专利名称：微纳光学元件光学参数测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微纳光学元件测量技术领域，更为具体地来说，是涉及一种用于测量
微纳光学元件光学参数的方法和装置。
二背景技术：
微纳光学元件是指体积尺寸以纳米与微米计量的光学元件。随着现代制作技术和 现代生物的快速发展，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科学技术领域，还是 普通的工业领域，例如光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学、激光_机械加工和光计算 技术，微纳光学元件都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景，并且是制造小型 光电子系统的关键元件，它具有体积小、质量轻、造价低等优点，能够实现普通光学元件难 以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。微纳光学元件的功能实现取决于其 光学参数的精度。微纳光学元件的光学参数，包括几何结构的面型参数(如光栅的周期，占 空比等)、制作微纳光学元件材料的折射率、吸收参数等，因此如何高精度地测量微纳光学 元光学参数，对微纳光学元件的应用具有十分重要的现实意义。现常用的测量方法可分为 两大类一类是直接测量，另一类为间接测量。直接测量法是利用有关的仪器，如分光计、原 子力显微镜(AFM)、衍射光栅和CCD等来测量微纳光学元件参数，但有些仪器因其制作工艺 复杂，操作技术要求高，测量需要的时间长，导致元件光学参数测量的成本增大而得不到普 遍推广；有的存在对待测样品的破坏性。间接测量法是借助优化算法，利用微纳光学元件的 透射或反射的物理量来反向测量出微纳光学元件的有关光学参数，它具有无损伤、无扰动、 成本低等优点。随着优化算法的日益完善，光学参数的间接测量方法已引起人们的重视，现 已开发出的间接测量方法有椭偏法、透射光谱法等，但是这些方法都是利用微纳光学元件 反射或透射光单一物理量进行光学参数测量，不能克服微纳光学元件本身制造误差(如光 学元件表面粗糙、对位等误差)对测量结果的影响，不能准确地测量出光学元件的光学参 数，测量精度低，甚至有的测量结果是错误的，就是现在最先进的SEM方法，用其测量得出 的结果也仅停留在微米量级，相对于入射波长来说其精度相对较低，不能满足实践需要。
三
发明内容
针对现有微纳光学元件光学参数测量技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一 种能够克服微纳光学元件本身制造误差对测量结果的影响，可实现对微纳光学元件光学参 数进行高精度测量的方法和装置。 本发明公开的可以实现上述目的的微纳光学元件光学参数的测量方法使测量光 源发出的单色光通过偏振片调制后入射到待测光学元件表面上，用光敏探测接收器同时探 测接收光学元件反射和透射的光信息，将探测接收到的光学信息传输给I/D转换器，I/D转 换器将光信息转化为数字信息输入到计算机，计算机借助优化算法将光学元件的光学参数 优化，输出测量结果，从而实现对微纳光学元件光学参数的高精度测量。 为了取得更好的测量效果，测量光源发出的单色光通过偏振片调制后，优先考虑以多角度地入射到待测光学元件表面，实现对微纳光学元件光学参数的高精度测量；进一 步优先考虑以波长临近的多个波长单色光通过偏振片调制后多角度地入射到待测光学元 件表面，最好是以每个波长的单色光对待测光学元件表面进行不少于2次的重复测量。
为了取得进一步更好的测量效果，由测量光源发出经偏振片调制后单色光最好 以3° -20°的入射角入射到待测光学元件的表面；用于测量的单色光波长最好控制在 400nm-700nm范围。 实施上述微纳光学元件光学参数测量方法的装置，其结构主要包括测量光源，将 光源发出的单色光予以调制的偏振片，安放待测光学元件的安放器和比较探测器，安放器 设置在使待测光学元件位于偏振片与比较探测器光路之间，所述比较探测器主要由光敏探 测接收器、I/D转换器和计算机组成，I/D转换器将光敏探测接收器探测接收到的经由光学 元件反射和透射的光信息转化为数字信息，输入计算机进行数字信息优化计算，得出待测 光学元件优化光学参数，构成比较探测器的光敏探测接受器至少为两个，设置在能同时探 测接收经由光学元件反射和透射光信息的位置。 在上述微纳光学元件光学参数测量装置中，为了使测量单色光以3° -20°的入 射角入射到待测微纳光学元件上，可将安放待测光学元件的安放器、偏振片和光源三者中 至少其一设计成是可转动的，即可将安放器、偏振片和光源三者之一设计成可转动的，也可 将安放器、偏振片和光源三者中的二者设计成是可转动，还可以将安放器、偏振片和光源三 者设计成都是可转动的。