CN105044035B - 基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量方法与系统，基于谱域低相干干涉探测系统，通过将被测样品插入样品臂光路，使得一部分光束穿透被测样品，另一部分光束不通过被测样品，两部分光都照射在一块平面反射镜上并通过反射返回系统。从被测样品前、后表面返回的光之间形成一组干涉信号，从样品臂中的平面反射镜反射回的、穿透被测样品与不通过样品的光束之间形成另一组干涉信号，通过光谱仪对这两组干涉信号的光谱进行探测，通过计算机进行数据采集及处理，能同时得到被测样品的厚度与折射率信息。该测量系统具有的优点有，不需移动系统中的任何元件、结构稳定，只需一次测量即可同时得到被测样品的折射率和厚度信息。
Description
技术领域
本发明涉及谱域干涉(Spectral interferometry)技术，尤其涉及一种基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量方法与系统。
背景技术
折射率是表征材料光学特性的重要参量，对于光学设计、光波传播等科研和工业领域都有着广泛的影响。折射率与材料本身的微观结构相关，并随外界参量如温度、电磁场、压力等的变化而变化，从而产生一系列的光学现象，如光的色散效应、克尔效应、法拉第效应、光弹效应等。因此精确测量材料的折射率以及折射率随外界参量变化的函数关系具有重要意义。
目前，测量透明样品厚度与折射率有多种方法，大部分是基于低相干迈克尔逊干涉仪的技术。低相干光源的谱域干涉技术在用于分析光学系统中近光学表面的反射特性所取得的效果引起了极大的关注，当该技术被应用于光学工程，生物医学等领域时获得了一系列重大的突破，如D.Huang1991年提出了光学层析相干技术(optical coherencetomography，OCT)1-4，该技术于1995年被G.J.Teamey用于测量高散射人体组织的折射率，A.B.Vakhtin2003年提出的频域共路OCT技术，X.Liu 2008年提出的傅里叶域光纤OCT技术等。与此同时，相关技术也被用于同步测量透明样品的几何厚度和折射率。W.V.Sorin1992年提出的利用光学低相干反射技术同步测量样品几何厚度与折射率，J.Na 2009年提出的采用自参照光谱干涉法测量几何厚度与折射率，P.Hlubina 2001年提出了无补偿迈克逊干涉仪白光光谱干涉法测量石英玻璃中的折射率的发散情况，G.D.Gillen 2005年提出的使用迈克尔逊、法布里-珀罗(FP)分别独立测量晶片几何厚度和折射率，P.H.Tomlins2008年提出的光学相干折射技术，S.Kim2008年提出的采用共路低相干技术同步测量样品厚度与折射率等。OCT技术最初采用双臂迈克尔逊干涉技术，后来发现共路干涉技术更紧凑、更稳定3，4。比如使用迈克尔逊、法布里-珀罗(FP)集成技术8，改进型OCT技术9，共焦低相干技术等10。
以上提到的各项现有技术都有各自的适用范围，也都存在一定的局限性。具体说来，白光光谱干涉技术需要对迈克尔逊干涉仪的参考镜进行精确移动7；基于法布里-珀罗干涉技术和改进型OCT技术，需要精确控制样品本身的旋转角度8，9；这种精确移动本身很难达到较高精度，导致存在较大的系统误差。双臂白光迈克尔逊干涉仪不需对系统部件和样品进行移动5，6，但需要将被测样品紧贴着参考镜放置，导致难以将被测样品放入用来改变外部参数(温度、压力等)的设备中。并且以上现有技术都需要对放置和不放置样品两种状态进行两次测量才能够测量出被测样品的几何厚度和折射率信息；这种两次测量的模式，势必会由于外界环境的不一致，导致测量误差增大；并且这种两次测量的模式，工作效率较低。
发明内容
本发明提供基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量方法与系统，其通过对被测样品一次测量即可同时得到被测样品的折射率和厚度信息。
