白光干涉法和激光光源相比具有短相干長度的特點(diǎn)，使得兩束光只有在光程差非常小的情況下才能發(fā)生干涉，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾條紋。同時(shí)，白光干涉產(chǎn)生的干涉條紋具有明顯的零光程差位置，避免了干涉級次不確定的問題。本文基于白光干涉原理對單層透明薄膜厚度測量進(jìn)行了研究，特別是對厚度小于光源相干長度的薄膜進(jìn)行了探究。文章首先詳細(xì)闡述了白光干涉原理和薄膜測厚原理，然后在金相顯微鏡的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種型垂直白光掃描系統(tǒng)，作為實(shí)驗(yàn)中測試薄膜厚度的儀器，并利用白光干涉原理對位移量進(jìn)行了標(biāo)定。 白光干涉膜厚測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對薄膜表面形貌的測量。白光干涉膜厚儀檢測
用峰峰值法處理光譜數(shù)據(jù)時(shí)，被測光程差的分辨率取決于光譜儀或CCD的分辨率。我們只需要獲取相鄰的兩個(gè)干涉峰值處的波長信息，即可確定光程差，不必關(guān)心此波長處的光強(qiáng)大小，從而降低了數(shù)據(jù)處理難度。此外，也可以利用多組相鄰干涉光譜極值對應(yīng)的波長分別求出光程差，然后再求平均值作為測量結(jié)果，以提高該方法的測量精度。但是，峰峰值法存在著一些缺點(diǎn)：當(dāng)使用寬帶光源時(shí)，不可避免地會(huì)有與光源同分布的背景光疊加在接收光譜中，從而引起峰值處波長的改變，從而引入測量誤差。同時(shí)，當(dāng)兩干涉信號之間的光程差很小，導(dǎo)致其干涉光譜只有一個(gè)干涉峰時(shí)，此法便不再適用。微米級膜厚儀測厚度白光干涉膜厚測量技術(shù)可以應(yīng)用于不同材料的薄膜的研究和制造中。
在對目前常用的白光干涉測量方案進(jìn)行比較研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)干涉光束的光程差非常小導(dǎo)致干涉光譜只有一個(gè)峰時(shí)，基于相鄰干涉峰間距的解調(diào)方案不再適用。因此，我們提出了一種基于干涉光譜單峰值波長移動(dòng)的測量方案，適用于極小光程差。這種方案利用干涉光譜的峰值波長會(huì)隨光程差變化而周期性地出現(xiàn)紅移和藍(lán)移，當(dāng)光程差在較小范圍內(nèi)變化時(shí)，峰值波長的移動(dòng)與光程差成正比。我們在光纖白光干涉溫度傳感系統(tǒng)上驗(yàn)證了這一測量方案，并成功測量出光纖端面半導(dǎo)體鍺薄膜的厚度。實(shí)驗(yàn)表明，鍺膜厚度為一定值，與臺階儀測量結(jié)果存在差異是由于薄膜表面本身并不光滑，臺階儀的測量結(jié)果只能作為參考值。誤差主要來自光源的波長漂移和溫度誤差。
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(diǎn)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(yùn)算，并取其虛部做相位反包裹運(yùn)算，由獲得的相位得到干涉儀的光程差。該方法經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明其測量精度比傅里葉變換高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，其性能和功能會(huì)得到提高和擴(kuò)展。
極值法求解過程計(jì)算簡單，速度快，同時(shí)能確定薄膜的多個(gè)光學(xué)常數(shù)并解決多值性問題，測試范圍廣，但沒有考慮薄膜均勻性和基底色散的因素，因此精度不夠高。此外，由于受曲線擬合精度的限制，該方法對膜厚的測量范圍有要求，通常用于測量薄膜厚度大于200納米且小于10微米的情況，以確保光譜信號中的干涉波峰數(shù)適當(dāng)。全光譜擬合法是基于客觀條件或基本常識來設(shè)置每個(gè)擬合參數(shù)上限、下限，并為該區(qū)域的薄膜生成一組或多組光學(xué)參數(shù)及厚度的初始值，引入適合的色散模型，再通過麥克斯韋方程組的推導(dǎo)得到結(jié)果。該方法能判斷預(yù)設(shè)的初始值是否為要測量的薄膜參數(shù)，建立評價(jià)函數(shù)來計(jì)算透過率/反射率與實(shí)際值之間的偏差。只有當(dāng)計(jì)算出的透過率/反射率與實(shí)際值之間的偏差很小時(shí)，我們才能認(rèn)為預(yù)設(shè)的初始值就是要測量的薄膜參數(shù)。白光干涉膜厚測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對薄膜的快速測量和分析。高速膜厚儀貨真價(jià)實(shí)
白光干涉膜厚測量技術(shù)可以對薄膜的厚度、反射率、折射率等光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量。白光干涉膜厚儀檢測
對同一靶丸的相同位置進(jìn)行白光垂直掃描干涉實(shí)驗(yàn)，如圖4-3所示。通過控制光學(xué)輪廓儀的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)干涉物鏡在垂直方向上移動(dòng)，測量光線穿過靶丸后反射到參考鏡與到達(dá)基底后直接反射回參考鏡的光線之間的光程差。顯然，越偏離靶丸中心的光線測得的有效壁厚越大，其光程差也越大，但這并不表示靶丸殼層的厚度。只有當(dāng)垂直穿過靶丸中心的光線測得的光程差才對應(yīng)于靶丸的上、下殼層的厚度。因此，在進(jìn)行白光垂直掃描干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要選擇穿過靶丸中心的光線位置進(jìn)行測量，這樣才能準(zhǔn)確地測量靶丸殼層的厚度。此外，通過控制干涉物鏡在垂直方向上移動(dòng)，可以測量出不同位置的厚度值，從而得到靶丸殼層厚度的空間分布情況。白光干涉膜厚儀檢測