光棱镜难以同时实现宽光谱分光，通常分为400-700nm，700-1100nm，1100-1600nm三个区域，限制了测量的光谱范围。2)光束最好以平行光入射，若非平行光，则产生严重的色散。在分光器为偏振分光棱镜的情况下，透射光/反射光为固定偏振方向，改变偏振态需旋转偏振分光棱镜、或旋转样品或另设起偏器，实现非常复杂。

在分光器为薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter)的情况下，其结构的缺点为：

1)薄膜厚度仅为2微米，受环境影响大，极易破损，无法清理表面，成本高。

2)薄膜对紫外波段存在吸收。