昌平区新型膜厚仪

光具有传播的特性，不同波列在相遇的区域，振动将相互叠加，是各列光波独自在该点所引起的振动矢量和。两束光要发生干涉，应必须满足三个相干条件，即：频率一致、振动方向一致、相位差稳定一致。发生干涉的两束光在一些地方振动加强，而在另一些地方振动减弱，产生规则的明暗交替变化。任何干涉测量都是完全建立在这种光波典型特性上的。下图分别表示干涉相长和干涉相消的合振幅。与激光光源相比，白光光源的相干长度在几微米到几十微米内，通常都很短，更为重要的是，白光光源产生的干涉条纹具有一个典型的特征：即条纹有一个固定不变的位置，该固定位置对应于光程差为零的平衡位置，并在该位置白光输出光强度具有最大值，并通过探测该光强最大值，可实现样品表面位移的精密测量。此外，白光光源具有系统抗干扰能力强、稳定性好且动态范围大、结构简单，成本低廉等优点。因此，白光垂直扫描干涉、白光反射光谱等基于白光干涉的光学测量技术在薄膜三维形貌测量、薄膜厚度精密测量等领域得以广泛应用。白光干涉膜厚测量技术可以通过对干涉图像的分析实现对薄膜的形貌测量。昌平区新型膜厚仪

干涉测量法[9-10]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[11]。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。崇明区高速膜厚仪白光干涉膜厚测量技术可以实现对不同材料的薄膜进行测量。

傅里叶变换是白光频域解调方法中一种低精度的信号解调方法。早是由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。因此，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，进而得到待测物理量的信息。傅里叶变换解调方案的优点是解调速度较快，受干扰信号的影响较小。但是其测量精度较低。根据数字信号处理FFT（快速傅里叶变换）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)，所以此方法主要应用于对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。该方法总结起来就是对采集到的光谱信号做傅里叶变换，然后滤波、提取主频信号后进行逆傅里叶变换，然后做对数运算，并取其虚部做相位反包裹运算，由获得的相位得到干涉仪的光程差。该方法经过实验证明其测量精度比傅里叶变换高。

白光干涉时域解调方案需要借助机械扫描部件带动干涉仪的反射镜移动，补偿光程差，实现对信号的解调[44-45]。系统基本结构如图2-1所示。光纤白光干涉仪的两输出臂分别作为参考臂和测量臂，作用是将待测的物理量转换为干涉仪两臂的光程差变化。测量臂因待测物理量而增加了一个未知的光程，参考臂则通过移动反射镜来实现对测量臂引入的光程差的补偿。当干涉仪两臂光程差ΔL=0时，即两干涉光束为等光程的时候，出现干涉极大值，可以观察到中心零级干涉条纹，而这一现象与外界的干扰因素无关，因而可据此得到待测物理量的值。干扰输出信号强度的因素包括：入射光功率、光纤的传输损耗、各端面的反射等。外界环境的扰动会影响输出信号的强度，但是对零级干涉条纹的位置不会产生影响。白光干涉膜厚测量技术的研究需要对光学理论和光学仪器有较深入的了解。

与激光光源相比以白光的宽光谱光源由于具有短相干长度的特点使得两光束只有在光程差极小的情况下才能发生干涉因此不会产生干扰条纹。同时由于白光干涉产生的干涉条纹具有明显的零光程差位置避免了干涉级次不确定的问题。本文以白光干涉原理为理论基础对单层透明薄膜厚度测量尤其对厚度小于光源相干长度的薄膜厚度测量进行了研究。首先从白光干涉测量薄膜厚度的原理出发、分别详细阐述了白光干涉原理和薄膜测厚原理。接着在金相显微镜的基础上构建了型垂直白光扫描系统作为实验中测试薄膜厚度的仪器并利用白光干涉原理对的位移量进行了标定。白光干涉膜厚测量技术可以对薄膜的厚度、反射率、折射率等光学参数进行测量。国内膜厚仪的用途和特点

白光干涉膜厚测量技术可以通过对干涉曲线的分析实现对薄膜的厚度测量。昌平区新型膜厚仪

    为了分析白光反射光谱的测量范围，开展了不同壁厚的靶丸壳层白光反射光谱测量实验。图是不同壳层厚度靶丸的白光反射光谱测量曲线，如图所示，对于壳层厚度30μm的靶丸，其白光反射光谱各谱峰非常密集、干涉级次数值大；此外，由于靶丸壳层的吸收，壁厚较大的靶丸信号强度相对较弱。随着靶丸壳层厚度的进一步增加，其白光反射光谱各谱峰将更加密集，难以实现对各干涉谱峰波长的测量。为实现较大厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，需采用红外的宽谱光源和光谱探测器。对于壳层厚度为μm的靶丸，测量的波峰相对较少，容易实现靶丸壳层白光反射光谱谱峰波长的准确测量；随着靶丸壳层厚度的进一步减小，两干涉信号之间的光程差差异非常小，以至于他们的光谱信号中只有一个干涉波峰，基于峰值探测的白光反射光谱方法难以实现其厚度的测量；为实现较小厚度靶丸壳层厚度的白光反射光谱测量，可采用紫外的宽谱光源和光谱探测器提升其探测厚度下限。 昌平区新型膜厚仪