利用双缝干涉法测量光学薄膜厚度的装置及方法

摘要

利用双缝干涉法测量光学薄膜厚度的装置及方法，涉及测量光学薄膜厚度的装置及方法。它是为了解决现有的光学薄膜厚度的方法的测量精度低的问题。其装置：垂直入射至挡光板的偏振光束覆盖挡光板上的一号狭缝和二号狭缝，该偏振光束经待测光学薄膜透射并经一号狭缝出射形成第一束偏振光；该偏振光束二号狭缝出射形成第二束偏振光；第一束偏振光和第二束偏振光均入射至CCD探测器的探测面上，并形成干涉条纹，CCD探测器的探测面与挡光板相互平行。其方法：任取一段干涉条纹与光强公式进行拟合，获得待测光学薄膜引起的光程差，进而获得待测光学薄膜的厚度。本发明适用于测量光学薄膜厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量光学薄膜厚度的装置及方法。

背景技术

随着薄膜技术和光电器件的广泛应用，光学薄膜已广泛应用于军用和民用器件生产 中。光学薄膜作为独立于体材料存在的一种相，有着许多独特的光学和电学性质，这些性 质取决于光学薄膜制作工艺的同时，也与光学薄膜厚度密切相关，因此厚度测量对于光学 薄膜材料的光学、电学性质的研究十分重要。

薄膜厚度是薄膜设计和工艺制造中的关键参数之一，随着光电技术以及微电子技术的 快速发展，薄膜的应用领域越来越广，各种厚度只有几百甚至数十纳米的单层或多层功能 薄膜成为当前材料研究的热点，使得精确测量薄膜厚度成为薄膜技术研究领域中的热点问 题。因此，精确确定厚度与光学常数对于研究薄膜的性质具有重要意义。

光干涉计量测试技术以波长为计量单位，是一种公认的高精度计量测试技术。许多精 密测试工作都是以光干涉的方法来实现的。干涉仪输出的是一幅干涉图，借助数学物理模 型可以将干涉图与多种被测参数相联系，从而实现测量相关的物理参数。相移干涉术是将 数字相移技术引入到干涉计量技术中而发展起来的，近年来得到了广泛的应用。

目前测量方法主要分为三角测量法和相位测量法：最简单的三角测量系统是从光源发 射一束光照射到被测物体表面，通过成像观察镜观察反射光点的位置，从而计算出物点的 位移；由于入射和反射光构成一个三角形，所以称为三角测量法；相位测量法是采用入射 光被测物体上下表面反射，反射光满足一定要求时便会出现干涉条纹，物体表面的深度信 息将对条纹的振幅和位相进行调制，采用一定的算法可将携带物体深度信息的相位变化解 调出来，从而得到物体的厚度信息。

三角测量装置简单，适于测量加工表面粗糙的非接触测量，但是测量精度较低。相位 测量法测量精度够高，但是装置相对复杂。

发明内容

本发明是为了解决现有的光学薄膜厚度的方法的测量精度低的问题，从而提供一种利 用双缝干涉法测量光学薄膜厚度的装置及方法。

利用双缝干涉法测量光学薄膜厚度的装置，它包括挡光板和CCD探测器；挡光板上 开有一号狭缝和二号狭缝；待测光学薄膜覆盖并固定在一号狭缝的入射面上；

垂直入射至挡光板的偏振光束覆盖挡光板上的一号狭缝和二号狭缝，该偏振光束经待 测光学薄膜透射并经一号狭缝出射形成第一束偏振光；该偏振光束二号狭缝出射形成第二 束偏振光；

第一束偏振光和第二束偏振光均入射至CCD探测器的探测面上，并形成干涉条纹， CCD探测器的探测面与挡光板相互平行。

一号狭缝和二号狭缝相互平行，且一号狭缝的纵向截面和二号狭缝的纵向截面位于同 一个竖直平面上。

基于上述装置的利用双缝干涉法测量光学薄膜厚度的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、在第一束偏振光和第二束偏振光在CCD探测器的探测面上形成的干涉条纹 中任取一段干涉条纹与公式：

$I\left(P\right)=\frac{c^2{E}^2}{r_1^2}+\frac{E^2}{r_2^2}+\frac{2c{E}^2\cos [k(r_1-r_2)+\delta ]}{r_1{r}_2}$

