光干涉膜厚仪的原理

白光干涉的相干原理早在1975年就已经被提出 ，随后于1976年在光纤通信领域中获得了实现。1983年，BrianCulshaw的研究小组报道了白光干涉技术在光纤传感领域中的应用。随后在1984年，报道了基于白光干涉原理的完整的位移传感系统。该研究成果证明了白光干涉技术可以被用于测量能够转换成位移的物理参量。此后的几年间，白光干涉应用于温度、压力等的研究相继被报道。自上世纪九十年代以来，白光干涉技术快速发展，提供了实现测量的更多的解决方案。近几年以来，由于传感器设计与研制的进步，信号处理新方案的提出，以及传感器的多路复用[39]等技术的发展，使得白光干涉测量技术的发展更加迅速。光路长度越长，分辨率越高，但同时也更容易受到静态振动等干扰因素的影响。光干涉膜厚仪的原理

薄膜作为改善器件性能的重要途径，被广泛应用于现代光学 、电子 、医疗、能源、建材等技术领域。受薄膜制备工艺及生产环境影响，成品薄膜存在厚度分布不均、表面粗糙度大等问题，导致其光学及物理性能达不到设计要求，严重影响成品的性能及应用。随着薄膜生产技术的迅速发展，准确测量和科学评价薄膜特性作为研究热点，也引起产业界的高度重视。厚度作为关键指标直接影响薄膜工作特性，合理监控薄膜厚度对于及时调整生产工艺参数、降低加工成本、提高生产效率及企业竞争力等具有重要作用和深远意义。然而，对于市场份额占比大的微米级工业薄膜，除要求测量系统不仅具有百纳米级的测量精度之外，还要求具备体积小、稳定性好的特点，以适应工业现场环境的在线检测需求。目前光学薄膜测厚方法仍无法兼顾高精度、轻小体积，以及合理的系统成本，而具备纳米级测量分辨力的商用薄膜测厚仪器往往价格昂贵、体积较大，且无法响应工业生产现场的在线测量需求。基于以上分析，本课题提出基于反射光谱原理的高精度工业薄膜厚度测量解决方案，研制小型化、低成本的薄膜厚度测量系统，并提出无需标定样品的高效稳定的膜厚计算算法。研发的系统可以实现微米级工业薄膜的厚度测量。小型膜厚仪行情随着技术的不断进步和应用领域的扩展，白光干涉膜厚仪的性能和功能将得到进一步提高；

基于表面等离子体共振传感的测量方案 ，利用共振曲线的三个特征参量—共振角、半高宽和反射率小值，通过反演计算得到待测金属薄膜的厚度。该测量方案可同时得到金属薄膜的介电常数和厚度，操作方法简单。我们利用Kretschmann型结构的表面等离子体共振实验系统，测得金膜在入射光波长分别为632.8nm和652.1nm时的共振曲线，由此得到金膜的厚度为55.2nm。由于该方案是一种强度测量方案，测量精度受环境影响较大，且测量结果存在多值性的问题，所以我们进一步对偏振外差干涉的改进方案进行了理论分析，根据P光和S光之间相位差的变化实现厚度测量。

干涉测量法是一种基于光的干涉原理实现对薄膜厚度测量的光学方法，是一种高精度的测量技术，其采用光学干涉原理的测量系统具有结构简单、成本低廉、稳定性高、抗干扰能力强、使用范围广等优点。对于大多数干涉测量任务，都是通过分析薄膜表面和基底表面之间产生的干涉条纹的形状和分布规律，来研究待测物理量引入的光程差或位相差的变化，从而实现测量目的。光学干涉测量方法的测量精度可达到甚至优于纳米量级，利用外差干涉进行测量，其精度甚至可以达到10^-3 nm量级。根据所使用的光源不同，干涉测量方法可分为激光干涉测量和白光干涉测量两大类。激光干涉测量的分辨率更高，但不能实现对静态信号的测量，只能测量输出信号的变化量或连续信号的变化，即只能实现相对测量。而白光干涉是通过对干涉信号中心条纹的有效识别来实现对物理量的测量，是一种测量方式，在薄膜厚度测量中得到了广泛的应用。总结，白光干涉膜厚仪是一种应用广、具有高精度和可靠性的薄膜厚度测量仪器。

由于不同性质和形态的薄膜对系统的测量量程和精度的需求不尽相同，因而多种测量方法各有优缺，难以一概而论。将上述各测量特点总结如表1-1所示，按照薄膜厚度的增加，适用的测量方式分别为椭圆偏振法、分光光度法、共聚焦法和干涉法。对于小于1μm的较薄薄膜，白光干涉轮廓仪的测量精度较低，分光光度法和椭圆偏振法较适合。而对于小于200 nm的薄膜，由于透过率曲线缺少峰谷值，椭圆偏振法结果更加可靠。基于白光干涉原理的光学薄膜厚度测量方案目前主要集中于测量透明或者半透明薄膜，通过使用不同的解调技术处理白光干涉的图样，得到待测薄膜厚度。本章在详细研究白光干涉测量技术的常用解调方案、解调原理及其局限性的基础上，分析得到了常用的基于两个相邻干涉峰的白光干涉解调方案不适用于极短光程差测量的结论。在此基础上，我们提出了基于干涉光谱单峰值波长移动的白光干涉测量解调技术。光路长度越长，仪器分辨率越高，但也越容易受到干扰因素的影响，需要采取降噪措施。光干涉膜厚仪的原理

随着技术的进步和应用领域的拓展，白光干涉膜厚仪的性能和功能将不断提高和扩展 。光干涉膜厚仪的原理

在对目前常用的白光干涉测量方案进行比较研究后发现，当两个干涉光束的光程差非常小导致干涉光谱只有一个峰时，基于相邻干涉峰间距的解调方案不再适用。因此，我们提出了一种基于干涉光谱单峰值波长移动的测量方案，适用于极小光程差。这种方案利用干涉光谱的峰值波长会随光程差变化而周期性地出现红移和蓝移，当光程差在较小范围内变化时，峰值波长的移动与光程差成正比。我们在光纤白光干涉温度传感系统上验证了这一测量方案，并成功测量出光纤端面半导体锗薄膜的厚度。实验表明，锗膜厚度为一定值，与台阶仪测量结果存在差异是由于薄膜表面本身并不光滑，台阶仪的测量结果只能作为参考值。误差主要来自光源的波长漂移和温度误差。光干涉膜厚仪的原理