本发明属于纳米制造，特别是规模化纳米制造及柔性电子制造中大面积纳米结构薄膜的在线工艺监测与优化控制领域，具体涉及一种纳米结构薄膜大面积高分辨率(包括纵向分辨率和横向分辨率)宽视场在线测量测量装置及其测量方法。
背景技术：
纳米制造是指产品特征尺寸为纳米量级的制造技术，即特征尺寸在100nm以内的制造技术。为了降低纳米制造成本，近年来在柔性电子、太阳能光伏、平板显示等新兴产业领域中，多采用卷对卷(roll-to-roll)或者片对片(sheet-to-sheet)等大规模纳米制造工艺。为了实现有效的工艺监控，在纳米制造特别是大规模纳米制造中对纳米结构薄膜的光学常数、膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等几何参数进行大面积、快速、低成本、非破坏性的精确测量具有十分重要的意义。此外，在一些大规模纳米制造中，对大面积纳米结构薄膜进行测量时，往往要求测量手段同时具备较高的纵向分辨率和横向分辨率。以平板显示中的有机发光二极管(OLED)制造工艺为例，OLED中的有机薄膜通常非常薄，仅为百纳米量级，而且OLED中的每个像素由R子像素、G子像素和B子像素各一个组成，每个子像素单元的尺寸均在微米量级。为了能够实现对各子像素单元内有机薄膜厚度及光学特性的准确测量，这就要求测量手段必须同时具备纳米量级的纵向分辨率和微米量级的横向分辨率。
常规扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)等测量手段可以满足纳米级尺寸的测量要求，但是其缺点是速度慢、成本高、设备操作复杂、难以集成到制造工艺线上实现在线测量，而且也无法用于表征材料的光学常数等光学特性。与之相比，光学测量方法具有测量速度快、成本低、无接触、非破坏性和易于在线集成等优点，因而一直在先进工艺监测与优化控制领域获得了广泛应用。传统光学测量方法如光学显微镜能够实现微米量级横向分辨率几何尺寸的测量，特别是通过优化仪器光路设计可以达到光学分辨率极限所对应的横向分辨率，但是光学显微镜不能对薄膜材料的厚度及其光学常数进行测量。在光学显微镜基础上进一步发展而来的干涉显微测量技术，能够实现量级纵向分辨率和1 μm左右横向分辨率几何尺寸的精确测量，但是不能对薄膜材料的光学常数进行准确表征。虽然文献中也有利用干涉法测量折射率的报道，但是在具体测量时往往需要预先知道被测样品的厚度，而且装置比较复杂。
传统光谱椭偏测量方法是一种通过测量光的偏振状态的改变来获取待测样品薄膜厚度及其光学常数等信息的光学测量方法，其膜厚测量精度(纵向分辨率)可以达到其光学常数测量精度通常可以达到10-4量级。光谱椭偏测量技术在2000年前后开始应用于亚波长纳米结构关键尺寸的测量，此时通常又被称为光学散射测量技术。近年来，随着纳米制造工艺水平的不断提升，基于传统光谱椭偏测量的光学散射测量技术在规模化纳米制造中纳米结构薄膜几何参数与光学常数等的在线测量方面获得了越来越广泛的应用。尽管光谱椭偏测量方法具有较高的纵向分辨率，但是其横向分辨率由照射至样品表面的光斑直径与样品台移动精度决定，通常在毫米量级。即便是加入微光斑探测光路之后，其横向分辨率一般最多也只能在25～50μm量级。专利CN201410733437.6中公开了一种成像光谱椭偏测量技术，该技术将光谱椭偏测量技术与显微成像技术相结合，从而充分利用光谱椭偏测量技术高纵向分辨率与显微成像技术高横向分辨率的优点。不过该专利中公开的测量装置由于其基于传统倾斜镜面成像系统的单步成像光路结构，仪器的焦深值很小，使得该装置难以同时实现宽视场清晰成像与高横向分辨率测量，也就无法真正实现纳米结构薄膜的大面积高分辨率精确测量。
技术实现要素：
针对大规模纳米制造中的测量需求以及现有测量技术的缺陷，本发明提供一种纳米结构薄膜几何参数大面积高分辨率宽视场在线测量装置及其测量方法，用以解决现有装置仪器焦深值很小、装置难以同时实现宽视场清晰成像与高横向分辨率测量问题，真正实现纳米结构薄膜的大面积高分辨率精确测量。