进行拟合，获得待测光学薄膜引起的光程差δ；

式中：I(P)为第一束偏振光和第二束偏振光在CCD探测器的点P处形成的干射条纹 的光强；r₁为挡光板上一号狭缝的出射面到点P的距离，且r₁＝D/cosβ；D为挡光板与CCD 探测器的距离；β为r₁与z轴夹角；

r₂为挡光板上的二号狭缝的的出射面到P点距离，且r₂＝D/cosθ；θ为r₂与z轴夹角；

c为待测光学薄膜对偏振光的吸收量；E为偏振光的振幅；k为波矢；

步骤二、根据公式：

$L=\frac{\left|\delta \right|}{k(n-n_0)}$

获得待测光学薄膜的厚度L；完成对待测光学薄膜的厚度的测量；

式中：n为偏振光在待测光学薄膜中的折射率、n₀为偏振光在真空中的折射率。

有益效果：本发明的测量装置结构简单，测量光学薄膜厚度的精度高，且不会破坏待 测样品。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；图2是本发明中除参数δ外其余参数不变的情况下， 干涉光强随x的变化示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，利用双缝干涉法测量光学薄膜厚度 的装置，它包括挡光板2和CCD探测器3；挡光板2上开有一号狭缝21和二号狭缝22； 待测光学薄膜1覆盖并固定在一号狭缝21的入射面上；

垂直入射至挡光板2的偏振光束覆盖挡光板2上的一号狭缝21和二号狭缝22，该偏 振光束经待测光学薄膜1透射并经一号狭缝21出射形成第一束偏振光；该偏振光束二号 狭缝22出射形成第二束偏振光；

第一束偏振光和第二束偏振光均入射至CCD探测器3的探测面上，并形成干涉条纹， CCD探测器3的探测面与挡光板2相互平行。

本实施方式能够在已知入射光波长和透明材料折射率时，由干涉条纹与标记中心的偏 移量来测量待测透明材料的厚度，透明材料的吸收对测量无影响。

本实施方式中尤其适合于小于入射波长的光学薄膜厚度测量。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的利用双缝干涉法测量光学 薄膜厚度的装置的区别在于，一号狭缝21和二号狭缝22相互平行，且一号狭缝21的纵 向截面和二号狭缝22的纵向截面位于同一个竖直平面上。

具体实施方式三、基于具体实施方式一的利用双缝干涉法测量光学薄膜厚度的方法， 它由以下步骤实现：

步骤一、在第一束偏振光和第二束偏振光在CCD探测器3的探测面上形成的干涉条 纹中任取一段干涉条纹与公式：

$I\left(P\right)=\frac{c^2{E}^2}{r_1^2}+\frac{E^2}{r_2^2}+\frac{2c{E}^2\cos [k(r_1-r_2)+\delta ]}{r_1{r}_2}$

进行拟合，获得待测光学薄膜1引起的光程差δ；

式中：I(P)为第一束偏振光和第二束偏振光在CCD探测器3的点P处形成的干射条 纹的光强；r₁为挡光板2上一号狭缝21的出射面到点P的距离，且r₁＝D/cosβ；D为挡光 板与CCD探测器3的距离；β为r₁与z轴夹角；

r₂为挡光板2上的二号狭缝的的出射面到P点距离，且r₂＝D/cosθ；θ为r₂与z轴夹 角；

c为待测光学薄膜1对偏振光的吸收量；E为偏振光的振幅；k为波矢；

步骤二、根据公式：

$L=\frac{\left|\delta \right|}{k(n-n_0)}$

获得待测光学薄膜1的厚度L；完成对待测光学薄膜1的厚度的测量；

式中：n为偏振光在待测光学薄膜1中的折射率、n₀为偏振光在真空中的折射率。

本实施方式具有高的测量精度，适合不破坏样本的情况下测量微小样品。

原理：将待测光学薄膜1放置于挡光板2的上狭缝外侧，待测光学薄膜在xyz空间的 xy平面内，然后沿光路方向依次固定挡光板2和CCD探测器3；均匀分布的y方向线偏 振光垂直入射挡光板2，入射光透过挡光板2上的两条狭缝在CCD探测器3干涉成像， 形成干涉条纹；由于挡光板2上的狭缝宽度很小，出射光可以认为是点源发出的球面波； 由于入射光为y方向线偏振光，在光的传播过程中电场振动方向始终相同，那么在CCD 上P点光强为挡光板2上的两条狭缝出射的球面波在P点的相干迭加，进而根据光的干 涉理论计算获得待测光学薄膜1的厚度。

图2为改变参数δ，理论计算接收到的光强分布；其它参数保持不变，仅改变δ值， δ分别取值为0°、10°和20°；可见随δ值的变化，干涉条纹出现水平移动，δ值越大，干 涉图形平移量越大。可以根据此平移值计算出待测光学薄膜的厚度。依据此方法，待测薄 膜对入射光的吸收对测量无影响。

上述实施过程中，各部件的位置，狭缝间距都可以变化，在本发明技术方案的基础上， 对个别部件进行改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。