專利名稱：一種基于光纖光譜儀的光學薄膜厚度檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及ー種利用光纖光譜儀的光學薄膜厚度檢測裝置及方法，用于實時在線地進行光學薄膜厚度的大范圍無損測量。
背景技術：
光學薄膜技術作為ー種成熟的技木，或用來提升器件的性能，或用來實現某種特殊的功能，在光學、材料、通信、半導體等領域有著廣泛的應用，從日常生活中的眼鏡、鏡頭鍍膜、照明到科學研究中的窄帶濾光片，半透半反膜等等，光學薄膜無處不在。隨著半導體技術、集成光電子技術、激光技術、薄膜傳感技術等新技術的不斷發展，光學薄膜技術也在不斷地發展進步。光學薄膜中，薄膜的厚度對薄膜的光學性能、力學性能和電磁性能等有著決定性的影響，所以如何精確、快速、簡便地檢測光學薄膜厚度已經成為光學薄膜技術中ー項具有重要意義的課題。雖然現有的光學薄膜厚度測量方法有很多，但是非光學的方法會對樣品造成損傷，許多光學的方法操作方法復雜，測量受到諸多條件限制，隨著光學薄膜的材料和制備技術的不斷提高，傳統的薄膜厚度的測量方法已經不能滿足現代光學檢測的需要。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供ー種光學薄膜厚度檢測裝置及方法。基于光纖光譜儀薄膜厚度檢測裝置包括包括光纖光譜儀探頭、光學顯微鏡、Y型光纖、白光光源、光纖光譜儀主機、Y向步進掃描臺、X向步進掃描臺、樣品臺、待測樣品、步進掃描臺驅動線、步進掃描臺控制主機、計算機、光學平臺、第一固定塊、第二固定塊、第一支撐柱、第二支撐柱、支撐橫梁、Z向移動軌道、L型固定塊、光纖光譜儀探頭橫梁；光纖光譜儀主機通過Y型光纖連接光纖光譜儀探頭和白光光源，光纖光譜儀主機通過USB接ロ與計算機通信；步進掃描臺控制主機通過USB接ロ與計算機通信，步進掃描臺控制主機用步進掃描臺驅動線控制Y向步進掃描臺和X向步進掃描臺，光學平臺一側從下到上依次設有第一固定塊、第一支撐柱，光學平臺另ー側從下到上依次設有第二固定塊、第二支撐柱，第一支撐柱和第二支撐柱上端固定有支撐橫梁，支撐橫梁下表面設有Z向移動軌道，Z向移動軌道上設有L型固定塊，L型固定塊上設有光纖光譜儀探頭橫梁，在光纖光譜儀探頭橫梁上設有光纖光譜儀測頭，光纖光譜儀測頭ー側設有光學顯微鏡，光學平臺上從下到上依次設有Y向步進掃描臺、X向步進掃描臺、樣品臺和待測樣品。光學薄膜厚度檢測方法是在光學顯微鏡的監控下，調節Z向移動軌道，使光纖光譜儀探頭逼近待測樣品；白光光源產生的白光通過Y型光纖耦合進入光纖光譜儀探頭后入射到待測樣品上，在光學薄膜中發生光的干渉后信號光反射進入光纖光譜儀探頭，耦合進入Y型光纖后通過Y型光纖傳輸到達光纖光譜儀主機進行分光和模數轉換，光譜數據通過USB接ロ傳到計算機；計算機通過USB接ロ連接步進掃描臺控制主機，步進掃描臺控制主機、通過步進掃描臺驅動線分別控制Y向步進掃描臺和X向步進掃描臺在Y方向和X方向移動，帶動待測樣品在X、Y方向進行掃描；在計算機上進行數據處理和分析，讀入某一點的光譜數據并獲得其所有峰值波長，取多組相鄰峰值波長，根據公式(^ Λη-να/λ^Ι/λ)計算并取平均值得到該點的光學薄膜厚度d，依次對所有點做相同處理，得到樣品全部的薄膜厚度分布信息。本發明能夠實時在線、大范圍無損的光學薄膜厚度測量裝置及方法，操作簡單，在光學、材料學、通信、激光技術、傳感技術、集成光子學等領域有著廣_的應用前景。
圖I是光學薄膜干涉原理示意圖；圖2是光纖光譜儀測量光學薄膜厚度方法的原理示意圖；圖3是基于光纖光譜儀薄膜厚度檢測裝置結構示意圖； 圖4是本發明的光學薄膜厚度的測量回路系統示意圖；圖中光纖光譜儀探頭I、光學顯微鏡2、Y型光纖3、白光光源4、光纖光譜儀主機5、Y向步進掃描臺6、Χ向步進掃描臺7、樣品臺8、待測樣品9、步進掃描臺驅動線10、步進掃描臺控制主機11、計算機12、光學平臺13、第一固定塊14、第二固定塊15、第一支撐柱16、第二支撐柱17、支撐橫梁18、Z向移動軌道19、L型固定塊20、光纖光譜儀探頭橫梁21。