本发明技术方案为：一种纳米结构薄膜大面积高分辨率宽视场在线测量装置，包括起偏臂(8)和检偏臂(24)其中：
所述起偏臂(8)和检偏臂(24)分别与待测薄膜平面法线成相同的倾角；
所述起偏臂(8)与入射光同轴，用于将外部光源入射光进行准直，获得平行光束，同时对入射光进行偏振态调制，获得椭圆偏振光；
所述检偏臂(24)设在待测薄膜反射光路上，其由中继成像单元(14)、垂直成像单元(18)和偏振态分析单元(22)依次摆放组成；其中：
所述中继成像单元(14)由前透镜(12)和后透镜(13)依据光轴重合、焦距共轭摆放组成；其前焦点与待测薄膜中心重合；
所述垂直成像单元(18)由高数值孔径物镜(16)和镜筒透镜(17)共光轴共轭摆放；镜筒透镜(17)的后焦面，设有面阵探测器(23)的感光芯片，用于实现清晰成像；
所述中继成像单元(14)后焦距与垂直成像单元(18)的前焦距共轭，且两者之间的光轴夹角满足公式，其中为外部光源相对于待测薄膜的入射角，和分别对应前透镜(12)的后焦面焦距和后透镜(13)的前焦面焦距；垂直成像单元(18)与偏振态分析单元(22)采用共光轴摆放；从而实现仪器的宽视场清晰成像和高分辨率测量；
所述偏振态分析单元(22)用于对垂直成像单元(18)出射的光束进行偏振态分析，从而测得待测样品的椭偏参数。
进一步的，所述起偏臂包括准直透镜(5)和偏振态产生单元PSG(7)，两者同光轴设置，所述准直透镜用于对外部光源入射光进行准直，送入偏振态产生单元PSG(7)实现偏振态的调制。
进一步的，所述偏振态产生单元PSG(7)包括起偏器(6)，此时对应偏振态分析单元(22)由旋转的相位补偿器(20)和检偏器(21)组成；
进一步的，所述偏振态产生单元PSG(7)由起偏器(6)和旋转的相位补偿器(28)组成，此时对应偏振态分析单元由检偏器(21)组成。
进一步的，所述偏振态产生单元(7)由依序共光轴设置的起偏器、前铁电液晶器件、1/4波片和后铁电液晶器件(4)组成，此时对应偏振态分析单元(22)由铁电液晶器件(5)、1/4波片(6)、铁电液晶器件(7)和检偏器(8)共光轴依次摆放；通过控制4个铁电液晶器件的电压方向，产生铁电相和顺电相2种不同状态，从而产生4种不同偏振状态的偏振光，经偏振态分析单元获得待测样品的穆勒矩阵M中的全部16个元素。
进一步的，所述偏振态产生单元(7)由起偏器(6)和旋转的相位补偿器(28)组成，此时对应偏振态分析单元由旋转的相位补偿器(20)和检偏器(21)组成，且相位补偿器(28)和相位补偿器(20)的快轴以一定的转速比同步旋转；转速比优选为5:1、5:2和5:3。
进一步的，所述外部光源包括光源(1)、波长选择器(2)、光纤耦合器(3)和输出光纤(4)；光源(1)产生的光经波长选择器(2)转变为单波长光，经光纤耦合器(3)送输出光纤(4)，输出光纤(4)为外部光源的输出端。
进一步的，还包括控制系统，所述控制系统与同步设置相连，所述同步装置与设在起偏臂(8)中第一中空电机(29)和检偏臂(24)中第二中空电机(19)相连，用于控制两臂内的相位补偿器以一定的转速比同步旋转，进而实现偏振态的调制和解调。
按照本发明的另一方面，本发明还提出一种纳米结构薄膜大面积高分辨率宽视场在线测量方法，包括如下步骤：
(1)将待测纳米结构薄膜置于样品台上；
(2)调节成像光路，在面阵探测器上得到样品待测区域的清晰成像；
(3)将单波长平行光束经过偏振态产生单元进行调制后，获得椭圆偏振光投射至待测纳米结构薄膜表面；
(4)对待测纳米结构薄膜表面反射光进行偏振态解调后，进入到面阵探测器中，得到不同偏振状态下反射光强信号；
(5)根据第(4)步得到的反射光强信号，计算得到待测纳米结构薄膜对应面阵探测器上每个像素点处的测量椭偏参数，所有像素点对应的测量椭偏参数构成整个视场区域内待测样品的成像椭偏测量数据.
