专利名称：一种基于光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及ー种利用光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置及方法，用于实时在线地进行光学薄膜厚度的大范围无损测量。
背景技术：
光学薄膜技术作为ー种成熟的技木，或用来提升器件的性能，或用来实现某种特殊的功能，在光学、材料、通信、半导体等领域有着广泛的应用，从日常生活中的眼镜、镜头镀膜、照明到科学研究中的窄带滤光片，半透半反膜等等，光学薄膜无处不在。随着半导体技术、集成光电子技术、激光技术、薄膜传感技术等新技术的不断发展，光学薄膜技术也在不断地发展进步。光学薄膜中，薄膜的厚度对薄膜的光学性能、力学性能和电磁性能等有着决定性的影响，所以如何精确、快速、简便地检测光学薄膜厚度已经成为光学薄膜技术中ー项具有重要意义的课题。虽然现有的光学薄膜厚度測量方法有很多，但是非光学的方法会对样品造成损伤，许多光学的方法操作方法复杂，測量受到诸多条件限制，随着光学薄膜的材料和制备技术的不断提高，传统的薄膜厚度的測量方法已经不能满足现代光学检测的需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供ー种光学薄膜厚度检测装置及方法。基于光纤光谱仪薄膜厚度检测装置包括包括光纤光谱仪探头、光学显微镜、Y型光纤、白光光源、光纤光谱仪主机、Y向步进扫描台、X向步进扫描台、样品台、待测样品、步进扫描台驱动线、步进扫描台控制主机、计算机、光学平台、第一固定块、第二固定块、第一支撑柱、第二支撑柱、支撑横梁、Z向移动轨道、L型固定块、光纤光谱仪探头横梁；光纤光谱仪主机通过Y型光纤连接光纤光谱仪探头和白光光源，光纤光谱仪主机通过USB接ロ与计算机通信；步进扫描台控制主机通过USB接ロ与计算机通信，步进扫描台控制主机用步进扫描台驱动线控制Y向步进扫描台和X向步进扫描台，光学平台一侧从下到上依次设有第一固定块、第一支撑柱，光学平台另ー侧从下到上依次设有第二固定块、第二支撑柱，第一支撑柱和第二支撑柱上端固定有支撑横梁，支撑横梁下表面设有Z向移动轨道，Z向移动轨道上设有L型固定块，L型固定块上设有光纤光谱仪探头横梁，在光纤光谱仪探头横梁上设有光纤光谱仪测头，光纤光谱仪测头ー侧设有光学显微镜，光学平台上从下到上依次设有Y向步进扫描台、X向步进扫描台、样品台和待测样品。光学薄膜厚度检测方法是在光学显微镜的监控下，调节Z向移动轨道，使光纤光谱仪探头逼近待测样品；白光光源产生的白光通过Y型光纤耦合进入光纤光谱仪探头后入射到待测样品上，在光学薄膜中发生光的干渉后信号光反射进入光纤光谱仪探头，耦合进入Y型光纤后通过Y型光纤传输到达光纤光谱仪主机进行分光和模数转换，光谱数据通过USB接ロ传到计算机；计算机通过USB接ロ连接步进扫描台控制主机，步进扫描台控制主机、通过步进扫描台驱动线分别控制Y向步进扫描台和X向步进扫描台在Y方向和X方向移动，带动待测样品在X、Y方向进行扫描；在计算机上进行数据处理和分析，读入某一点的光谱数据并获得其所有峰值波长，取多组相邻峰值波长，根据公式(^ Λη-να/λ^Ι/λ)计算并取平均值得到该点的光学薄膜厚度d，依次对所有点做相同处理，得到样品全部的薄膜厚度分布信息。本发明能够实时在线、大范围无损的光学薄膜厚度測量装置及方法，操作简单，在光学、材料学、通信、激光技术、传感技术、集成光子学等领域有着广_的应用前景。
图I是光学薄膜干涉原理示意图；图2是光纤光谱仪测量光学薄膜厚度方法的原理示意图；图3是基于光纤光谱仪薄膜厚度检测装置结构示意图； 图4是本发明的光学薄膜厚度的測量回路系统示意图；图中光纤光谱仪探头I、光学显微镜2、Y型光纤3、白光光源4、光纤光谱仪主机5、Y向步进扫描台6、Χ向步进扫描台7、样品台8、待测样品9、步进扫描台驱动线10、步进扫描台控制主机11、计算机12、光学平台13、第一固定块14、第二固定块15、第一支撑柱16、第二支撑柱17、支撑横梁18、Z向移动轨道19、L型固定块20、光纤光谱仪探头横梁21。
