一種用于廣義橢偏儀的光強自動調整裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種廣義橢偏儀光強自動調整裝置及其控制方法。裝置主要包括計算機、光譜儀、伺服電機控制器、直流伺服電機、增量式編碼器和中性密度濾光片轉盤。在廣義橢偏儀硬件連接完成的情況下，根據(jù)光譜儀采集的光譜曲線是否飽和以及是否絕大部分在光譜儀線性響應區(qū)間來決定是否要轉動直流伺服電機，從而帶動中性密度濾波片轉盤轉動以切換中性密度濾波片來改變光源照射出來的光強大小。本發(fā)明可以實現(xiàn)對雙旋轉補償器廣義橢偏儀光強自動調整，且響應快速，操作簡單。
【專利說明】—種用于廣義橢偏儀的光強自動調整裝置及其控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于廣義橢偏儀的光路調試領域，具體涉及一種用于雙旋轉補償器廣義橢偏儀光強自動調整裝置及其控制方法。

【背景技術】
[0002]在基于光學原理的半導體納米結構特征尺寸測量領域中，橢偏儀是一種最為常見的特征尺寸測量設備。它是一種利用光的偏振特性獲取待測樣品信息的通用光學測量儀器。其基本原理是通過起偏器將特殊的橢圓偏振光投射到待測樣品表面，通過測量待測樣品的反射光(或透射光)，以獲得偏振光在反射(或透射)前后的偏振狀態(tài)變化(包括振幅比和相位差)，進而從中提取出待測樣品的信息。美國賓夕法尼亞州立大學的柯林斯等人(R.W.Collins et al., J.0pt.Soc.Am.A, Vol.16, pp.1997-2006, 1999)提出了雙旋轉補償器型廣義橢偏儀測量方法，此種橢偏儀結構中采用兩個旋轉的補償器來實現(xiàn)偏振光的相位的調制和解調。在實際測量過程中，它可測量光譜范圍廣，對環(huán)境溫度穩(wěn)定性要求低，且測量速度快。同時它可以在一次測量中獲得待測樣件的歸一化的4X4階穆勒矩陣共15個參數(shù)，而不需要改變測量系統(tǒng)配置。因而在半導體納米結構特征尺寸測量中有著廣泛的應用。
[0003]在雙旋轉補償器型廣義橢偏儀系統(tǒng)中，光譜儀是用來測量分析測量樣品表面反射光束的光學器件。光譜儀中光電探測器的轉換原理是:先由光敏單元將光子轉化為電荷，再將電荷轉換為電壓輸出，輸出電壓大小即對應于測量光強大小(光譜儀中通常以counts計數(shù))。光譜儀配套軟件可顯示以波長為橫坐標、以接收到的光強為縱坐標的動態(tài)二維圖，可以發(fā)現(xiàn)不同的波長點處的光強是不一樣的。在有些條件下，如廣義橢偏儀要應用在測量低反射率樣品的表面，所以需要采用光強較大的光源，一個或者連續(xù)多個波長點處的光強可能會超過一個最大值而造成光譜儀上光電探測器的飽和，這會對數(shù)據(jù)的觀測和采集帶來不利的影響。因此必須采取一定的方式以根據(jù)需要弱化全波段(即波長范圍200-1200nm)波長的光強。目前廣泛采用的方法是用一個光闌來減弱光強。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于雙旋轉補償器廣義橢偏儀的光強自動調整裝置及其控制方法，本發(fā)明可以實現(xiàn)對全波段波長的光強弱化至滿足要求的數(shù)值，且響應快速，操作簡單。
[0005]本發(fā)明提供的一種用于廣義橢偏儀的光強自動調整裝置，其特征在于，該裝置包括計算機、光譜儀、伺服電機控制器、增量式編碼器、直流伺服電機和中性密度濾光片轉盤；
