專利名稱：一種基于光纖光譜儀的光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種利用光纖光譜儀的光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)裝置及方法，用于實(shí)時(shí)在線地進(jìn)行光學(xué)薄膜厚度的大范圍無損測(cè)量。
背景技術(shù)：
光學(xué)薄膜技術(shù)作為ー種成熟的技木，或用來提升器件的性能，或用來實(shí)現(xiàn)某種特殊的功能，在光學(xué)、材料、通信、半導(dǎo)體等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，從日常生活中的眼鏡、鏡頭鍍膜、照明到科學(xué)研究中的窄帶濾光片，半透半反膜等等，光學(xué)薄膜無處不在。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成光電子技術(shù)、激光技術(shù)、薄膜傳感技術(shù)等新技術(shù)的不斷發(fā)展，光學(xué)薄膜技術(shù)也在不斷地發(fā)展進(jìn)步。光學(xué)薄膜中，薄膜的厚度對(duì)薄膜的光學(xué)性能、力學(xué)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(jiǎn)便地檢測(cè)光學(xué)薄膜厚度已經(jīng)成為光學(xué)薄膜技術(shù)中ー項(xiàng)具有重要意義的課題。雖然現(xiàn)有的光學(xué)薄膜厚度測(cè)量方法有很多，但是非光學(xué)的方法會(huì)對(duì)樣品造成損傷，許多光學(xué)的方法操作方法復(fù)雜，測(cè)量受到諸多條件限制，隨著光學(xué)薄膜的材料和制備技術(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)的薄膜厚度的測(cè)量方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代光學(xué)檢測(cè)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)裝置及方法。基于光纖光譜儀薄膜厚度檢測(cè)裝置包括包括光纖光譜儀探頭、光學(xué)顯微鏡、Y型光纖、白光光源、光纖光譜儀主機(jī)、Y向步進(jìn)掃描臺(tái)、X向步進(jìn)掃描臺(tái)、樣品臺(tái)、待測(cè)樣品、步進(jìn)掃描臺(tái)驅(qū)動(dòng)線、步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)、計(jì)算機(jī)、光學(xué)平臺(tái)、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(dòng)軌道、L型固定塊、光纖光譜儀探頭橫梁；光纖光譜儀主機(jī)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(jī)通過USB接ロ與計(jì)算機(jī)通信；步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)通過USB接ロ與計(jì)算機(jī)通信，步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)用步進(jìn)掃描臺(tái)驅(qū)動(dòng)線控制Y向步進(jìn)掃描臺(tái)和X向步進(jìn)掃描臺(tái)，光學(xué)平臺(tái)一側(cè)從下到上依次設(shè)有第一固定塊、第一支撐柱，光學(xué)平臺(tái)另ー側(cè)從下到上依次設(shè)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(shè)有Z向移動(dòng)軌道，Z向移動(dòng)軌道上設(shè)有L型固定塊，L型固定塊上設(shè)有光纖光譜儀探頭橫梁，在光纖光譜儀探頭橫梁上設(shè)有光纖光譜儀測(cè)頭，光纖光譜儀測(cè)頭ー側(cè)設(shè)有光學(xué)顯微鏡，光學(xué)平臺(tái)上從下到上依次設(shè)有Y向步進(jìn)掃描臺(tái)、X向步進(jìn)掃描臺(tái)、樣品臺(tái)和待測(cè)樣品。光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)方法是在光學(xué)顯微鏡的監(jiān)控下，調(diào)節(jié)Z向移動(dòng)軌道，使光纖光譜儀探頭逼近待測(cè)樣品；白光光源產(chǎn)生的白光通過Y型光纖耦合進(jìn)入光纖光譜儀探頭后入射到待測(cè)樣品上，在光學(xué)薄膜中發(fā)生光的干渉后信號(hào)光反射進(jìn)入光纖光譜儀探頭，耦合進(jìn)入Y型光纖后通過Y型光纖傳輸?shù)竭_(dá)光纖光譜儀主機(jī)進(jìn)行分光和模數(shù)轉(zhuǎn)換，光譜數(shù)據(jù)通過USB接ロ傳到計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)通過USB接ロ連接步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)，步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)、通過步進(jìn)掃描臺(tái)驅(qū)動(dòng)線分別控制Y向步進(jìn)掃描臺(tái)和X向步進(jìn)掃描臺(tái)在Y方向和X方向移動(dòng)，帶動(dòng)待測(cè)樣品在X、Y方向進(jìn)行掃描；在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，讀入某一點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)并獲得其所有峰值波長(zhǎng)，取多組相鄰峰值波長(zhǎng)，根據(jù)公式(^ Λη-να/λ^Ι/λ)計(jì)算并取平均值得到該點(diǎn)的光學(xué)薄膜厚度d，依次對(duì)所有點(diǎn)做相同處理，得到樣品全部的薄膜厚度分布信息。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)在線、大范圍無損的光學(xué)薄膜厚度測(cè)量裝置及方法，操作簡(jiǎn)單，在光學(xué)、材料學(xué)、通信、激光技術(shù)、傳感技術(shù)、集成光子學(xué)等領(lǐng)域有著廣_的應(yīng)用前景。


圖I是光學(xué)薄膜干涉原理示意圖；圖2是光纖光譜儀測(cè)量光學(xué)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(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明的光學(xué)薄膜厚度的測(cè)量回路系統(tǒng)示意圖；圖中光纖光譜儀探頭I、光學(xué)顯微鏡2、Y型光纖3、白光光源4、光纖光譜儀主機(jī)5、Y向步進(jìn)掃描臺(tái)6、Χ向步進(jìn)掃描臺(tái)7、樣品臺(tái)8、待測(cè)樣品9、步進(jìn)掃描臺(tái)驅(qū)動(dòng)線10、步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)11、計(jì)算機(jī)12、光學(xué)平臺(tái)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(dòng)軌道19、L型固定塊20、光纖光譜儀探頭橫梁21。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明利用光的干渉原理，采用光纖光譜儀測(cè)量光學(xué)薄膜厚度，能夠?qū)崟r(shí)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(xué)薄膜后在薄膜的上下表面分別發(fā)生反射，反射光線I和反射光線2會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。光學(xué)薄厚度為d，折射率為η，入射光線波長(zhǎng)為入，反射光線I的強(qiáng)度為II，反射光線2的強(qiáng)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(qiáng)度為I:I = Ii I- 2It Ι cosC 2)當(dāng)滿足Λ=πιλ的條件時(shí)(m為干涉級(jí)數(shù)，取正整數(shù))，I取到最大值。本發(fā)明利用光纖光譜儀測(cè)量光學(xué)薄膜樣品，光在薄膜樣品上下表面反射后發(fā)生干涉現(xiàn)象，表現(xiàn)在光譜上為若干個(gè)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(jù)光譜上的峰位分布，計(jì)算出光學(xué)薄膜的厚度。兩相鄰峰位的干渉級(jí)數(shù)相差1，對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)分別為λ”入ヅ對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)分別為叫、^:Δ = 2nd = Hi1 λ x(3)Δ = 2nd = m2 λ 2(4)根據(jù)以上兩式可得In2-ITi1 = 2nd (I/ λ 2_1/ X1)=! (5)所以光學(xué)薄膜厚度d為
權(quán)利要求