该系统采用谱域低相干干涉技术，两束光平行的在同一样品臂中传播，只有其中一束光透过被测样品。被测样品作为一个低精细度巧妙的FP标准具提供了非常重要的补偿信息。该系统装置紧凑，结构稳定，不需要移动任何部分，一次即可完成测量。在不影响放置能调节外部温度场与热膨胀系数的温控设备的条件下该被测样品能被放置在光路中的任何位置。
具体内容如下：
本发明一种基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，包括宽带光源、光纤环行器、样品臂、光谱仪和计算机，其中，样品臂包括第一光纤准直镜、被测样品、第一聚焦透镜和平面镜，光谱仪包括第二光纤准直镜，衍射光栅、第二聚焦透镜和探测器CCD。进入样品臂的探测光束一部分透过被测样品被收集和分析，另一部分光束不透过被测样品被收集和分析，探测器CCD探测从样品前、后表面反射回来的的光信号、从平面镜反射回来的经过以及不经过样品的光信号。
所述宽带光源与光纤环行器的第一端口相连，光纤环行器的第二端口与样品臂中的第一光纤准直镜相连接；样品臂中的第一光纤准直镜和第一聚焦透镜放置在平面镜的前侧，被测样品放置在第一光纤准直镜与第一聚焦透镜之间，且只允许一部分的光束透过被测样品；光纤环行器的第三端口与光谱仪连接，分别经过第二光纤准直镜，衍射光栅、第二聚焦透镜，对准探测器CCD，光谱仪中的探测器CCD与计算机连接，计算机进行数据处理。
宽带光源发出的光进入光纤环行器的第一端口，经光纤环行器第二端口进入样品臂，光束经第一光纤准直镜扩散成宽光束，其中一部分光透过被测样品投射到第一聚焦透镜上，经第一聚焦透镜聚焦到平面镜上，经平面镜反射的和经被测样品前、后表面反射的光束沿原路返回至光纤环行器第二端口，并从光 纤环行器第三端口导入光谱仪；进入样品臂的另一部分没有透过被测样品光束经第一光纤准直镜扩束后经第一聚焦透镜聚焦在平面镜上，经平面镜反射后沿原路返回至光纤环行器第二端口，并从光纤环行器第三端口导入光谱仪；此时，从被测样品前、后表面返回的两光束发生干涉，产生一组干涉信号，以及从平面镜反射回的、经过被测样品与不经过被测样品的光束发生干涉，产生另一组干涉信号。以上两组干涉信号包含被测样品厚度与折射率的信息，两组干涉信号被探测器CCD探测到后传入计算机通过傅里叶变换数据处理同时得到被测样品厚度与折射率的信息。
一种谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量方法，具体包括以下步骤：
1).搭建一个仅具有样品臂的谱域干涉仪，在样品臂中的第一光纤准直镜与第一聚焦透镜之间放置被测样品，且被测样品的位置保证从第一光纤准直镜出射的光束一部分照射在被测样品上，另一部分不经被测样品直接传向第一聚焦透镜。
2).宽带光源出射后经光纤环行器打入样品臂，光束经第一聚焦透镜扩束，其中一部分光透过被测样品、第一聚焦透镜聚焦到平面镜上，经平面镜反射的和经被测样品前、后表面反射的光束沿原路返回至光纤环行器第二端口；另一部分光经第一聚焦透镜聚焦到平面镜上，经平面镜反射后光束沿原路返回至光纤环行器第二端口。
返回到光纤环行器第二端口的光束两两分别产生干涉，形成干涉信号，其一，从被测样品前、后表面返回的两光束发生干涉，产生一组干涉信号；其二，从平面镜反射回的经过被测样品与从平面镜反射回的不经过被测样品的光束发生干涉，产生另一组干涉信号。
3).由于以上两组干涉信号包含被测样品厚度与折射率的信息，该两组干涉信号经光纤环行器的第三端口导入光谱仪，干涉信号被探测器CCD探测到后通过数据线传入计算机，通过傅里叶变换数据处理后就能同时得到被测样品的厚度与折射率信息。
通过对探测到的两组干涉信号进行傅里叶变化后，能得出两组光程差，即从被测样品前、后表面返回的两光束发生干涉产生的光程差Δ1，从平面镜反射回的经过被测样品与从平面镜反射回的不经过被测样品的光束发生干涉产生的光程差Δ2，设被测样品的折射率为n，被测样品的厚度为d，空气的折射率为1，根据光的传播理论，易得：
Δ1＝2nd………(1)
Δ2＝2d(n-1)…(2)
联立上述方程组，求解得出被测样品厚度与折射率的值。上述方法能一次同时的测得被测样品折射率和厚度的信息，通过数据处理同时得到被测样品厚度与折射率的值，与以往方法相比极大的提高了工业效率。