[0006]增量式編碼器設置在直流伺服電機內；中性密度濾光片轉盤包括一個通光孔和多片透光率不同的中性密度濾光片；中性密度濾光片轉盤可轉動安裝在直流伺服電機端面上；直流伺服電機通過伺服電機控制器與計算機相連；增量式編碼器與伺服電機控制器相連；光譜儀通過USB端口與計算機相連接；
[0007]計算機用于控制光譜儀的工作，通過伺服電機控制器控制直流伺服電機的運動；根據(jù)光譜儀采集到的光譜曲線是否飽和以及光譜曲線是否在光譜儀線性響應區(qū)間來決定是否要轉動直流伺服電機，從而帶動所述中性密度濾波片轉盤轉動以切換中性密度濾波片以改變光源照射出來的光強大小。
[0008]本發(fā)明提供的上述光強自動調整裝置的控制方法，包括下述步驟:
[0009]第I步計算機上通過伺服電機控制器驅動直流伺服電機回邏輯零位，直流伺服電機的邏輯零位設置為使光源光束正好從中性密度濾光片轉盤的通光孔中透過；
[0010]第2步利用光譜儀按照設置的參數(shù)進行光譜數(shù)據(jù)采集，得到光譜曲線，由光譜儀返回給計算機；
[0011]第3步計算機判斷光譜曲線是否飽和；若光譜曲線不飽和，轉入第5步；若光譜曲線飽和，則進入第4步；
[0012]第4步計算機通過伺服電機控制器驅動直流伺服電機轉動到下一中性密度濾光片處，即使光源光束通過該中性密度濾光片以減弱光強，之后轉入第2步；
[0013]第5步判斷光譜曲線是否大部分在線性響應區(qū)間，如果是，進入第6步，否則，轉入第4步；
[0014]第6步不需要通過中性密度濾光片減弱光強，結束調整。
[0015]同現(xiàn)有的廣義橢偏儀光強自動調整的裝置相比，本發(fā)明提供的光強自動調整裝置以對直流伺服電機的自動控制為核心，通過對光譜儀采集數(shù)據(jù)的分析決定是否要將直流伺服電機轉動相應角度以實現(xiàn)中性密度濾光片的切換，可以實現(xiàn)使光譜儀表面接收到的光強大小最為合理，即不會過飽和也不會由于光強過小而無法分析，同時較好滿足光譜儀的線性響應。
[0016]本光強自動調整裝置自動響應過程速度快、精度高，同時表現(xiàn)出優(yōu)異的測量重復性和穩(wěn)定性，且整體結構緊湊，操作方法簡單，實現(xiàn)方便，在廣義橢偏儀自動控制及測量領域有廣泛應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是光學測量儀器光強自動調整系統(tǒng)結構示意圖；
[0018]圖2是中性密度濾光片轉盤結構示意圖；
[0019]圖3是雙旋轉補償器型廣義橢偏儀硬件連接結構示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明提供的控制方法流程示意圖；
[0021]圖5是光譜儀采集分析之后得到的一條未飽和光譜曲線；
[0022]圖6是光譜儀采集分析之后得到的一條飽和光譜曲線；
[0023]圖7是一條大部分在線性響應區(qū)間的光譜曲線。

【具體實施方式】
[0024]雖然目前可以采用一個光闌來減弱光源光強，但是一般情況下光闌減弱光強的作用只針對于一個比較小的波長區(qū)間，如單獨的紫外波段、可見波段或是紅外波段，而對于廣義橢偏儀所要求的全波段往往不能達到要求；而且絕大多數(shù)情況下光闌是用手動來控制的，控制精度不是很高，也不靈活。利用有不同透過率的中性密度濾光片，再配以自動控制的裝置，就能夠很好地滿足要求。
[0025]一般不可調中性密度濾光片分為吸收型和反射型(或者金屬型)，可以用來衰減激光和其他光信號。吸收型濾光片可以減小后向反射，通過在濾光片表面鍍增透膜可以進一步減小反射損失。標準吸收型中性密度濾光片的光學密度在0.1至0.6之間，而鍍有增透膜型號的光學密度為0.3、1.0和兩種膜層范圍之一的為2.0。反射型濾光片基底采用BK7或者UV熔融石英。紫外級熔融石英最適合用于紫外光譜范圍。光學密度OD和透射率T之間的轉換關系如式(I)所示。