1.一種基于光纖光譜儀薄膜厚度檢測(cè)裝置，其特征在于包括包括光纖光譜儀探頭(I)、光學(xué)顯微鏡(2)、Y型光纖(3)、白光光源(4)、光纖光譜儀主機(jī)(5)、Y向步進(jìn)掃描臺(tái)(6)、X向步進(jìn)掃描臺(tái)(7)、樣品臺(tái)(8)、待測(cè)樣品(9)、步進(jìn)掃描臺(tái)驅(qū)動(dòng)線(10)、步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)(11)、計(jì)算機(jī)(12)、光學(xué)平臺(tái)(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(dòng)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(jī)(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(jī)(5)通過USB接口與計(jì)算機(jī)(12)通信；步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)(11)通過USB接口與計(jì)算機(jī)(12)通信，步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)(11)用步進(jìn)掃描臺(tái)驅(qū)動(dòng)線(10)控制Y向步進(jìn)掃描臺(tái)(6)和X向步進(jìn)掃描臺(tái)(7)，光學(xué)平臺(tái)(13)—側(cè)從下到上依次設(shè)有第一固定塊(14)、第一支撐柱(16)，光學(xué)平臺(tái)(13)另一側(cè)從下到上依次設(shè)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(shè)有Z 向移動(dòng)軌道(19)，Z向移動(dòng)軌道(19)上設(shè)有L型固定塊(20)，L型固定塊(20)上設(shè)有光纖光譜儀探頭橫梁(21)，在光纖光譜儀探頭橫梁(21)上設(shè)有光纖光譜儀測(cè)頭(1)，光纖光譜儀測(cè)頭(I) 一側(cè)設(shè)有光學(xué)顯微鏡(2)，光學(xué)平臺(tái)(13)上從下到上依次設(shè)有Y向步進(jìn)掃描臺(tái)(6)、X向步進(jìn)掃描臺(tái)(7)、樣品臺(tái)(8)和待測(cè)樣品(9)。
2.一種使用如權(quán)利要求I所述裝置的光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)方法，其特征在于在光學(xué)顯微鏡(2)的監(jiān)控下，調(diào)節(jié)Z向移動(dòng)軌道(19)，使光纖光譜儀探頭(I)逼近待測(cè)樣品(9);白光光源(4)產(chǎn)生的白光通過Y型光纖(3)耦合進(jìn)入光纖光譜儀探頭(I)后入射到待測(cè)樣品(9)上，在光學(xué)薄膜中發(fā)生光的干涉后信號(hào)光反射進(jìn)入光纖光譜儀探頭(I )，耦合進(jìn)入Y型光纖(3)后通過Y型光纖(3)傳輸?shù)竭_(dá)光纖光譜儀主機(jī)(5)進(jìn)行分光和模數(shù)轉(zhuǎn)換，光譜數(shù)據(jù)通過USB接口傳到計(jì)算機(jī)(12 );計(jì)算機(jī)(12 )通過USB接口連接步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)(11 )，步進(jìn)掃描臺(tái)控制主機(jī)(11)通過步進(jìn)掃描臺(tái)驅(qū)動(dòng)線(10)分別控制Y向步進(jìn)掃描臺(tái)(6)和X向步進(jìn)掃描臺(tái)(7)在Y方向和X方向移動(dòng)，帶動(dòng)待測(cè)樣品(9)在X、Y方向進(jìn)行掃描；在計(jì)算機(jī)(12)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，讀入某一點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)并獲得其所有峰值波長(zhǎng)，取多組相鄰峰值波長(zhǎng)，根據(jù)公式d= l/2n 1/(1 λ2 -I A1 )計(jì)算并取平均值得到該點(diǎn)的光學(xué)薄膜厚度d，依次對(duì)所有點(diǎn)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(fā)明公開了一種基于光纖光譜儀的光學(xué)薄膜厚度檢測(cè)裝置及方法。光學(xué)平臺(tái)上一側(cè)從上到下順次設(shè)有第一支撐柱、第一固定塊，光學(xué)平臺(tái)上另一側(cè)從上到下順次設(shè)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(shè)有Z向移動(dòng)軌道，在Z向移動(dòng)軌道上設(shè)有L型固定塊，在L型固定塊上設(shè)有光纖光譜儀探頭橫梁，在光纖光譜儀探頭橫梁上設(shè)有光纖光譜儀探頭，在光纖光譜儀探頭右側(cè)設(shè)有光學(xué)顯微鏡，光學(xué)平臺(tái)上從下到上順次設(shè)有X、Y步進(jìn)電控平移臺(tái)、樣品臺(tái)、待測(cè)樣品。本發(fā)明可以實(shí)時(shí)在線無損地獲得光學(xué)薄膜樣品不同位置的厚度信息。
文檔編號(hào)G01B11/06GK102735176SQ201210209959
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者史斌, 張冬仙, 章海軍, 韓雪超 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)