(6)改变入射光束的波长以及入射光束的入射角，转动样品台以改变入射光束与待测纳米结构薄膜之间所成方位角；重复第(2)步～第(5)步，可以计算得到不同波长、入射角和方位角配置下的实际成像椭偏数据；
(7)在给定的波长、入射角和方位角配置下，计算待测纳米结构薄膜对应的理论成像椭偏数据；当样品为薄膜时，采用菲涅尔公式进行计算；当样品为纳米结构时，采用严格耦合波分析(RCWA)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)或者有限时域差分法(FDTD)进行计算；
(8)对实际测量得到的成像光谱椭偏数据上任意像素点进行计算，可以得到该像素点处对应的纳米结构的待测参数值；完成所有像素点对应的纳米结构的待测参数值求解，最终得到整个视场区域内待测纳米结构的三维显微形貌。
本发明所述三维显微形貌包括纳米三维结构横向分布的尺寸和纵向的高度。所述椭偏参数包括测量待测样品的振幅比角、相位差角和测量待测样品的全穆勒矩阵M。
本发明提供的纳米结构薄膜几何参数大面积高分辨率宽视场在线测量装置，其特征在于，该装置在传统光谱椭偏仪的起偏光路中增设波长选择器(如单色仪、声光可调滤波器或者液晶可调滤波器)，以实现波长的连续调节，在检偏光路中增设有两步成像光路系统，分别对应中继成像单元和垂直成像单元，同时将检偏光路中的线阵探测器(如光谱仪)替换为面阵探测器(如CCD或者CMOS相机)，以收集整个成像视场区域内待测纳米结构薄膜的成像光谱椭偏测量数据。在获得待测样品的成像光谱椭偏测量数据之后，通过对图像上各个像素点进行独立的椭偏测试，可以准确实时地重构出包含整个成像视场的大面积区域内待测纳米结构薄膜的几何参数三维显微形貌与光学常数三维显微形貌。
与专利CN201410733437.6中公开的成像光谱椭偏测量装置相比，本发明提供的测量装置具有与其相当的纵向分辨率(取决于光谱椭偏仪的测量精度)。所不同的是，专利CN201410733437.6中公开的成像光谱椭偏测量装置的横向分辨率较低且无法实现宽视场清晰成像，而本发明提供的测量装置可以同时实现高横向分辨率测量与包含整个成像视场区域的宽视场清晰成像。这是由于专利CN201410733437.6中公开的成像光谱椭偏测量装置，其成像光路本质上是一倾斜镜面成像系统，倾斜角度即入射光束光轴与待测样品表面法线间的夹角θ一般在布鲁斯特角附近(对于不同的材料，θ取值一般在55°～75°)。在倾斜成像模式下，由于系统焦深的限制，整个成像视场内待测样品表面清晰的区域的只是一条狭长的带状区域，在此区域之外的样品表面都是模糊的。能够清晰成像带状区域的宽度与成像系统中成像透镜的数值孔径(NA)及sinθ成反比。显然，在θ一定的情况下，NA越小，清晰成像区域越宽。然而，NA越大，系统的横向分辨率越低。
本发明提供的两步成像光路系统的成像原理如图1所示。其中，θ为入射角(反射角)，透镜3和透镜4构成中继成像单元2；透镜7和透镜8构成垂直成像单元6。透镜3和透镜4的光轴重合采用共轭焦距布置，透镜7和透镜8的光轴重合采用共轭焦距布置，透镜7的前焦距与透镜4的后焦距亦采用共轭布置。中继成像单元的光轴与垂直成像单元的光轴之间成一定夹角θ′，θ′和θ之间的关系由下式确定：
其中f1和f2分别对应透镜3和透镜4的焦距，f2/f1同时也是中继成像单元的放大倍率。样品待测区域1位于透镜3的前焦面处，经过中继成像单元2之后得到的物像5位于透镜4的后焦面处，同时也位于透镜7的前焦面处。物像5经过垂直成像单元6之后得到物像9，物像9进一步被面阵探测器的感光面获取并进行后续的数据处理。
在本发明提供的两步成像光路系统中透镜3的数值孔径NA1决定了整个成像系统的横向分辨率，其数值可由下式估计：
其中c为常数，λ为照明光波长，ε为成像系统能够分别的最小横向距离(可根据设计要求来定)。在非相干照明条件下，c＝0.61；在相干照明条件下，c＝0.77。透镜7的主要用途是尽可能多地收集从中继成像单元出射的光束，其数值孔径NA2的取值可由下式估计：
NA2＝nsinθ′ (3)
其中n为物空间媒质折射率。当媒质为空气时，n＝1。透镜4和透镜8的选择主要兼顾整个成像系统的放大倍率M：
其中f3和f4分别对应透镜7和透镜8的焦距，f4/f3为垂直成像单元的放大倍率。为了使得检偏光路紧凑，一般中继成像单元的放大倍率f2/f1≤1。