[0026]OD = 1g10 (1/T)或 T = 1(T0D (I)
[0027]一般光譜儀對于接收到的光強的響應范圍是O?65535counts，如實例中所用的Ocean Optics公司的QE65Pro光譜儀，而一般現(xiàn)有的對于光強的調整只是使光強大小處于O?65535counts這個區(qū)間。但是，這卻忽略了光譜儀中光電探測器的線性響應的問題，即探測器將光子轉換成光強(counts)的線性。因為絕大多數(shù)光譜儀的光電探測器并不是整個響應區(qū)間都是非常線性的，滿足要求的只是中間一部分，如QE65Pro光譜儀線性響應較好的區(qū)間為5000?40000cOunts，所以我們在自動調整光強大小時應盡量使光強大小落在這個區(qū)間，而不是一般所認為的O?65535counts。
[0028]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明實例提供的光強自動調整裝置中至少包括計算機1、光譜儀2、伺服電機控制器3、增量式編碼器4、直流伺服電機5和中性密度濾光片轉盤6。
[0030]增量式編碼器4設置在直流伺服電機5內；如圖2所示，中性密度濾光片轉盤6包括一個通光孔7和三片透光率不同的中性密度濾光片，即透光率為80%的中性密度濾光片8、透光率為50%的中性密度濾光片9和透光率為30%的中性密度濾光片10 (此處為了方便說明，只采用三片中性密度濾光片，在中性密度濾光片轉盤6上安裝任意多片中性密度濾光片也在本發(fā)明保護范圍之內)。
[0031]中性密度濾光片轉盤6安裝在直流伺服電機5端面上；直流伺服電機5通過伺服電機控制器3與計算機I相連；增量式編碼器4與伺服電機控制器3相連；光譜儀2通過USB端口與計算機I相連接。
[0032]計算機I用于控制光譜儀2的工作，通過伺服電機控制器3控制直流伺服電機5的運動；根據(jù)光譜儀2采集到的光譜曲線是否飽和以及光譜曲線是否在光譜儀線性響應區(qū)間來決定是否要轉動直流伺服電機5，從而帶動中性密度濾波片轉盤6轉動以切換中性密度濾波片來改變光源照射出來的光強大小。
[0033]下面舉例具體說明計算機I的功能模塊構成。
[0034]計算機I內設置有直流伺服電機控制模塊和光譜儀控制模塊；其中，直流伺服電機控制模塊主要完成直流伺服電機5運動參數(shù)的設置以及直流伺服電機5相應運行動作的控制，同時可以接收來自伺服電機控制器3的返回信息；光譜儀控制模塊主要用于在直流伺服電機5運行到特定位置后對光譜儀2參數(shù)的設置以及光譜儀2基本行為的控制，同時接收并儲存光譜儀2所采集的光譜數(shù)據(jù)。
[0035]計算機中各模塊的工作過程如下:
[0036](I)直流伺服電機控制模塊完成直流伺服電機5運動參數(shù)的設置，并通過伺服電機控制器3操作直流伺服電機5回到零位(光源光束正好從通光孔7中透過，即光束不經(jīng)過中性密度濾光片8、9或10)。
[0037](2)通過光譜儀控制模塊完成對光譜儀2的系統(tǒng)參數(shù)的配置。
[0038](3)分別通過直流伺服電機控制模塊和光譜儀控制模塊停止直流伺服電機5和光譜儀2。
[0039]本發(fā)明裝置的詳細操作過程如下:
[0040]第一步，完成雙旋轉補償器型廣義橢偏儀光強自動調整裝置的硬件設備的連接。
