LCD工业用自动椭偏仪的设计思路

　　1　引　　言

　　椭圆偏振测量术是一种非接触和无损的光学测量技术,它通过测量反射或透射光相对于入射光偏振状态的改变来准确计算待测样品的各种光学性质。

　　椭偏仪测量得到的两个参数分别表示为Ψ和Δ,反映了偏振光p分量和s分量复振幅反射率(或透射率)的比值,即下式:

　　由于椭偏术测量的Ψ和Δ反映的是以上两个量的比值,因此它具有高度的可重复性。其中Δ中所包含的相位信息使得这项技术对薄膜的光学性质的变化非常灵敏。

　　在LCD工业生产过程中应用椭圆偏振测量术,需要快速跟踪待测样品表面的反应和一大批测量数据,椭偏仪的自动化是非常必要的。随着光电子和计算机技术的发展,自动椭偏仪的设计沿着两条不同的途径取得了进展[1]:(1)坚持消光测量概念并利用伺服系统来达到自动消光;(2)完全放弃消光方法而使用光度测量法或干涉测量法。

　　自动光度椭偏仪已经在工业中得到广泛应用,其中最为普遍的系统是旋转检偏器椭偏仪(RAE)[2]。自动光度椭偏仪测量速度快,而且可以不用补偿器,没有补偿器的相延随波长而变化的问题。但光度测量法有一些难以克服的缺点,主要是[3]:①光强信号中的直流成分是需要测量的一个量,但光电探测器暗电流对直流成分有影响;②需要测量交流信号的相位,从而产生附加相延;③探测器非线性响应使信号失真,带来一定误差;④系统的修正及定标比较麻烦和费时。这些问题虽然可以通过各种方法对它们作出改进,但并不能从根本上解决。

　　2　新型自动消光椭偏仪

　　自动消光椭偏仪有两种不同的类型:一种使用电机带动偏振器达到消光;另一种完全使用磁光或电光元件而没有可转动部件。用步进电机驱动偏振器的自消光椭偏仪,通过计算步进电机的启动脉冲数目,就能自动地确定偏振器方位角。整个系统可与计算机连接并接受其控制以便在线获得数据并由计算机进行实时数据处理,因而有较大的优越性。

　　自动消光的椭偏光谱仪要求λ/4波片在一定光谱范围内具有恒定相延。Babinet补偿器可对任何波长精确地调准到90°度相延,但因调节缓慢而不适于自动椭偏测量。菱体型延迟器是较好的消色差波片,在整个可见光到近红外范围仅有2～3°的相位变化。利用四区域或两区域消光方案,可以使由波片相延误差造成的测量误差变为二阶小量。因此,可以用菱体型延迟器作为自动消光椭偏光谱仪的补偿器。

　　本文推出一种新型菱体λ/4延迟器,如图1所示,是常用AD-2的改进型。其特点是:对相延产生决定性作用的三次全内反射都发生在抛光的棱镜表面中心,远离应力双折射较大的棱角和胶合面,同时使实际的有效孔径提高,并使出、入射光束基本共轴;光束垂直通过可能会对相延和光的偏振态产生较大影响的胶合面。至于菱体材料,可以选用熔融石英或低色散的玻璃。