作为上述技术方案的改进，本发明装置具体包括光源，波长选择器，光纤耦合器，引出光纤，准直镜，偏振态产生单元(PSG)，起偏臂，用于放置待测纳米结构薄膜的旋转样品台，角度计，中继成像单元，垂直成像单元，偏振态分析单元(PSA)，检偏臂，面阵探测器，控制器，同步装置，以及计算机。光源、波长选择器和光纤耦合器位于同一光路上，三者之间通过光纤连接，引出光纤的一端连接在光纤耦合器上，从引出光纤另一端引出的光束位于准直镜的焦点位置。准直镜和偏振态产生单元位于起偏光路，并且安装在起偏臂上；中继成像单元、垂直成像单元和偏振态分析单元位于检偏光路，并且安装在检偏臂上。起偏臂和检偏臂以相同的倾角θ对称布置于角度计上，其中的偏振态产生单元与偏振态分析单元由控制器控制并与计算机相连。检偏光路中的垂直成像单元和偏振态分析单元采用共光轴设计，其光轴与中继成像单元光轴成一定夹角θ′，且该角度可以通过安装在检偏臂上的角度计进行调节。样品的待测区域位于中继成像单元的前端焦点上，中继成像单元与垂直成像单元之间焦距采用共轭布置，面阵探测器安装在垂直成像单元的后端焦平面之后，以保证采集图像的清晰度。
本发明提供的利用上述装置进行纳米结构薄膜光学常数以及膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等几何参数大面积、高分辨率、宽视场、在线测量的方法，具体包括以下步骤：
第1步将待测纳米结构薄膜置于旋转样品台上，调试光路，使面阵探测器获得待测区域的清晰成像；
第2步由光源发出的光束先后经过波长选择器和准直透镜成为单色平行光束，再经过偏振态产生单元得到椭圆偏振光束后投射至待测纳米结构薄膜表面；
第3步椭圆偏振光束经过待测纳米结构薄膜表面反射后，先后经过中继成像单元与垂直成像单元，再经过偏振态分析单元，最后进入面阵探测器。利用面阵探测器收集得到反射光(当待测样品为周期性纳米结构时，反射光对应为测纳米结构的零级衍射光)对应的光强信号，通过控制偏振态产生单元与偏振态分析单元以收集得到不同偏振状态下反射光的光强信号；
第4步根据第3步收集到的反射光的光强信号，计算得到待测纳米结构薄膜对应面阵探测器上每个像素点处的测量椭偏参数(即振幅比角Ψ和相位差角Δ或者穆勒矩阵M)，所有像素点对应的测量椭偏参数构成整个视场区域内待测样品的成像椭偏测量数据；
第5步利用波长选择器改变入射光束的波长λ，转动起偏臂和检偏臂以改变入射光束的入射角θ(需要同时调整中继成像单元光轴与垂直成像单元光轴之间的夹角θ′)，转动样品台以改变入射光束与待测纳米结构薄膜之间所成方位角φ(当待测样品为薄膜时，方位角φ可以固定为任意值；当待测样品为周期性纳米结构时，方位角φ定义为入射面与样品表面交线同待测纳米结构周期方向所成角度)；重复第2步～第4步，得到不同波长、入射角和方位角配置下的成像椭偏测量数据；
第6步在给定的波长、入射角和方位角配置下，计算待测纳米结构薄膜对应的理论椭偏参数；
第7步将第6步计算得到的理论椭偏参数与第5步得到的成像椭偏测量数据上每个像素点或者每组像素点对应的测量椭偏参数进行匹配，从中提取出对应像素点处的纳米结构薄膜的待测参数；所有像素点对应的纳米结构薄膜的待测参数值，最终构成整个视场区域内待测纳米结构薄膜的三维显微形貌。
本发明提供的纳米结构薄膜大面积、高分辨率、宽视场、在线测量装置及测量方法，是在传统光谱椭偏仪的基础上，通过在起偏光路中增设有波长选择器，以实现波长的连续调节，在检偏光路中引入两步成像光路系统，即中继成像单元和垂直成像单元，并将检偏光路中的线阵探测器用面阵探测器来代替，以收集整个成像视场区域内待测纳米结构薄膜的成像光谱椭偏测量数据。通过选择合适数值孔径和放大倍率的透镜，可以同时实现宽视场清晰成像与高横向分辨率测量。通过对成像光谱椭偏测量数据上各个像素点进行独立的椭偏测试，可以准确实时地重构出包括整个成像视场的大面积区域内待测纳米结构薄膜的三维显微形貌。同时，本发明提供的测量装置及测量方法本质上仍然是一种光学测量方法，满足纳米制造特别是大规模纳米结构薄膜制造过程中的光学常数(折射率n和消光系数k)与厚度、纳米结构的几何参数如特征线宽、线高、侧壁角、周期间距、套刻误差、以及线边粗糙度和线宽粗糙度的在线测量，本发明的大面积、快速、低成本、非破坏性精确测量的优势，将在规模纳米制造中的在线工艺监测与优化控制领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的两步成像光路系统成像原理示意图；