[0041](1.1)完成計算機I與光譜儀2、伺服電機控制器3的正常連接，其中光譜儀2與計算機I通過標準USB數(shù)據(jù)線連接；直流伺服電機5與伺服電機控制器3連接后，伺服電機控制器3也通過標準網(wǎng)絡數(shù)據(jù)線與計算機I連接。
[0042](1.2)在完成(1.1)后雙旋轉補償器型廣義橢偏儀光強自動調整裝置硬件設備連接已經(jīng)完成。然后需要將中性密度濾光片轉盤6安裝到直流伺服電機5上。
[0043](1.3)連接完成后的硬件整體結構圖如圖3所示。其中，增量編碼器4由于是設置在直流伺服電機5的內部，在圖上未標注出；光源11、光譜儀起偏臂12以及檢偏臂13的連接屬于橢偏儀結構的基本連接，在此不做詳細說明。
[0044]第二步，使用已連接好的雙旋轉補償器型廣義橢偏儀光強自動調整裝置開始一次光譜數(shù)據(jù)采集工作，并根據(jù)采集到的光譜數(shù)據(jù)進行直流伺服電機5的調整。計算機的控制操作流程如圖4所示。
[0045](2.1)在計算機I上通過伺服電機控制器3配置直流伺服電機5的相關參數(shù)，包括直流伺服電機5的轉動速度、加速度、減速度，每次轉動的角度(90° );在計算機I上配置光譜儀2的相關參數(shù)，包括光譜儀積分時間和采樣點數(shù)。
[0046](2.2)計算機I上通過伺服電機控制器3驅動直流伺服電機5回邏輯零位，由增量式編碼器4返回直流伺服電機5的位置信息。直流伺服電機5的邏輯零位設置為使光源光束正好從中性密度濾光片轉盤6的通光孔7中透過，即光束不經(jīng)過中性密度濾光片8、9和10。
[0047](2.3)打開光譜儀2，按照之前設置好的參數(shù)進行光譜數(shù)據(jù)的采集得到光譜曲線，由光譜儀2返回給計算機I并記錄。
[0048](2.4)判斷光譜曲線是否飽和，若光譜曲線不飽和(一條不飽和的光譜曲線如圖5所示)，進入步驟(2.5)，否則轉入步驟(2.6)；
[0049](2.5)在光譜曲線不飽和之后，進行判斷光譜曲線是否大部分在線性響應區(qū)間，如果是，轉入步驟(2.7)，否則，進入步驟(2.6)；
[0050]具體反復調節(jié)的操作同上判斷是否飽和的過程。一條大部分在線性響應區(qū)間的光譜曲線如圖7所示。
[0051]本發(fā)明實例采用下述標準判斷光譜曲線是否大部分在線性響應區(qū)間，即最低光強在5000counts以上，80%的光譜曲線尖峰不超過40000counts。
[0052](2.6)若光譜曲線飽和(一條飽和的光譜曲線如圖6所示，一般光譜儀的飽和計數(shù)為65535左右，即光強超過這個值就會飽和)，則證明光源的光強在到達光譜儀2上時超過了它的測量閾值，所以計算機需要通過伺服電機控制器3驅動直流伺服電機5轉動，光源光束需要通過中性密度濾光片8、9或10來減弱光強。具體操作為由計算機I伺服電機控制器3驅動直流伺服電機5轉動到下一中性密度濾光片處，即使光源光束通過透射率T為80%的中性密度濾光片8，使光源的光強減弱為原來的80%。之后再重復步驟(2.3)，再進行(2.4)中是否飽和的判斷，若仍然飽和，則繼續(xù)驅動直流伺服電機5轉動到下一中性密度濾光片處，即使光源光束通過透射率T為50%的中性密度濾光片9，使光源的光強減弱為原來的50%。之后再重復步驟(2.3)，再進行(2.4)中是否飽和的判斷，若仍然飽和，則繼續(xù)驅動直流伺服電機5轉動到下一中性密度濾光片處，即使光源光束通過透射率T為30%的中性密度濾光片10，使光源的光強減弱為原來的30%。最終在光譜儀2上測量得到一條未飽和、滿足要求的光譜曲線。