具体实施例方式本发明利用光的干渉原理，采用光纤光谱仪测量光学薄膜厚度，能够实时在线、无损、精确、大范围地获取样品薄膜厚度分布信息。如图I所示，入射光线入射到光学薄膜后在薄膜的上下表面分别发生反射，反射光线I和反射光线2会发生干涉现象。光学薄厚度为d，折射率为η，入射光线波长为入，反射光线I的强度为II，反射光线2的强度为12。由于入射角度较�。肷涔庀呖山莆怪比肷洌傻梅瓷涔庀逫和反射光线2的光程差Λ Δ = 2nd (I)干涉光线的强度为I:I = Ii I- 2It Ι cosC 2)当满足Λ=πιλ的条件时(m为干涉级数，取正整数)，I取到最大值。本发明利用光纤光谱仪测量光学薄膜样品，光在薄膜样品上下表面反射后发生干涉现象，表现在光谱上为若干个波峰波谷，波峰位置即为I取到最大值的位置。如图2所示，根据光谱上的峰位分布，计算出光学薄膜的厚度。两相邻峰位的干渉级数相差1，对应的峰值波长分别为λ”入ヅ对应的级数分别为叫、^:Δ = 2nd = Hi1 λ x(3)Δ = 2nd = m2 λ 2(4)根据以上两式可得In2-ITi1 = 2nd (I/ λ 2_1/ X1)=! (5)所以光学薄膜厚度d为
权利要求
1.一种基于光纤光谱仪薄膜厚度检测装置，其特征在于包括包括光纤光谱仪探头(I)、光学显微镜(2)、Y型光纤(3)、白光光源(4)、光纤光谱仪主机(5)、Y向步进扫描台(6)、X向步进扫描台(7)、样品台(8)、待测样品(9)、步进扫描台驱动线(10)、步进扫描台控制主机(11)、计算机(12)、光学平台(13)、第一固定块(14)、第二固定块(15)、第一支撑柱(16)、第二支撑柱(17)、支撑横梁(18)、Z向移动轨道(19)、L型固定块(20)、光纤光谱仪探头横梁(21)； 光纤光谱仪主机(5)通过Y型光纤(3)连接光纤光谱仪探头(I)和白光光源(4)，光纤光谱仪主机(5)通过USB接口与计算机(12)通信；步进扫描台控制主机(11)通过USB接口与计算机(12)通信，步进扫描台控制主机(11)用步进扫描台驱动线(10)控制Y向步进扫描台(6)和X向步进扫描台(7)，光学平台(13)—侧从下到上依次设有第一固定块(14)、第一支撑柱(16)，光学平台(13)另一侧从下到上依次设有第二固定块(15)、第二支撑柱(17)，第一支撑柱(16)和第二支撑柱(17)上端固定有支撑横梁(18)，支撑横梁18下表面设有Z 向移动轨道(19)，Z向移动轨道(19)上设有L型固定块(20)，L型固定块(20)上设有光纤光谱仪探头横梁(21)，在光纤光谱仪探头横梁(21)上设有光纤光谱仪测头(1)，光纤光谱仪测头(I) 一侧设有光学显微镜(2)，光学平台(13)上从下到上依次设有Y向步进扫描台(6)、X向步进扫描台(7)、样品台(8)和待测样品(9)。
2.一种使用如权利要求I所述装置的光学薄膜厚度检测方法，其特征在于在光学显微镜(2)的监控下，调节Z向移动轨道(19)，使光纤光谱仪探头(I)逼近待测样品(9);白光光源(4)产生的白光通过Y型光纤(3)耦合进入光纤光谱仪探头(I)后入射到待测样品(9)上，在光学薄膜中发生光的干涉后信号光反射进入光纤光谱仪探头(I )，耦合进入Y型光纤(3)后通过Y型光纤(3)传输到达光纤光谱仪主机(5)进行分光和模数转换，光谱数据通过USB接口传到计算机(12 );计算机(12 )通过USB接口连接步进扫描台控制主机(11 )，步进扫描台控制主机(11)通过步进扫描台驱动线(10)分别控制Y向步进扫描台(6)和X向步进扫描台(7)在Y方向和X方向移动，带动待测样品(9)在X、Y方向进行扫描；在计算机(12)上进行数据处理和分析，读入某一点的光谱数据并获得其所有峰值波长，取多组相邻峰值波长，根据公式d= l/2n 1/(1 λ2 -I A1 )计算并取平均值得到该点的光学薄膜厚度d，依次对所有点做相同处理，得到样品全部的薄膜厚度分布信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置及方法。光学平台上一侧从上到下顺次设有第一支撑柱、第一固定块，光学平台上另一侧从上到下顺次设有第二支撑柱、第二固定块，第一支撑柱、第二支撑柱上端固定有支撑横梁，支撑横梁下端设有Z向移动轨道，在Z向移动轨道上设有L型固定块，在L型固定块上设有光纤光谱仪探头横梁，在光纤光谱仪探头横梁上设有光纤光谱仪探头，在光纤光谱仪探头右侧设有光学显微镜，光学平台上从下到上顺次设有X、Y步进电控平移台、样品台、待测样品。本发明可以实时在线无损地获得光学薄膜样品不同位置的厚度信息。
文档编号G01B11/06GK102735176SQ201210209959
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者史斌, 张冬仙, 章海军, 韩雪超 申请人:浙江大学
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