白光干涉时域解调方案通过机械扫描部件驱动干涉仪的反射镜移动,补偿光程差,实现对信号的解调。该系统的基本结构如图2-1所示。光纤白光干涉仪的两个输出臂分别作为参考臂和测量臂,用于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的变化而增加未知光程差,参考臂则通过移动反射镜来补偿测量臂所引入的光程差。当干涉仪两臂光程差ΔL=0时,即两个干涉光束的光程相等时,将出现干涉极大值,观察到中心零级干涉条纹,这种现象与外界的干扰因素无关,因此可以利用它来获取待测物理量的值。会影响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。虽然外界环境的扰动会影响输出信号的强度,但对于零级干涉条纹的位置并不会造成影响。
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和形貌的联合测量和分析。原装膜厚仪产品使用误区
折射率分别为1.45和1.62的2块玻璃板,使其一端相接触,形成67的尖劈.将波长为550nm的单色光垂直投射在劈上,并在上方观察劈的干涉条纹,试求条纹间距。
我们可以分2种可能的情况来讨论:
一般玻璃的厚度可估计为1mm的量级,这个量级相对于光的波长550nm而言,应该算是膜厚e远远大于波长^的厚玻璃了,所以光线通过上玻璃板时应该无干涉现象,同理光线通过下玻璃板时也无干涉现象.空气膜厚度因劈角很小而很薄,与波长可比拟,所以光线通过空气膜应该有干涉现象,在空气膜的下表面处有一半波损失,故光程差应该为2n2e+λ/2.
(2)假设玻璃板厚度的量级与可见光波长量级可比拟,当单色光垂直投射在劈尖上时,上玻璃板能满足形成薄膜干涉的条件,其光程差为2n2e+λ/2,下玻璃板也能满足形成薄膜于涉的条件,光程差为2n1h+λ/2,但由于玻璃板膜厚均匀,h不变,人射角i=俨也不变,故玻璃板形成的薄膜干涉为等倾又等厚干涉条纹,要么玻璃板全亮,要么全暗,它不会影响空气劈尖干涉条纹的位置和条纹间距。空气劈尖干涉光程差仍为2n2e+λ/2,但玻璃板会影响劈尖干涉条纹的亮度对比度. 原装膜厚仪行情操作需要一定的专业基础和经验,需要进行充分的培训和实践。
白光扫描干涉法采用白光为光源,压电陶瓷驱动参考镜进行扫描,干涉条纹扫过被测面,通过感知相干峰位置来获得表面形貌信息。对于薄膜的测量,上下表面形貌、粗糙度、厚度等信息能通过一次测量得到,但是由于薄膜上下表面的反射,会使提取出来的白光干涉信号出现双峰形式,变得更复杂。另外,由于白光扫描法需要扫描过程,因此测量时间较长而且易受外界干扰。基于图像分割技术的薄膜结构测试方法,实现了对双峰干涉信号的自动分离,实现了薄膜厚度的测量。
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。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200nm的薄膜,由于透过率曲线缺少峰谷值,椭圆偏振法结果更可靠。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。当光路长度增加,仪器的分辨率越高,也越容易受到静态振动等干扰因素的影响,需采取一些减小噪声的措施。
白光干涉测量技术,也称为光学低相干干涉测量技术,使用的是低相干的宽谱光源,如超辐射发光二极管、发光二极管等。与所有光学干涉原理一样,白光干涉也是通过观察干涉图案变化来分析干涉光程差变化,并通过各种解调方案实现对待测物理量的测量。采用宽谱光源的优点是,由于白光光源的相干长度很小(一般为几微米到几十微米之间),所有波长的零级干涉条纹重合于主极大值,即中心条纹,与零光程差的位置对应。因此,中心零级干涉条纹的存在为测量提供了一个可靠的位置参考,只需一个干涉仪即可进行待测物理量的测量,克服了传统干涉仪不能进行测量的缺点。同时,相对于其他测量技术,白光干涉测量方法还具有环境不敏感、抗干扰能力强、动态范围大、结构简单和成本低廉等优点。经过几十年的研究与发展,白光干涉技术在膜厚、压力、温度、应变、位移等领域已得到广泛应用。白光干涉膜厚测量技术的优化需要对实验方法和算法进行改进。白光干涉膜厚仪使用误区
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。原装膜厚仪产品使用误区
根据以上分析,白光干涉时域解调方案的优点如下:①能够实现测量;②抗干扰能力强,系统的分辨率与光源输出功率的波动、光源波长的漂移以及外界环境对光纤的扰动等因素无关;③测量精度与零级干涉条纹的确定精度以及反射镜的精度有关;④结构简单,成本较低。但是,时域解调方法需要借助扫描部件移动干涉仪一端的反射镜来进行相位补偿,因此扫描装置的分辨率会影响系统的精度。采用这种解调方案的测量分辨率一般在几个微米,要达到亚微米的分辨率则主要受机械扫描部件的分辨率和稳定性所限制。文献[46]报道的位移扫描的分辨率可以达到0.54微米。然而,当所测光程差较小时,F-P腔前后表面干涉峰值相距很近,难以区分,此时时域解调方案的应用受到了限制。原装膜厚仪产品使用误区