最好是将安放器设计为可转动的，而将偏振片和光源设计成都是 不可转动的，这样的结构设计，既能实现测量单色光以3。 -20°的入射角入射到待测微纳 光学元件上，又能使测量装置的结构简单。 在上述技术方案中，能发出单色光的光源都可作为本发明测量微纳光学元件光学 参数的光源，为了取得更好的测量效果，应优先选择能发出连续光谱的激光光源作为本发 明的测量光源。测量光源进一步优先选择能发出400nm-700nm波长单色光的可调连续光谱 激光光源。 在上述微纳光学元件光学参数测量装置中，所述的计算机，可以是PC机，也可以 是通常使用的台式计算机，或手提式计算机。计算机进行数字信息优化计算的程序，可自行 编制，也可推托他人编制。 本发明提出的微纳光学元件光学参数的测量方法与装置，是基于微纳光学元件的 对称物理量之间的相似性能克服微纳光学元件表面诸如表面粗糙、对位等制造误差对测量 结果影响。对称物理量，在微纳光学元件光学参数的测量中，是指测量单色光经由待测微纳 光学元件反射或透射的光场能量，所述对称，对于二元光学元件衍射光栅而言是指对称衍 射级次，而对于其他微纳光学元件而言，是指反射和透射场中关于同一法线具有相同角度 的出射光线。对称物理量的特点，当光束垂直入射时，微纳光学元件正面无反射光�。徊饬� 单色光入射角度偏离垂直入射时，微纳光学元件的正面和背面会出现反射和透射，微纳光 学元件本身存在的制造误差，如对位误差、粗糙误差等对于对称物理量的影响是相似的，因 此可用对称物理量之比消除微纳光学元件本身制造误差带来的影响。 本发明提出的微纳光学元件光学参数测量方法与装置，是基于发明人对微纳光学 元件的对称物理量的深刻理解与认识而完成的，能有效克服微纳光学元件本身所存在的制 造误差对测量结果的影响，弥补了传统间接测量方法存在的不足。测量装置的可调光源能较为方便地对各种材料的微纳光学元件的光学参数实现多波长测量，安放微纳光学元件安 放器能实现对待测光学元件光学参数多角度地测量验证。本发明公开的微纳光学元件光学 参数的测量装置，由于其需测量的物理量均为光场的能量值，因此其测量简单、数据稳定， 整个装置的制造成本低，机械系统结构简单、紧凑。 本发明公开的微纳光学元件光学参数测量方法与装置，由于通过测量经由微纳光 学元件反射和透射光对称物理量来测量微纳光学元件光学参数，有效克服了微纳光学元件 本身制造误差对光学参数测量精度影响，因此能够实现对微纳光学元件的几何结构的面型 参数(如光栅的周期，占空比等)、制作微纳光学元件材料的折射率、吸收参数等光学参数 高精度测量，测量精度可达纳米量级，较之现有技术最先进的SEM方法微米量级的测量精 度大大提高，为微纳光学元件光学参数的测量提供了一种更容易为人们接受推广的测量手 段。 本发明公开的微纳光学元件光学参数测量装置，具有结构简单、紧凑，制造加工性 能好，操作简单、测量方便、成本低、易集成的特点。
四
附图1是本发明揭示的测量装置总体结构示意图。
附图2为附图1中的比较探测器的构成结构示意图。
上述各附图中的图标号标识对象为l-测量光源；2-偏振片；3_安放器；4_比较
探测器；5-光敏探测接收器；6-I/D转换器；7-计算机。
五具体实施例方式
下面结合附面说明给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明的结构和工 作原理作进一步的说明。有必要在这里特别说明的是，本发明的具体实施方式
不限于实施 例中的形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方 式进行实施，因此，实施例不能理解为是本发明仅可以实施的具体实施方式
。
测量装置实施例1 本实施例的微纳光学元件光学参数测量装置的结构如图1和附图2所示。由一个 可发出连续光谱单色光可调激光光源l，一个将光源发出的单色光予以调制的偏振片2、一 个安放待测微纳光学元件的安放器3和比较探测器4构成，其中较探测器又由两个光敏探 测接受器5， 一个I/D转换器6和一台计算机组成。安放器设置在使待测光学元件位于偏振 片与比较探测器光路之间，安放待测微纳光学元件的安放器是可转动的，可使测量单色光 以3° -20°的入射角入射到待测微纳光学元件上。比较探测器的两个光敏探测接受器分 别设置在待测微纳光学元件的前后，以能够同时探测接收经由光学元件反射和透射的光信 息，光敏探测接收器将探测接受到的光信息传输给I/D转换器，将光信号转化为数字信息， 最后输入计算机中，由计算机进行优化得出待测元件的光学参数。
测量方法实施例1 本实施例的亚波长光栅光学参数的测量装置的工作运行过程如下将待测亚波长 体积相位全息光栅安装在待测样件安放器3上；调节光源，让632. 8nm光通过偏振片2 ;微 调待测样件安放器3，使测量单色光分别以3。 、5° 、10° 、15°和20°入射在待测光栅上；然后开启电脑，接收比较探测器4检测到得信息，待测量数据稳定后，关闭光源；最后由计
