白光干涉的相干原理早在1975年就被提出,并在1976年实现了在光纤通信领域中的应用。1983年,Brian Culshaw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。这项研究成果证明了白光干涉技术可以用于测量能够转换成位移的物理参量。此后的几年中,白光干涉技术应用于温度、压力等的研究也相继被报道。自上世纪90年代以来,白光干涉技术得到了快速发展,提供了更多实现测量的解决方案。近年来,由于传感器设计和研制的进步,信号处理的新方案提出,以及传感器的多路复用等技术的发展,使白光干涉测量技术的发展更加迅速。精度高的白光干涉膜厚仪通常采用Michelson干涉仪的结构。白光干涉膜厚仪的精度
由于不同性质和形态的薄膜对测量量程和精度的需求不相同,因此多种测量方法各有优缺点,难以笼统评估。测量特点总结如表1-1所示,针对薄膜厚度不同,适用的测量方法分别为椭圆偏振法、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为适用;而对于小于200nm的薄膜,椭圆偏振法结果更可靠,因为透过率曲线缺少峰谷值。光学薄膜厚度测量方案目前主要集中于测量透明或半透明薄膜。通过使用不同的解调技术处理白光干涉的图样,可以得到待测薄膜厚度。本章详细研究了白光干涉测量技术的常用解调方案、解调原理及其局限性,并得出了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,提出了一种基于干涉光谱单峰值波长移动的白光干涉测量解调技术。薄膜干涉膜厚仪定做白光干涉膜厚仪的工作原理是基于膜层与底材的反射率及其相位差,通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度。
光谱拟合法易于测量具有应用领域,由于使用了迭代算法,因此该方法的优缺点在很大程度上取决于所选择的算法。随着各种全局优化算法的引入,遗传算法和模拟退火算法等新算法被用于薄膜参数的测量。其缺点是不够实用,该方法需要一个较好的薄膜的光学模型(包括色散系数、吸收系数、多层膜系统),但是在实际测试过程中,薄膜的色散和吸收的公式会有出入,尤其是对于多层膜体系,建立光学模型非常困难,无法用公式准确地表示出来。在实际应用中只能使用简化模型,因此,通常全光谱拟合法不如极值法有效。另外该方法的计算速度慢也不能满足快速计算的要求。
傅里叶变换是白光频域解调方法中的一种低精度信号解调方法,起初由G.F.Fernando和T.Liu等人提出,用于低精度光纤法布里-珀罗传感器的解调。该解调方案的原理是通过傅里叶变换得到频域的峰值频率从而获得光程差,并得到待测物理量的信息。傅里叶变换解调方案的优势是解调速度快,受干扰信号影响较小,但精度不高。根据数字信号处理FFT理论,若输入光源波长范围为[λ1,λ2],则所测光程差的理论小分辨率为λ1λ2/(λ2-λ1),因此该方法主要应用于解调精度要求不高的场合。傅里叶变换白光干涉法是对傅里叶变换法的改进。该方法总结起来是对采集到的光谱信号进行傅里叶变换,然后滤波、提取主频信号,接着进行逆傅里叶变换、对数运算,之后取其虚部进行相位反包裹运算,从而通过得到的相位来获得干涉仪的光程差。经实验证明,该方法测量精度比傅里叶变换方法更高。可测量大气压下薄膜厚度在1纳米到1毫米之间。
干涉测量法是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。采用光学干涉原理的测量系统一般具有结构简单,成本低廉,稳定性好,抗干扰能力强,使用范围广等优点。对于大多数的干涉测量任务,都是通过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,来研究干涉装置中待测物理量引入的光程差或者是位相差的变化,从而达到测量目的。光学干涉测量方法的测量精度可达到甚至优于纳米量级,而利用外差干涉进行测量,其精度甚至可以达到10-3nm量级。根据所使用光源的不同,干涉测量方法又可以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,但是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者是连续信号的变化,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,在薄膜厚度的测量中得到了广泛的应用。随着技术的不断进步和应用领域的拓展,其性能和功能会得到提高和扩展。膜厚仪答疑解惑
膜厚仪的干涉测量能力较高,可以提供精确和可信的膜层厚度测量结果。白光干涉膜厚仪的精度
通过白光干涉理论分析,详细介绍了白光垂直扫描干涉技术和白光反射光谱技术的基本原理,并完成了应用于测量靶丸壳层折射率和厚度分布实验装置的设计和搭建。该实验装置由白光反射光谱探测模块、靶丸吸附转位模块、三维运动模块和气浮隔震平台等组成,能够实现对靶丸的负压吸附、靶丸位置的精密调整以及360°范围的旋转和特定角度下靶丸壳层白光反射光谱的测量。基于白光垂直扫描干涉和白光反射光谱的基本原理,提出了一种联合使用的靶丸壳层折射率测量方法。该方法利用白光反射光谱测量靶丸壳层光学厚度,利用白光垂直扫描干涉技术测量光线通过靶丸壳层后的光程增量,从而可以计算得到靶丸的折射率和厚度数据。白光干涉膜厚仪的精度