一种具有对称性和自校准的薄膜透反射率仪

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摘要： 基于反射率测量原理，提出了一种具有对称性和自校准的薄膜透反射率测量仪器。仪器具有两个照明系统和两个光收集系统，并分别对称地置于样品台的两侧，测量时测量光线依次经过照明系统、样品和光收集系统。由于该设计具有对称性，因而可消去光学系统的不对称误差，而且可实现自校准功能，同时获得垂直入射情况下薄膜的反射、透射和光学损耗。

关键词： 透反射率仪； 光学薄膜； 对称系统；自校准

中图分类号： O484 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.03.015

文章编号： 1005-5630（2016）03-0267-05

Abstract： Based on the transmittance and reflectance measurement principle，we put forward a thin-film transmittance and reflectance measurement instrument design with symmetry and self-calibration property.Instrument has two light systems and two light collection systems，which are symmetrically set up on both sides of the sample stage.To measure the transmittance and reflectance of the film sample，the measured light passes through light system，sample and collection system，respectively.This symmetrical design can eliminate the asymmetry error of optical system，realize the function of self-calibration，and get transmittance，reflectance as well as optical loss of the film at normal incidence at the same time.

Keywords： transmittance and reflectance measurement instrument； optical thin-films； symmetry system； self-calibration

引 言

光学薄膜器件的透、反射率测量是极其重要的[1]。如果分光光度计能同时精确测量出光学薄膜器件的透射率和反射率，则薄膜器件的光学损耗（吸收和散射）就可根据能量守恒定律得到。遗憾的是反射率的测量远远没有透射率测量那样方便、成熟，一方面反射率测量缺乏像透射率测量那样成熟的技术和仪器，另一方面反射率测量精度远远达不到透射率测量能达到的精度[2]。反射率测量之所以如此困难，主要是因为：（1） 反射率测量常要用一个标准样品参比，因而引入了宽波段上标准样品的色差和标准样品反射率长期稳定的问题；（2） 反射测量光路变化非常灵敏，例如，当光线入射角变化φ时，反射角就会变化2φ，因此样品转动和移动的精度很容易导致光路发生变化；（3） 测量光学系统因松动、应变等原因导致其光路随时间的变化，或光学系统中光学元件因老化、灰尘等原因导致其性能下降，这些变化在透反射率测量[3]，特别是反射率测量中缺乏自动校准的判据；（4） 由于反射测量时光路安排的困难，反射率仪常设计成光线在一定入射角下测量反射率，如典型的“V-W”型反射率仪和“V-N”型反射率仪，这给测量带来了偏振像差对测量精度的影响，而且也无法满足诸如激光反射镜等器件测量光在垂直入射时反射率的需求。正因为这样，光学薄膜器件的透、反射率精确测量迄今仍是光度测量中的一个难题。

1 设计

如图1所示，具有对称性和自校准的薄膜透反射率仪包括样品台ST、两个照明系统、两个光收集系统、单色仪和光电系统。两个照明系统和两个光收集系统分别对称地置于所述样品台的两侧；每个照明系统包括光源、第一可移动挡板、反射棱镜、第一凹面镜和分束镜；每个光收集系统包括第一反射镜、第二凹面镜、第二可移动挡板和第二反射镜。

在其中一个照明系统中，光源L发射的光线在第一可移动档板S1开启的情况下（此时第一可移动挡板S1′关闭）先由反射棱镜P的其中一个反射面反射到第一凹面镜C1，再由第一凹面镜C1反射到反射棱镜P的另一个反射面，然后反射棱镜P的另一个反射面再将光线反射到分束镜B，经由该分束镜B的透射光入射到置于样品台ST的样品S上形成反射光和透射光。第一凹面镜C1 和第一凹面镜C1′的作用是准直，保证入射到样品上的光为准直光。