[0053](2.7)光譜曲線大部分在線性響應區(qū)間，證明光源的光強在到達光譜儀2上時并沒有超過它的測量閾值，所以計算機不用通過伺服電機控制器3驅動直流伺服電機5轉動，光源光束不需要通過中性密度濾光片8、9或10來減弱光強，結束。
[0054]上述步驟僅以一種中性密度濾光片排列分布為例。對于其他中性密度濾光片排列分布方式的廣義橢偏儀，本光強自動調整方法及裝置同樣適用。
[0055]本發(fā)明不僅局限于上述【具體實施方式】，本領域一般技術人員根據(jù)本發(fā)明公開的內容，可以采用其它多種【具體實施方式】實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
【權利要求】
1.一種用于廣義橢偏儀的光強自動調整裝置，其特征在于，該裝置包括計算機、光譜儀、伺服電機控制器、增量式編碼器、直流伺服電機和中性密度濾光片轉盤； 增量式編碼器設置在直流伺服電機內；中性密度濾光片轉盤包括一個通光孔和多片透光率不同的中性密度濾光片；中性密度濾光片轉盤可轉動安裝在直流伺服電機端面上；直流伺服電機通過伺服電機控制器與計算機相連；增量式編碼器與伺服電機控制器相連；光譜儀通過USB端口與計算機相連接； 計算機用于控制光譜儀的工作，通過伺服電機控制器控制直流伺服電機的運動；根據(jù)光譜儀采集到的光譜曲線是否飽和以及光譜曲線是否在光譜儀線性響應區(qū)間來決定是否要轉動直流伺服電機，從而帶動所述中性密度濾波片轉盤轉動以切換中性密度濾波片以改變光源照射出來的光強大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的光強自動調整裝置，其特征在于，所述計算機內設置有直流伺服電機控制模塊和光譜儀控制模塊；其中，直流伺服電機控制模塊用于完成直流伺服電機運動參數(shù)的設置以及直流伺服電機相應運行動作的控制，同時接收來自伺服電機控制器的返回信息；光譜儀控制模塊用于在直流伺服電機運行到特定位置后對光譜儀參數(shù)的設置以及光譜儀基本行為的控制，同時接收并儲存光譜儀所采集的光譜數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的光強自動調整裝置，其特征在于，所述中性密度濾光片為三片，三片中性密度濾光片的透光率為分別為80 %、50 %和30 %。
4.一種權利要求1所述光強自動調整裝置的控制方法，包括下述步驟: 第I步計算機上通過伺服電機控制器驅動直流伺服電機回邏輯零位，直流伺服電機的邏輯零位設置為使光源光束正好從中性密度濾光片轉盤的通光孔中透過； 第2步利用光譜儀按照設置的參數(shù)進行光譜數(shù)據(jù)采集，得到光譜曲線，由光譜儀返回給計算機； 第3步計算機判斷光譜曲線是否飽和；若光譜曲線不飽和，轉入第5步；若光譜曲線飽和，則進入第4步； 第4步計算機通過伺服電機控制器驅動直流伺服電機轉動到下一中性密度濾光片處，即使光源光束通過該中性密度濾光片以減弱光強，之后轉入第2步； 第5步判斷光譜曲線是否大部分在線性響應區(qū)間，如果是，進入第6步，否則，轉入第4I K少； 第6步結束調整。
5.根據(jù)權利要求4所述的控制方法，其特征在于，第5步中，所述判斷光譜曲線是否大部分在線性響應區(qū)間，是指最低光強在5000counts以上，80%的光譜曲線尖峰不超過40000countso
【文檔編號】G01J3/447GK104344891SQ201410594725
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權日:2014年10月29日
【發(fā)明者】劉世元, 李蘇斌, 李偉奇, 張傳維, 杜衛(wèi)超 申請人:華中科技大學