图2是本发明提供测量待测样品的振幅比角Ψ和相位差角Δ时偏振态产生单元(PSG)与偏振态分析单元(PSA)的实施方案示意图；
图3是本发明提供测量待测样品的全穆勒矩阵M时偏振态产生单元(PSG)与偏振态分析单元(PSA)的实施方案示意图；
图4是本发明提供的用于测量待测样品振幅比角Ψ和相位差角Δ的测量装置结构示意图；
图5是本发明提供的用于测量待测样品全穆勒矩阵M的测量装置结构示意图；
图6是典型薄膜样品示意图；
图7是光刻工艺中的典型纳米结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了便于描述，同时结合椭偏测量方法的特点，在说明具体实施方式时，分为两部分进行，分别是：(1)成像光谱椭偏数据测量部分；(2)测量数据分析部分。其中数据测量部分，根据仪器测量参数的不同，分别说明测量待测样品的振幅比角Ψ和相位差角Δ仪器的具体实施方式与测量待测样品的全穆勒矩阵M仪器的具体实施方式。
根据仪器测量参数的不同，本发明装置中的偏振态产生单元和偏振态分析单元具体可分为两种实施方案：(1)测量待测样品的振幅比角Ψ和相位差角Δ，其实施方案如图2所示。其中，偏振态产生单元由起偏器1组成，此时对应偏振态分析单元由旋转补偿器2和检偏器3组成。另外，偏振态产生单元也可由起偏器1和旋转补偿器2组成，此时对应偏振态分析单元由检偏器3组成。这两种方案测量样品振幅比角Ψ和相位差角Δ的原理是等价的。(2)测量待测样品的全穆勒矩阵M，其实施方案如图3所示。其中，偏振态产生单元由起偏器1和旋转补偿器2组成，此时对应偏振态分析单元由旋转补偿器3和检偏器4组成，且旋转补偿器2和旋转补偿器3的快轴以一定的转速比同步旋转，常用的转速比有5:1、5:2和5:3。另外，偏振态产生单元也可以由起偏器1、铁电液晶器件2、1/4波片3和铁电液晶器件4组成，此时对应偏振态分析单元由铁电液晶器件5、1/4波片6、铁电液晶器件7和检偏器8组成。4个铁电液晶器件均可以通过控制电压在2种不同状态之间切换，使得偏振态产生单元可以产生4种不同偏振状态的偏振光，对应偏振态分析单元可以分析4种不同偏振光的偏振态，进而获得待测样品的全穆勒矩阵。
(1)成像光谱椭偏数据测量
图4为本发明提供的用于测量待测样品振幅比角Ψ和相位差角Δ的测量装置。主要包括光源1，波长选择器2，光纤耦合器3，输出光纤4，准直透镜5，起偏器6，偏振态产生单元7，起偏臂8，旋转样品台9，待测纳米结构薄膜10，角度计11，前透镜12，后透镜13，中继成像单元14，角度计15，高数值孔径物镜16，镜筒透镜17，垂直成像单元18，中空电机19，相位补偿器20，检偏器21，偏振态分析单元22，面阵探测器23，检偏臂24，同步装置25，控制器26，计算机27。
光源1、波长选择器2和光纤耦合器3位于同一光路上，三者之间通过光纤连接，输出光纤4的一端连接在光纤耦合器上，从输出光纤另一端引出的光束位于准直镜5的焦点位置，准直透镜5和偏振态产生单元7中的起偏器6位于起偏光路上，且固定在起偏臂8上。前透镜12和后透镜13在同一光路上，且两个透镜焦距共轭摆放组成中继成像单元14。起偏臂8和中继成像单元14遵守光的反射原理，以相同的倾角对称布置于角度计11上，且待测纳米结构薄膜10位前透镜12的前焦面处。
垂直成像单元18由高数值孔径物镜16和镜筒透镜17组成，其中垂直成像单元18与中继成像单元14依据公式(1)描述的夹角放置在角度计15的两侧。安装在中空电机19上的相位补偿器20和检偏器21共同组成偏振态分析单元22，垂直成像单元18、偏振态分析单元22和面阵探测器23位于同一条光路上，同中继成像单元14一起固定在检偏臂上24。面阵探测器23感光芯片位于镜筒透镜17的后焦面上。
计算机27通过控制器26来控制中空电机19旋转，同时操作同步装置25来捕捉旋转电机19发出的高电平信号，从而触发面阵探测器23，进行数据的采集和存储。
图5为本发明提供的用于测量待测样品全穆勒矩阵M的测量装置。主要包括光源1，波长选择器2，光纤耦合器3，输出光纤4，准直透镜5，起偏器6，中空电机28，相位补偿器29，偏振态产生单元7，起偏臂8，旋转样品台9，待测纳米结构薄膜10，角度计11，前透镜12，后透镜13，中继成像单元14，角度计15，高数值孔径物镜16，镜筒透镜17，垂直成像单元18，中空电机19，相位补偿器20，检偏器21，偏振态分析单元22，面阵探测器23，检偏臂24，同步装置25，控制器26，计算机27，相位补偿器28和中空电机29。