样品S的反射光返回照明系统的分束镜B上，分束镜B将光线反射到其中一个光收集系统中的第一反射镜M1上，由第一反射镜M1将光线反射到第二凹面镜C2上，第二凹面镜C2在第二可移动档板S2开启的情况下（此时第二可移动挡板S2′关闭）将光线反射到第二反射镜M2上，第二反射镜M2将光线反射到单色仪中，光线由单色仪出射后进入光电系统，最后测得样品的反射率；样品S的透射光进入另一个照明系统中，由另一个照明系统中的分束镜B′反射到另一个光收集系统中的第一反射镜M1′上，由第一反射镜M1′反射到第二凹面镜C2′上，第二凹面镜C2′在第二可移动档板S2′开启的情况下（此时第二可移动挡板S2关闭）将光线反射到第二反射镜M2′上，第二反射镜M2′将光线反射到单色仪中，光线由单色仪出射后进入光电系统，最后测得样品的透射率。第二凹面镜C2、C2′的作用是聚焦，保证入射到单色仪上的光为聚焦光。

同样过程可用光源L′作第二次测量，即相当于改变了在样品上的入射光束的入射方向。

上述整个过程既可用于被测薄膜样品，也可用于标准样品，测试过程全部自动化。仪器的光电系统和控制电路详见参考文献[4]。

由于采用对称测量光路，因而可以从两个方向上同时测量反射率和透射率，样品只需移动，避免转动引入的样品角度误差；对称测量光路可从两个方向上同时测量透射率和反射率，根据透射率在两个入射方向上的值相等的光学原理，可以作为系统准直校准的判据，并通过步进电机微调第一凹面镜C1或和C1′进行自动校准，保证样品上的入射光是准直光；通过二次测量，可以消去光学系统的不对称性，从而避免两个对称测量光路中因光源和每个光学器件的不对称性引入的测量误差；这种对称测量光路还允许反射率测量能像透射率测量那样不用标准样品，而直接用空气（即不放样品）作为透射率100% 或反射率0% 作为参比进行测量和定标；对称测量光路还实现了光线垂直入射到样品上进行测量，克服了反射测量时光路垂直入射安排的困难，这对在一定入射角下测量的反射率仪既是一个补充，又避免了非垂直入射反射率仪因光的偏振像差对测量精度的影响。

如图1所示，在每个照明系统中需设置一个光吸收体，被每个照明系统的分束镜所反射的没有用处的反射光将进入该照明系统内相应的光吸收体中，即分束镜B与光吸收体A对应，分束镜B′与光吸收体A′对应。这样可避免分束镜的反射光在仪器内部产生杂散光。

2 讨论

针对现有的透反射率测量中的问题，提出了采用凹面镜和平面镜构成的测量光路，由于没有采用光学透镜，故在整个测量光谱范围内无色差，易于实现可见和近红外的宽波段测量；提出了采用全对称测量光路，因而可以从两个入射方向同时测量反射率和透射率，避免样品转动引入的样品角度误差；由于可从两个方向上同时测量透射率和反射率，根据透射率在两个入射方向上的值相等的光学原理，可以作为系统准直校准的判据，并实时进行自动校准；通过二次测量，可以消去不可避免的光学系统的不对称性，从而避免两个对称测量光路中因光源和每个光学器件的不对称性引入的测量误差；对称测量光路还允许反射率测量能象透射率测量那样不用标准样品或参比样品，可直接用空气作为透射率100% 或反射率0%进行定标；对称测量光路还可实现光线垂直入射测量，克服“V-W”和“V-N”之类的反射率仪反射测量时光路垂直入射安排的困难。可以看出，对称测量光路是本透反射率测试仪器设计的核心所在，而自动校准、自动定标是仪器具有的重要功能，这些功能恰恰是现用许多反射率测试仪器中需要解决的难点。

图2是仪器的样品参数定义，图2（a）为薄膜与基板组合的测试样品，图2（b）为标准样品，即基板。图中RFF和RFS分别表示光从薄膜或基板侧入射时薄膜与基板组合的反射率；TFF和TFS分别表示光从薄膜或基板侧入射时薄膜与基板组合的透射率；RS和RA分别表示薄膜在基板侧和空气侧的反射率；TF表示单纯薄膜的透射率；R1、R2和T1、T2分别是标准样品的反射率和透射率，其理论值可根据基板折射率计算得到，下标1、2指入射方向。