与背景技术相比，本发明具有有益的技术效果：
1).无需移动包括光学元件和被测样品在内的任何系统部件，相比于白光光谱干涉技术、法布里-珀罗干涉技术和改进型OCT技术需要精确移动反射镜或者被测样品的方式，避免了由于移动系统的某一部分带来的系统误差，简化了试验操作步骤，提高了测量的准确性与精确度；
2).对被测样品的放置位置要求低，可以放置在光路中的任何部位。相比于双臂白光迈克尔逊干涉仪需要将被测样品紧贴着参考镜放置的这一限制，本发明所述系统中的被测样品可以根据环境控制装置的要求放置在其需要的位置，以便对被测样品的外部环境进行量化控制。比如在加装一个烤箱或者恒冷器，或是可以改变压力、电磁场的装置等。本发明所述的系统极大的减弱了被测样品对位置的依赖，为深入的研究被测样品的折射率与外部环境的函数关系提供了极其便利的条件；
3).通过对透过被测样品与不透过被测样品所产生的一组干涉信号，以及从被测样品上下表面反射回的光所产生另一组干涉信号进行分析，以被测样品作为一个低精细度巧妙的FP标准具提供了非常重要的补偿信息，同时完成被测样品厚度与折射率的测量，一次性完成测量，简化了试验操作步骤，提高了工业效率；
4).另外，两次测量在同一时间完成，与以往测量系统相比，避免了由于先后两次测量所处环境的变化带来的测量误差，提高了准确度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1、宽带光源，2、光纤环行器，3、样品臂，4、光谱仪，5、计算机，6、第一光纤准直镜，7、被测样品，8、第一聚焦透镜，9、平面镜，10、第二光纤准直镜，11、衍射光栅，12、第二聚焦透镜，13、探测器CCD。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示本发明一种基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，包括宽带光源1、光纤环行器2、样品臂3、光谱仪4和计算机5，其中，样品臂3包括第一光纤准直镜6、被测样品7、第一聚焦透镜8和平面镜9，光谱仪4包括第二光纤准直镜10，衍射光栅11、第二聚焦透镜12和探测器CCD13。
所述宽带光源1与光纤环行器2的第一端口相连，光纤环行器2的第二端口与样品臂3中的第一光纤准直镜6相连接；样品臂3中的第一光纤准直镜6和第一聚焦透镜8放置在平面镜9的前侧，被测样品7放置在第一光纤准直镜6与第一聚焦透镜8之间，且只允许一部分的光束透过被测样品7；光纤环行器2的第三端口与光谱仪4连接，分别经过第二光纤准直镜10，衍射光栅11，第二聚焦透镜12，对准探测器CCD13，光谱仪4中的探测器CCD13与计算机5连接，计算机5进行数据处理。
宽带光源1发出的光进入光纤环行器2的第一端口，经光纤环行器2第二端口进入样品臂3，光束经第一光纤准直镜6扩散成宽光束，其中一部分光透过被测样品7投射到第一聚焦透镜上8，经第一聚焦透镜8聚焦到平面镜9上，经平面镜9反射的和经被测样品7前、后表面反射的光束沿原路返回至光纤环行器2第二端口，并从光纤环行器2第三端口导入光谱仪4；进入样品臂3的另一部分没有透过被测样品7光束经第一光纤准直镜6扩束后经第一聚焦透镜8聚焦在平面镜9上，经平面镜9反射后沿原路返回至光纤环行器2第二端口，并从光纤环行器2第三端口导入光谱仪4；此时，从被测样品前、后表面返回的两光束发生干涉，产生一组干涉信号，以及从平面镜反射回的、经过被测样品与不经过被测样品的光束发生干涉，产生另一组干涉信号。以上两组干涉信号包含被测样品7厚度与折射率的信息，两组干涉信号被探测器CCD13探测到后传入计算机5通过傅里叶变换数据处理同时得到被测样品7厚度与折射率的信息。
一种谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量方法，其具体步骤如下：
1).搭建一个仅具有样品臂3的谱域干涉仪，在样品臂3中的第一光纤准直镜6与第一聚焦透镜8之间放置被测样品7，且被测样品7的位置保证从第一光纤准直镜6出射的光束一部分照射在被测样品7上，另一部分不经被测样品7直接传向第一聚焦透镜8；