光源1、波长选择器2和光纤耦合器3位于同一光路上，三者之间通过光纤连接，输出光纤4的一端连接在光纤耦合器上，从输出光纤另一端引出的光束位于准直镜5的焦点位置，准直透镜5和偏振态产生单元7中的起偏器6位于起偏光路上，且固定在起偏臂8上。前透镜12和后透镜13在同一光路上，且两个透镜焦距共轭摆放组成中继成像单元14。起偏臂8和中继成像单元14遵守光的反射原理，以相同的倾角对称布置于角度计11上，且待测纳米结构薄膜10位前透镜12的前焦面处。
垂直成像单元18由高数值孔径物镜16和镜筒透镜17组成，其中垂直成像单元18与中继成像单元14依据公式(1)描述的夹角放置在角度计15的两边。安装在中空电机19上的相位补偿器20和检偏器21共同组成偏振态分析单元22，垂直成像单元18、偏振态分析单元22和面阵探测器23位于同一条光路上，同中继成像单元14一起固定在检偏臂上24。面阵探测器23的感光芯片位于镜筒透镜17的后焦面上。
计算机27通过控制器26来控制中空电机28和中空电机19分别带动相位补偿器29和相位补偿器20以一定的转速比同步旋转，常用的转速比有5:1、5:2和5:3。同时操作同步装置25来捕捉两个中空电机同步的HOME位信号，触发面阵探测器23进行数据的采集和存储。
在本发明提供的两种仪器具体实施例中，所述的光源1可以选用氙灯光源，也可以选用激光光源。
在本发明提供的两种仪器具体实施例中，所述的波长选择器2可选用单色仪、声光可调滤波器或者液晶可调滤波器等具有波长选择功能的相关设备。
在本发明提供的两种仪器具体实施例中，所述的起偏器6和检偏器21为可以将任意光束变为线偏振光或者检测光的偏振状态的偏振器件。
在本发明提供的两种仪器具体实施例中，所述的相位补偿器20和28为可以在两个互相垂直的方向上产生一定相位延迟差的光学各项异性器件。
在本发明提供的两种仪器具体实施例中，所述高数值孔径成像物镜16为无限远光学设计无应力平场半复消色差或无应力平场复消色差物镜。
在本发明提供的两种仪器具体实施例中，所述的面阵探测器23可以采用CCD相机或者CMOS相机。
利用上述测量装置对待测纳米结构薄膜进行测量以获得其成像光谱椭偏测量数据主要包括以下步骤：
第1步将待测纳米结构薄膜10置于旋转样品台9上；
第2步调节仪器成像光路，使得面阵探测器23可以获得样品待测区域的清晰成像；
第3步由光源1发出的光经波长选择器2之后变为单色光，单色光经光纤耦合器3和引出光纤4引入到起偏臂8一端，后经过准直镜5变为平行光束，再经过偏振态产生单元7进行偏振态调制后入射至待测纳米结构薄膜10；
第4步平行光束经过待测纳米结构薄膜10表面反射后，先后经过中继成像单元14和垂直成像单元18，再经过偏振态分析单元22进行偏振态解调后，进入到面阵探测器23中，面阵探测器采集到的图像最终传递到计算机27中。计算机根据面阵探测器采集到的图像得到反射光对应的光强信号，通过控制器26控制偏振态产生单元与偏振态分析单元可以得到不同偏振状态下反射光的光强信号；
第5步根据第4步得到的反射光的光强信号，计算得到待测纳米结构薄膜10对应面阵探测器23上每个像素点处的测量椭偏参数，所有像素点对应的测量椭偏参数构成整个视场区域内待测样品的成像椭偏测量数据。
面阵探测器上每一个像素点处的数据采集原理都是一样的，具体地可以面阵探测器上任意第m行和第n列对应的像素点处的数据采集为例。
对于图4所示测量装置，其反射光束与入射光束对应的斯托克斯向量Sout，Sin之间的关系式为：
Sout＝[MAR(θA)]·[R(-θC)MC(δ)R(θC)]·MS·[R(-θP)MP]·Sin (5)
其中MP、MA、MC(δ)和MS分别为起偏器6、检偏器21、相位补偿器20和待测纳米结构薄膜10对应的穆勒矩阵；δ为相位补偿器对应的相位延迟量；R(α)为旋转角为α(α＝θP,θA,θC)的旋转穆勒矩阵；θP和θA分别为起偏器和检偏器的透光轴方位角(即透光轴方向与入射面夹角)，θC为相位补偿器的快轴方位角(即快轴方向与入射面夹角)，且θC＝ωt-CS，ω为相位补偿器的旋转角频率，CS表示相位补偿器的快轴初始方位角。将表达式(5)展开可以得到反射光束对应的光强表达式：
