新型膜厚儀常用知識

根據(jù)以上分析可知，白光干涉時域解調(diào)方案的優(yōu)點是：①能夠?qū)崿F(xiàn)測量；②抗干擾能力強，系統(tǒng)的分辨率與光源輸出功率的波動，光源的波長漂移以及外界環(huán)境對光纖的擾動等因素?zé)o關(guān)；③測量精度與零級干涉條紋的確定精度以及反射鏡的精度有關(guān)；④結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。但是，時域解調(diào)方法需要借助掃描部件移動干涉儀一端的反射鏡來進(jìn)行相位補償，所以掃描裝置的分辨率將影響系統(tǒng)的精度。采用這種解調(diào)方案的測量分辨率一般是幾個微米，達(dá)到亞微米的分辨率，主要受機械掃描部件的分辨率和穩(wěn)定性限制。文獻(xiàn)[46]所報道的位移掃描的分辨率可以達(dá)到0.54μm。當(dāng)所測光程差較小時，F(xiàn)-P腔前后表面干涉峰值相距很近，難以區(qū)分，此時時域解調(diào)方案的應(yīng)用受到限制。白光干涉膜厚測量技術(shù)是一種測量薄膜厚度的方法。新型膜厚儀常用知識

自1986年E.Wolf證明了相關(guān)誘導(dǎo)光譜的變化以來，人們在理論和實驗上展開了討論和研究。結(jié)果表明，動態(tài)的光譜位移可以產(chǎn)生新的濾波器，應(yīng)用于光學(xué)信號處理和加密領(lǐng)域。在論文中，我們提出的基于白光干涉光譜單峰值波長移動的解調(diào)方案，可以用于當(dāng)光程差非常小導(dǎo)致其干涉光譜只有一個干涉峰時的信號解調(diào)，實現(xiàn)納米薄膜厚度測量。在頻域干涉中，當(dāng)干涉光程差超過光源相干長度的時候，仍然可以觀察到干涉條紋。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是白光光源的光譜可以看成是許多單色光的疊加，每一列單色光的相干長度都是無限的。當(dāng)我們使用光譜儀來接收干涉光譜時，由于光譜儀光柵的分光作用，將寬光譜的白光變成了窄帶光譜，從而使相干長度發(fā)生變化。珠海膜厚儀白光干涉膜厚測量技術(shù)可以通過對干涉曲線的分析實現(xiàn)對薄膜的光學(xué)參數(shù)和厚度分布的聯(lián)合測量和分析。

白光干涉光譜分析是目前白光干涉測量的一個重要方向，此項技術(shù)主要是利用光譜儀將對條紋的測量轉(zhuǎn)變成為對不同波長光譜的測量。通過分析被測物體的光譜特性，就能夠得到相應(yīng)的長度信息和形貌信息。相比于白光掃描干涉術(shù)，它不需要大量的掃描過程，因此提高了測量效率，而且也減小了環(huán)境對它的影響。此項技術(shù)能夠測量距離、位移、塊狀材料的群折射率以及多層薄膜厚度。白干干涉光譜法是基于頻域干涉的理論，采用白光作為寬波段光源，經(jīng)過分光棱鏡，被分成兩束光，這兩束光分別入射到參考面和被測物體，反射回來后經(jīng)過分光棱鏡合成后，由色散元件分光至探測器，記錄頻域上的干涉信號。此光譜信號包含了被測表面的信息，如果此時被測物體是薄膜，則薄膜的厚度也包含在這光譜信號當(dāng)中。這樣就把白光干涉的精度和光譜測量的速度結(jié)合起來，形成了一種精度高而且速度快的測量方法。

白光干涉時域解調(diào)方案需要借助機械掃描部件帶動干涉儀的反射鏡移動，補償光程差，實現(xiàn)對信號的解調(diào)[44-45]。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。光纖白光干涉儀的兩輸出臂分別作為參考臂和測量臂，作用是將待測的物理量轉(zhuǎn)換為干涉儀兩臂的光程差變化。測量臂因待測物理量而增加了一個未知的光程，參考臂則通過移動反射鏡來實現(xiàn)對測量臂引入的光程差的補償。當(dāng)干涉儀兩臂光程差ΔL=0時，即兩干涉光束為等光程的時候，出現(xiàn)干涉極大值，可以觀察到中心零級干涉條紋，而這一現(xiàn)象與外界的干擾因素?zé)o關(guān)，因而可據(jù)此得到待測物理量的值。干擾輸出信號強度的因素包括：入射光功率、光纖的傳輸損耗、各端面的反射等。外界環(huán)境的擾動會影響輸出信號的強度，但是對零級干涉條紋的位置不會產(chǎn)生影響。白光干涉膜厚測量技術(shù)可以實現(xiàn)對薄膜的在線檢測和控制。

確定靶丸折射率及厚度的算法，由于干涉光譜信號與膜的光參量直接相關(guān)，這里主要考慮光譜分析的方法根據(jù)測量膜的反射或透射光譜進(jìn)行分析計算，可獲得膜的厚度、折射率等參數(shù)。根據(jù)光譜信號分析計算膜折射率及厚度的方法主要有極值法和包絡(luò)法、全光譜擬合法。極值法測量膜厚度主要是根據(jù)薄膜反射或透射光譜曲線上的波峰的位置來計算，對于弱色散介質(zhì)，折射率為恒定值，根據(jù)兩個或兩個以上的極大值點的位置，求得膜的光學(xué)厚度，若已知膜折射率即可求解膜的厚度；對于強色散介質(zhì)，首先利用極值點求出膜厚度的初始值。薄膜厚度是一恒定不變值，可根據(jù)極大值點位置的光學(xué)厚度關(guān)系式獲得入射波長和折射率的對應(yīng)關(guān)系，再依據(jù)薄膜材質(zhì)的色散特性，引入合適的色散模型，常用的色散模型有cauchy模型、Selimeier模型、Lorenz模型等，利用折射率與入射波長的關(guān)系式，通過二乘法擬合得到色散模型的系數(shù)，即可解得任意入射波長下的折射率。白光干涉膜厚測量技術(shù)可以通過對干涉曲線的分析實現(xiàn)對薄膜的厚度測量。新型膜厚儀常用知識

白光干涉膜厚測量技術(shù)的研究需要對光學(xué)理論和光學(xué)儀器有較深入的了解。新型膜厚儀常用知識

傅里葉變換是白光頻域解調(diào)方法中一種低精度的信號解調(diào)方法。早是由G.F.Fernando和T.Liu等人提出，用于低精度光纖法布里-珀羅傳感器的解調(diào)。因此，該解調(diào)方案的原理是通過傅里葉變換得到頻域的峰值頻率從而獲得光程差，進(jìn)而得到待測物理量的信息。傅里葉變換解調(diào)方案的優(yōu)點是解調(diào)速度較快，受干擾信號的影響較小。但是其測量精度較低。根據(jù)數(shù)字信號處理FFT（快速傅里葉變換）理論，若輸入光源波長范圍為[]λ1,λ2，則所測光程差的理論小分辨率為λ1λ2/(λ2?λ1)，所以此方法主要應(yīng)用于對解調(diào)精度要求不高的場合。傅里葉變換白光干涉法是對傅里葉變換法的改進(jìn)。該方法總結(jié)起來就是對采集到的光譜信號做傅里葉變換，然后濾波、提取主頻信號后進(jìn)行逆傅里葉變換，然后做對數(shù)運算，并取其虛部做相位反包裹運算，由獲得的相位得到干涉儀的光程差。該方法經(jīng)過實驗證明其測量精度比傅里葉變換高。新型膜厚儀常用知識