具體實施例方式本發明利用光的干渉原理，采用光纖光譜儀測量光學薄膜厚度，能夠實時在線、無損、精確、大范圍地獲取樣品薄膜厚度分布信息。如圖I所示，入射光線入射到光學薄膜后在薄膜的上下表面分別發生反射，反射光線I和反射光線2會發生干涉現象。光學薄厚度為d，折射率為η，入射光線波長為入，反射光線I的強度為II，反射光線2的強度為12。由于入射角度較小，入射光線可近似為垂直入射，可得反射光線I和反射光線2的光程差Λ Δ = 2nd (I)干涉光線的強度為I:I = Ii I- 2It Ι cosC 2)當滿足Λ=πιλ的條件時(m為干涉級數，取正整數)，I取到最大值。本發明利用光纖光譜儀測量光學薄膜樣品，光在薄膜樣品上下表面反射后發生干涉現象，表現在光譜上為若干個波峰波谷，波峰位置即為I取到最大值的位置。如圖2所示，根據光譜上的峰位分布，計算出光學薄膜的厚度。兩相鄰峰位的干渉級數相差1，對應的峰值波長分別為λ”入ヅ對應的級數分別為叫、^:Δ = 2nd = Hi1 λ x(3)Δ = 2nd = m2 λ 2(4)根據以上兩式可得In2-ITi1 = 2nd (I/ λ 2_1/ X1)=! (5)所以光學薄膜厚度d為
權利要求
1.一種基于光纖光譜儀薄膜厚度檢測裝置，其特征在于包括包括光纖光譜儀探頭(I)、光學顯微鏡(2)、Y型光纖(3)、白光光源(4)、光纖光譜儀主機(5)、Y向步進掃描臺(6)、X向步進掃描臺(7)、樣品臺(8)、待測樣品(9)、步進掃描臺驅動線(10)、步進掃描臺控制主機(11)、計算機(12)、光學平臺(13)、第一固定塊(14)、第二固定塊(15)、第一支撐柱(16)、第二支撐柱(17)、支撐橫梁(18)、Z向移動軌道(19)、L型固定塊(20)、光纖光譜儀探頭橫梁(21)； 光纖光譜儀主機(5)通過Y型光纖(3)連接光纖光譜儀探頭(I)和白光光源(4)，光纖光譜儀主機(5)通過USB接口與計算機(12)通信；步進掃描臺控制主機(11)通過USB接口與計算機(12)通信，步進掃描臺控制主機(11)用步進掃描臺驅動線(10)控制Y向步進掃描臺(6)和X向步進掃描臺(7)，光學平臺(13)—側從下到上依次設有第一固定塊(14)、第一支撐柱(16)，光學平臺(13)另一側從下到上依次設有第二固定塊(15)、第二支撐柱(17)，第一支撐柱(16)和第二支撐柱(17)上端固定有支撐橫梁(18)，支撐橫梁18下表面設有Z 向移動軌道(19)，Z向移動軌道(19)上設有L型固定塊(20)，L型固定塊(20)上設有光纖光譜儀探頭橫梁(21)，在光纖光譜儀探頭橫梁(21)上設有光纖光譜儀測頭(1)，光纖光譜儀測頭(I) 一側設有光學顯微鏡(2)，光學平臺(13)上從下到上依次設有Y向步進掃描臺(6)、X向步進掃描臺(7)、樣品臺(8)和待測樣品(9)。
2.一種使用如權利要求I所述裝置的光學薄膜厚度檢測方法，其特征在于在光學顯微鏡(2)的監控下，調節Z向移動軌道(19)，使光纖光譜儀探頭(I)逼近待測樣品(9);白光光源(4)產生的白光通過Y型光纖(3)耦合進入光纖光譜儀探頭(I)后入射到待測樣品(9)上，在光學薄膜中發生光的干涉后信號光反射進入光纖光譜儀探頭(I )，耦合進入Y型光纖(3)后通過Y型光纖(3)傳輸到達光纖光譜儀主機(5)進行分光和模數轉換，光譜數據通過USB接口傳到計算機(12 );計算機(12 )通過USB接口連接步進掃描臺控制主機(11 )，步進掃描臺控制主機(11)通過步進掃描臺驅動線(10)分別控制Y向步進掃描臺(6)和X向步進掃描臺(7)在Y方向和X方向移動，帶動待測樣品(9)在X、Y方向進行掃描；在計算機(12)上進行數據處理和分析，讀入某一點的光譜數據并獲得其所有峰值波長，取多組相鄰峰值波長，根據公式d= l/2n 1/(1 λ2 -I A1 )計算并取平均值得到該點的光學薄膜厚度d，依次對所有點做相同處理，得到樣品全部的薄膜厚度分布信息。
全文摘要
本發明公開了一種基于光纖光譜儀的光學薄膜厚度檢測裝置及方法。光學平臺上一側從上到下順次設有第一支撐柱、第一固定塊，光學平臺上另一側從上到下順次設有第二支撐柱、第二固定塊，第一支撐柱、第二支撐柱上端固定有支撐橫梁，支撐橫梁下端設有Z向移動軌道，在Z向移動軌道上設有L型固定塊，在L型固定塊上設有光纖光譜儀探頭橫梁，在光纖光譜儀探頭橫梁上設有光纖光譜儀探頭，在光纖光譜儀探頭右側設有光學顯微鏡，光學平臺上從下到上順次設有X、Y步進電控平移臺、樣品臺、待測樣品。本發明可以實時在線無損地獲得光學薄膜樣品不同位置的厚度信息。
文檔編號G01B11/06GK102735176SQ201210209959
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者史斌, 張冬仙, 章海軍, 韓雪超 申請人:浙江大學