由表达式(6)可知，待测纳米结构薄膜对应面阵探测器任意第m行和第n列像素点处采集到的光强信号是随时间变化的周期性信号，因此可以对其进行傅立叶分析，而且由此得到的光强信号的谐波系数是对应参数cos2Ψ、sin2ΨcosΔ和sin2ΨsinΔ的线性函数。由此可知，在采集得到反射光束的光强信号之后，通过对其进行傅里叶分析，由光强信号的谐波系数可以得到cos2Ψ、sin2ΨcosΔ和sin2ΨsinΔ的值，并可以进一步求得全部取值范围内的振幅比角Ψ(-180°≤Ψ≤180°)和相位差角Δ(0°≤Ψ≤90°)。通过对面阵探测器所有像素点处采集得到的光强信号进行上述傅立叶分析便可以得到整个视场区域内待测纳米结构薄膜的成像椭偏测量数据。此外，除了对面阵探测器上每个像素点进行傅立叶分析之外，还可以同时对多个像素点进行傅立叶分析以提高采集到的光强信号的信噪比。
对于图5所示测量装置，其反射光束与入射光束对应的斯托克斯向量Sout，Sin之间的关系式为：
其中MP，MA，MC1(δ1)，MC2(δ2)和MS分别为起偏器5、检偏器21、偏振态产生单元相位补偿器28、偏振态分析单元相位补偿器20和待测纳米结构薄膜10对应的穆勒矩阵；δ1和δ2分别为偏振态产生单元与偏振态分析单元相位补偿器对应的相位延迟量；R(α)为旋转角为α(α＝θP,θA,θC1,θC2)的旋转穆勒矩阵；θP和θA分别为起偏器和检偏器的透光轴方位角，θC1和θC2分别为偏振态产生单元与偏振态分析单元相位补偿器的快轴方位角，且θC1＝ω1t-CS1，θC2＝ω2t-CS2，ω1和ω2为两个相位补偿器的旋转角频率，CS1和CS2为两个相位补偿器的快轴初始方位角。在数据采集过程中偏振态产生单元相位补偿器与偏振态分析单元相位补偿器的快轴以一定的转速比ω1:ω2同步旋转，常用的转速比有5:1、5:2和5:3。将式(7)展开可以得到反射光束对应的光强表达式：
其中ck＝cos2(δk/2)，sk＝sin2(δk/2)及Ki均为中间变量，Mij为待测纳米结构薄膜对应的穆勒矩阵MS中的元素(i,j＝1,2,3,4；k＝1,2)。
由光强信号的时域表达式(8)和(9)可知，待测纳米结构薄膜对应面阵探测器上任意第m行和第n列像素点处采集到的光强信号是随时间变化的周期性信号，因此可以对其进行傅立叶分析，而且由此得到的光强信号的谐波系数是对应穆勒矩阵元素的线性函数。由此可知，在采集得到反射光束的光强信号之后，通过对其进行傅立叶分析，由光强信号的谐波系数便可以得到面阵探测器上对应像素点处待测纳米结构薄膜的穆勒矩阵元素。通过对面阵探测器所有像素点处采集得到的光强信号进行上述傅立叶分析可以得到整个视场区域内待测纳米结构薄膜的成像穆勒矩阵测量数据。此外，对于各向同性待测样品，其穆勒矩阵理论上应为：
其中R为待测样品的反射率。显然，当待测样品为各向同性样品时，利用图5所示测量装置在获得其穆勒矩阵之后，也可以求得它对应的振幅比角Ψ与相位差角Δ。
第6步利用波长选择器2改变入射光束的波长λ，通过角度计11调节起偏臂8与检偏臂24之间的倾角以改变入射光束的入射角θ(需要同时通过角度计15调节中继成像单元14与垂直成像单元18光轴之间的夹角θ′)，转动样品台9以改变入射光束与待测纳米结构薄膜10之间所成方位角φ；重复第2步～第5步，可以得到不同波长、入射角和方位角配置下的成像椭偏测量数据。
(2)测量数据分析
在获得待测纳米结构薄膜的成像光谱椭偏测量数据之后便是对其进行分析，以便从测量数据中提取出样品的光学常数以及膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等待测参数。测量数据分析主要包括以下步骤：
第7步在给定的波长λ、入射角θ和方位角φ配置下计算待测纳米结构薄膜对应的理论成像椭偏数据；
待测纳米结构薄膜对应的理论成像椭偏数据的计算，根据样品的特性可以采用不同的计算方法。具体而言，当样品为薄膜时，可以直接利用菲涅尔公式进行计算；而当样品为纳米结构时，可以采用严格耦合波分析(RCWA)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)或者有限时域差分法(FDTD)等进行计算，下面分析说明。
