[发明专利]一种用于广义椭偏仪的光强自动调整装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于广义椭偏仪的光路调试领域，具体涉及一种用于双旋转补偿器广义椭偏仪光强自动调整装置及其控制方法。

背景技术

在基于光学原理的半导体纳米结构特征尺寸测量领域中，椭偏仪是一种最为常见的特征尺寸测量设备。它是一种利用光的偏振特性获取待测样品信息的通用光学测量仪器。其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测样品表面，通过测量待测样品的反射光(或透射光)，以获得偏振光在反射(或透射)前后的偏振状态变化(包括振幅比和相位差)，进而从中提取出待测样品的信息。美国宾夕法尼亚州立大学的柯林斯等人(R.W.Collins et al.,J.Opt.Soc.Am.A,Vol.16,pp.1997-2006,1999)提出了双旋转补偿器型广义椭偏仪测量方法，此种椭偏仪结构中采用两个旋转的补偿器来实现偏振光的相位的调制和解调。在实际测量过程中，它可测量光谱范围广，对环境温度稳定性要求低，且测量速度快。同时它可以在一次测量中获得待测样件的归一化的4×4阶穆勒矩阵共15个参数，而不需要改变测量系统配置。因而在半导体纳米结构特征尺寸测量中有着广泛的应用。

在双旋转补偿器型广义椭偏仪系统中，光谱仪是用来测量分析测量样品表面反射光束的光学器件。光谱仪中光电探测器的转换原理是：先由光敏单元将光子转化为电荷，再将电荷转换为电压输出，输出电压大小即对应于测量光强大小(光谱仪中通常以counts计数)。光谱仪配套软件可显示以波长为横坐标、以接收到的光强为纵坐标的动态二维图，可以发现不同的波长点处的光强是不一样的。在有些条件下，如广义椭偏仪要应用在测量低反射率样品的表面，所以需要采用光强较大的光源，一个或者连续多个波长点处的光强可能会超过一个最大值而造成光谱仪上光电探测器的饱和，这会对数据的观测和采集带来不利的影响。因此必须采取一定的方式以根据需要弱化全波段(即波长范围200-1200nm)波长的光强。目前广泛采用的方法是用一个光阑来减弱光强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于双旋转补偿器广义椭偏仪的光强自动调整装置及其控制方法，本发明可以实现对全波段波长的光强弱化至满足要求的数值，且响应快速，操作简单。

本发明提供的一种用于广义椭偏仪的光强自动调整装置，其特征在于，该装置包括计算机、光谱仪、伺服电机控制器、增量式编码器、直流伺服电机和中性密度滤光片转盘；

增量式编码器设置在直流伺服电机内；中性密度滤光片转盘包括一个通光孔和多片透光率不同的中性密度滤光片；中性密度滤光片转盘可转动安装在直流伺服电机端面上；直流伺服电机通过伺服电机控制器与计算机相连；增量式编码器与伺服电机控制器相连；光谱仪通过USB端口与计算机相连接；

计算机用于控制光谱仪的工作，通过伺服电机控制器控制直流伺服电机的运动；根据光谱仪采集到的光谱曲线是否饱和以及光谱曲线是否在光谱仪线性响应区间来决定是否要转动直流伺服电机，从而带动所述中性密度滤波片转盘转动以切换中性密度滤波片以改变光源照射出来的光强大小。

本发明提供的上述光强自动调整装置的控制方法，包括下述步骤：

第1步计算机上通过伺服电机控制器驱动直流伺服电机回逻辑零位，直流伺服电机的逻辑零位设置为使光源光束正好从中性密度滤光片转盘的通光孔中透过；

第2步利用光谱仪按照设置的参数进行光谱数据采集，得到光谱曲线，由光谱仪返回给计算机；

第3步计算机判断光谱曲线是否饱和；若光谱曲线不饱和，转入第5步；若光谱曲线饱和，则进入第4步；

第4步计算机通过伺服电机控制器驱动直流伺服电机转动到下一中性密度滤光片处，即使光源光束通过该中性密度滤光片以减弱光强，之后转入第2步；

第5步判断光谱曲线是否大部分在线性响应区间，如果是，进入第6步，否则，转入第4步；

第6步不需要通过中性密度滤光片减弱光强，结束调整。

同现有的广义椭偏仪光强自动调整的装置相比，本发明提供的光强自动调整装置以对直流伺服电机的自动控制为核心，通过对光谱仪采集数据的分析决定是否要将直流伺服电机转动相应角度以实现中性密度滤光片的切换，可以实现使光谱仪表面接收到的光强大小最为合理，即不会过饱和也不会由于光强过小而无法分析，同时较好满足光谱仪的线性响应。

本光强自动调整装置自动响应过程速度快、精度高，同时表现出优异的测量重复性和稳定性，且整体结构紧凑，操作方法简单，实现方便，在广义椭偏仪自动控制及测量领域有广泛应用前景。

附图说明

图1是光学测量仪器光强自动调整系统结构示意图；