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。白光干涉膜厚仪需要校准。光干涉膜厚仪使用误区
白光干涉光谱分析是目前白光干涉测量的一个重要方向。此项技术通过使用光谱仪将对条纹的测量转变为对不同波长光谱的测量,分析被测物体的光谱特性,得到相应的长度信息和形貌信息。与白光扫描干涉术相比,它不需要大量的扫描过程,因此提高了测量效率,并减小了环境对其影响。此项技术能够测量距离、位移、块状材料的群折射率以及多层薄膜厚度等。白光干涉光谱分析基于频域干涉的理论,采用白光作为宽波段光源,经过分光棱镜折射为两束光。这两束光分别经由参考面和被测物体入射,反射后再次汇聚合成,并由色散元件分光至探测器,记录频域干涉信号。这个光谱信号包含了被测表面信息,如果此时被测物体是薄膜,则薄膜的厚度也包含在光谱信号当中。白光干涉光谱分析将白光干涉和光谱测量的速度结合起来,形成了一种精度高且速度快的测量方法。光干涉膜厚仪常见问题可测量大气压下薄膜厚度在1纳米到1毫米之间。
在初始相位为零的情况下,当被测光与参考光之间的光程差为零时,光强度将达到最大值。为了探测两个光束之间的零光程差位置,需要使用精密Z向运动台带动干涉镜头作垂直扫描运动,或移动载物台。在垂直扫描过程中,可以用探测器记录下干涉光强,得到白光干涉信号强度与Z向扫描位置(两光束光程差)之间的变化曲线。通过干涉图像序列中某波长处的白光信号强度随光程差变化的示意图,可以找到光强极大值位置,即为零光程差位置。通过精确确定零光程差位置,可以实现样品表面相对位移的精密测量。同时,通过确定最大值对应的Z向位置,也可以获得被测样品表面的三维高度。
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。在半导体、光学、电子、化学等领域广泛应用,有助于研究和开发新产品。
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。通过测量反射光的干涉来计算膜层厚度,利用膜层与底材的反射率和相位差来实现测量。薄膜膜厚仪应用
白光干涉膜厚仪是一种可用于测量透明和平行表面薄膜厚度的仪器。光干涉膜厚仪使用误区
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。光干涉膜厚仪使用误区