图3是样品在测试光路中其中四种放置方式的示意图，图3（a）和（d）为薄膜与基板组合的测试样品，光线分别从薄膜侧入射和基板侧入射；图3（b）和（c）为标准样品，即基板，光线分别从两个相反方向入射；还有一种放置方式是没有样品的情况，即以空气作为参比，作为0和100 %的信号幅值标准。样品台ST通过步进电机适当移动可以实现以上五种方式，表1给出这五种方式的光强信号采样结果，即I1～I20。表1中，ФL、ФR分别表示入射到样品上的来自左、右两个光源L和 L′的光通量；kL、kR分别表示左、右二个采集光路的透射因子；“反射”和“透射”分别表示光从样品左侧入射、右侧出射时的反射测量和透射测量，而“反射”和“透射”分别表示光从样品右侧入射、左侧出射时的反射测量和透射测量。

由光学原理可知，任何样品在两个方向上的透射率必定相等，且对标准样品有R1=R2，故可根据表1测得的结果求得从薄膜或基板侧入射时薄膜和基板组合的反射率RFF和RFS以及透射率TFF或TFS，计算公式分别为

由上式可以看出，光强信号采样结果代入公式后，ФL、ФR 和kL、kR因子均被消去，这就是本透反射率仪采用对称光路二次测量可消除不对称误差的原因所在。

进而，由上述薄膜和基板组合的反射率RFF、RFS和透射率TFF（或TFS），可得单纯薄膜的反射率RS、RA和透射率TF为

图4给出实测的ZnS薄膜的反射率和透射率分光曲线，测试波长从380 nm到1 000 nm，ZnS膜的光学厚度为600 nm，基板为K9玻璃。图4中波长780 nm附近的曲线波动是把光电倍增管更换为硫化铅探测器引起的。根据ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的透射率TFF（TFS）曲线1、光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的反射率RFF曲线2和光从K9玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的反射率RFS曲线3的测量数据，由能量守恒R+T+OL=1，可求出光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的光学损耗和光从K9玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的光学损耗。例如对波长400 nm，光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的反射率RFF和透射率TFF分别为26.05%和67.38%，故光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的光学损耗为6.57%；光从K9玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的反射率RFS和透射率TFS 分别为24.11%和67.38%，故光从K9玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K9玻璃基板组合的光学损耗8.51%。根据测量数据，还可以求出单纯ZnS薄膜在K9玻璃基板侧和空气侧的反射率RS和RA以及单纯ZnS薄膜的透射率TF。

实际测量表明，仪器在精确校准的情况下能够达到反射率和透射率的测量精度分别约为0.2%和0.1%，这不仅同时为精确测量反射率和透射率提供了一种可行的技术，而且为光学损耗不是非常小的样品获得其损耗提供了一种方便的方法。

从上可知，本仪器虽具有诱人的特点和重要的功能，但也存在着显而易见的局限：首先，只能测量光线垂直入射样品的透反射率，难以应用于大角度入射样品透反射率的测试；对非平行平板薄膜器件的透反射率测量，虽然薄膜基板背表面的影响可以通过软件的透反射率计算公式进行修正，但其偏折的光线会大大增加仪器的杂散光。但不管怎样，本仪器依然是现有透反射率测量仪的一种补充。

3 结 论

仪器的对称光路设计可以实现在两个方向上同时测量反射率和透射率，不仅可避免两个对称测量光路中因光源和光学器件的不对称性引入的测量误差，而且可根据透射率在两个入射方向上的值相等的光学原理，直接为测试系统提供校准的依据。对称测量光路还允许直接用空气作为标准进行参比和定标，避免常规反射测量定标的难题；并实现垂直入射测量，克服反射测量时光路垂直入射安排的困难。

本仪器能够达到的反射率和透射率测量精度分别约为0.2%和0.1%，这不仅提供了一种反射率和透射率的精确测量技术，而且为评价薄膜的光学损耗提供了一种简便的方法。

参考文献：

[1] 唐晋发，顾培夫，刘旭，等.现代光学薄膜技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006：357-372.

[2] LIU J，LI H F，LIU X，et al.Spectrophotometer for measuring spectral transmittance and reflectance of large- aperture optical element[C]//Proceedings of SPIE 5638，optical design and testing II，229.Beijing，China：SPIE，2004：5638-5640.

[3] 刘明兰，孙玉国，朱轩轩.紫外可见分光光度计线性度测试方法[J].光学仪器，2015，37（2）：100-102.

[4] 杭州科汀光学技术有限公司.具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计：中国，CN101915660B[P].2012-01-11.