图6为一典型薄膜样品，它是在基底之上的一层薄膜。其中基底层的复折射率为N2，薄膜层的复折射率为N1，其厚度为d，N0为薄膜样品周围介质的折射率。当周围介质为空气时，N0＝1。复折射率N的定义为N＝n-ik，n和k分别为介质的折射率和消光系数，i为虚数单位。一般情况下，薄膜层的光学常数N1及其厚度d为待测参数。图6中，θ0表示入射角(θ＝θ0)，θ1为光束从周围介质进入薄膜层之后的折射角，θ2为光束从薄膜层进入基底层之后的折射角。根据斯涅耳定律可知：
N0sinθ0＝N1sinθ1＝N2sinθ2 (11)
根据菲涅尔公式可以求得光束在薄膜层上表面处p光(垂直于入射面的电场分量)和s光(平行于入射面的电场分量)对应的幅值反射系数r01,p和r01,s：
同理，根据菲涅尔公式也可以求得光束在薄膜层与基底层之间的界面处p光和s光对应的幅值反射系数r12,p和r12,s：
根据公式(12)-(15)可以求得光束入射至薄膜样品反射之后，对应p光和s光对应的幅值反射系数rpp和rss：
其中β＝2πdN1cosθ1/λ。由公式(16)和(17)进一步可以求得振幅比角Ψ和相位差角Δ，即：
由所求得的振幅比角Ψ和相位差角Δ，根据公式(10)可以进一步求得样品对应的穆勒矩阵M。
图7为一光刻工艺中的典型周期性纳米结构，选用RCWA方法计算其对应的穆勒矩阵M，主要计算步骤包括：
(i)由麦克斯韦方程求得入射区和透射区的电磁场表达式；
(ii)对光栅区域的介电常数和电磁场进行傅立叶展开，然后由麦克斯韦方程或者亥姆霍兹方程导出耦合波方程组；
(iii)在光栅区域的上下边界运用电磁场边界条件，通过一定的矩阵运算便可以求得各级次衍射波的幅值系数。根据所求得的零级衍射波的幅值系数可以进一步计算出纳米光栅结构的琼斯矩阵J：
其中琼斯矩阵J的左右两侧分别表示反射和入射偏振光束对应的琼斯向量，Ep,s分别表示平行和垂直于入射面的电场分量。当测量过程中不存在退偏效应时，对应的穆勒矩阵M与琼斯矩阵J之间存在如下关系式：
其中表示克罗内克积，J*为琼斯矩阵J的复共轭矩阵，A-1为矩阵A的逆矩阵，矩阵A为：
第8步将第7步计算得到的理论成像光谱椭偏数据与第6步得到的成像光谱椭偏测量数据上每个像素点或者每组像素点对应的光谱椭偏测量数据进行匹配，从中提取出对应像素点处的纳米结构薄膜的待测参数。
纳米结构薄膜待测参数提取过程是一个典型的逆问题求解过程。该逆问题的输入为待测纳米结构薄膜的成像光谱椭偏测量数据，输出为纳米结构薄膜的待测参数值。逆问题的求解目标是，对应成像光谱椭偏测量数据上任意像素点，能找到一组纳米结构薄膜的待测参数值，使得其理论光谱椭偏数据能够最佳匹配该像素点处的光谱椭偏测量数据。仍以面阵探测器上任意第m行和第n列对应像素点处的光谱椭偏测量数据为例，上述逆问题求解过程用数学语言可以表述为：
其中yex(λi,θ,φ)表示第i(i＝1,2,…,N)个波长点λi和入射角θ、方位角φ条件下对应的椭偏测量数据(可以为振幅比角Ψ和相位差角Δ或者穆勒矩阵元素)；ycal(p,λi,θ,φ)表示对应波长λi、入射角θ和方位角φ条件下的理论椭偏数据，p为纳米结构薄膜待测参数组成的K维向量，Ω为待测参数取值范围，为最终的待测参数提取值；δy表示椭偏测量数据的标准差；M为总的数据点个数，当测量参数为振幅比角Ψ和相位差角Δ时，M＝2N，当测量参数为穆勒矩阵时，M＝15N。对于公式(22)的求解，具体可以采用诸如Levenberg-Marquardt算法之类的非线性回归方法，也可以采用专利文献CN102798342A公开的“一种用于光学散射测量的基于拟合误差插值的库匹配方法”，或者采用陈修国等人在“Improved measurement accuracy in optical scatterometry using correction-based library search”论文中提出的“一种基于修正的库匹配方法”。
对成像光谱椭偏测量数据上任意像素点求解公式(22)，可以得到该像素点处对应的纳米结构薄膜的待测参数值。所有像素点对应的纳米结构薄膜的待测参数值，最终构成了整个视场区域内待测纳米结构薄膜的三维显微形貌。
本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明。因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
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