算机输出亚波长光栅的光学参数。这里测量的是体积相位全息光栅的主折射率n。、调制折射率的最大振幅&及折射率调制层的厚度H，其测量的结果与真实值可见下表，从表可以看出，测量结果与真实值非常的靠近。
("i,"o， /7)测量值 (0.079, 1.449， 19.8//m)
0n, "o, //)真实值 (0.080,1.51, 20.01/zw) 测量方法实施例2 本实施例的亚波长光栅光学参数的测量装置的工作运行过程如下将待测亚波长正弦浮雕光栅安装在待测样件安放器3上；调节光源，让632. 8nm、630. 8nm、628. 8nm单色光通过偏振片2 ;微调待测样件安放器3，使测量单色光得入射光以15°入射在待测光栅上；然后开启电脑，接收比较探测器4检测到得信息，待测量数据稳定后，关闭光源；最后由计算机输出亚波长光栅的光学参数。我们这里测量的是正弦浮雕光栅的材料折射率n、正弦浮雕光栅的表面浮雕深度h及空间调制周期T，其测量的结果与真实值可见下表，从表可以看出，测量结果与真实值非常的靠近。
(",测量值 (1.53， 0.8l戶，0.76//w)(",/j,:0真实值 (1.51,0.80戶，0.73，)
权利要求
一种微纳光学元件光学参数测量方法，其特征在于使测量光源发出的单色光通过偏振片调制后入射到待测光学元件表面上，用光敏探测接收器同时探测接收光学元件反射和透射的光信息，将探测接收到的光学信息传输给I/D转换器，I/D转换器将光信息转化为数字信息输入到计算机，计算机借助优化算法将光学元件的光学参数优化，输出测量结果，从而实现对微纳光学元件光学参数的高精度测量。
2. 根据权利要求1所述的微纳光学元件光学参数测量方法，其特征在于单色光通过偏 振片调制后以多角度地入射到待测光学元件表面。
3. 根据权利要求2所述的微纳光学元件光学参数测量方法，其特征在于以波长临近的 多个波长单色光通过偏振片调制后多角度地入射到待测光学元件表面。
4. 根据权利要求3所述的微纳光学元件光学参数测量方法，其特征在于以每个波长的 单色光对待测光学元件表面进行不少于2次的重复测量。
5. 根据权利要求1至4之一所述的微纳光学元件光学参数测量方法，其特征在于单色 光以3° -20°的入射角入射到待测光学元件的表面。
6. 根据权利要求1至4之一所述的微纳光学元件光学参数测量方法，其特征在于测量 用单色光波长为400nm-700nm。
7. 实施权利要求1至6之一所述微纳光学元件光学参数测量方法的装置，其特征在于 主要包括测量光源，将光源发出的单色光予以调制的偏振片，安放待测光学元件的安放器 和比较探测器，安放器设置在使待测光学元件位于偏振片与比较探测器光路之间，所述比 较探测器主要由光敏探测接收器、I/D转换器和计算机组成，I/D转换器将光敏探测接收器 探测接收到的经由光学元件反射和透射的光信息转化为数字信息，输入计算机进行数字信 息优化计算，得出待测光学元件优化光学参数，构成比较探测器的光敏探测接受器至少为 两个，设置在能同时探测接收经由光学元件反射和透射光信息的位置。
8. 根据权利要求7所述的微纳光学元件光学参数测量装置，其特征在于安放待测光学 元件的安放器、偏振片和光源三者中至少其一是可转动的，以使测量单色光以3。 -20°的 入射角入射到微纳光学元件上。
9. 根据权利要求8所述的微纳光学元件光学参数测量装置，其特征在于测量光源为能 发出连续光谱单色光的激光光源。
10. 根据权利要求8所述的微纳光学元件光学参数测量装置，其特征在于测量光源为 能发出波长在400nm-700nm范围单色光的可调连续光谱激光光源。
全文摘要
本发明公开了一种微纳光学元件光学参数测量方法与装置，测量方法为测量光源发出的单色光通过偏振片调制后入射到待测光学元件表面上，光敏探测接收器同时探测接收光学元件反射和透射的光信息，将探测接收的光学信息传输给I/D转换器转化为数字信息，输入到计算机借助优化算法将光学元件的光学参数优化，实现对微纳光学元件光学参数的高精度测量。测量装置主要包括测量光源，将光源发出的单色光予以调制的偏振片，安放待测光学元件的安放器和比较探测器，其中比较探测器又由光敏探测接收器，将光信息转化为数字信息的I/D转换器和计算机组成。本发明能够克服微纳光学元件本身制造误差对测量结果的影响，实现对微纳光学元件光学参数高精度测量。
文档编号G01M11/02GK101793596SQ20101010318
公开日2010年8月4日 申请日期2010年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者李建龙, 董春美 申请人:四川大学
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