2).宽带光源1出射后经光纤环行器2打入样品臂3，光束经第一聚焦透镜6扩束，其中一部分光透过被测样品7、第一聚焦透镜8聚焦到平面镜9上，经平面镜9反射的和经被测样品7前、后表面反射的光束沿原路返回至光纤环行器2第二端口；另一部分光经第一聚焦透镜6聚焦到平面镜9上，经平面镜9反射后光束沿原路返回至光纤环行器2第二端口。
返回到光纤环行器2第二端口的光束两两分别产生干涉，形成干涉信号， 其一，从被测样品7前、后表面返回的两光束发生干涉，产生一组干涉信号；其二，从平面镜9反射回的经过被测样品7与从平面镜9反射回的不经过被测样品7的光束发生干涉，产生另一组干涉信号；
3).由于以上两组干涉信号包含被测样品厚度与折射率的信息，该两组干涉信号经光纤环行器2的第三端口导入光谱仪4，干涉信号被探测器CCD13探测到后通过数据线传入计算机5，通过傅里叶变换数据处理后就能同时得到被测样品的厚度与折射率信息。
通过对探测到的两组干涉信号进行傅里叶变化后，能得出两组光程差，即从被测样品7前、后表面返回的两光束发生干涉产生的光程差Δ1，从平面镜9反射回的经过被测样品7与从平面镜9反射回的不经过被测样品7的光束发生干涉产生的光程差Δ2，设被测样品7的折射率为n，被测样品7的厚度为d，空气的折射率为1，根据光的传播理论，易得：
Δ1＝2nd………(1)
Δ2＝2d(n-1)…(2)
联立上述方程组，求解得出被测样品厚度与折射率的值。上述方法能一次同时的测得被测样品折射率和厚度的信息，通过数据处理同时得到被测样品厚度与折射率的值，与以往方法相比极大的提高了工业效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，包括宽带光源(1)、光纤环行器(2)、样品臂(3)、光谱仪(4)和计算机(5)，其中，样品臂(3)包括第一光纤准直镜(6)、被测样品(7)、第一聚焦透镜(8)和平面镜(9)，光谱仪(4)包括第二光纤准直镜(10)、衍射光栅(11)、第二聚焦透镜(12)和探测器CCD(13)，其特征在于：进入样品臂(3)的探测光束一部分透过被测样品(7)被收集和分析，另一部分光束不透过被测样品(7)被收集和分析，探测器CCD(13)探测从被测样品(7)前、后表面反射回来的光信号，从平面镜(9)反射回来的经过以及不经过被测样品(7)的光信号。
2.根据权利要求1所述的基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，其特征在于：所述宽带光源(1)与光纤环行器(2)的第一端口相连，光纤环行器(2)的第二端口与样品臂(3)中的第一光纤准直镜(6)相连接；样品臂(3)中的第一光纤准直镜(6)和第一聚焦透镜(8)放置在平面镜(9)的前侧，被测样品(7)放置在第一光纤准直镜(6)与第一聚焦透镜(8)之间，且只允许一部分的光束透过被测样品(7)；光纤环行器(2)的第三端口与光谱仪(4)连接，分别经过第二光纤准直镜(10)，衍射光栅(11)、第二聚焦透镜(12)，对准探测器CCD(13)，光谱仪(4)中的探测器CCD(13)与计算机(5)连接，计算机(5)进行数据处理。
3.根据权利要求1所述的基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，其特征在于：宽带光源(1)发出的光进入光纤环行器(2)的第一端口，经光纤环行器(2)第二端口进入样品臂(3)，光束经第一光纤准直镜(6)扩散成宽光束，其中一部分光透过被测样品(7)投射到第一聚焦透镜(8)上，经第一聚焦透镜(8)聚焦到平面镜(9)上，经平面镜(9)反射的和经被测样品(7)前、后表面反射的光束沿原路返回至光纤环行器(2)第二端口，并从光纤环行器(2)第三端口导入光谱仪(4)。
4.根据权利要求3所述的基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量系统，其特征在于：进入样品臂(3)的另一部分没有透过被测样品(7)光束经第一光纤准直镜(6)扩束后经第一聚焦透镜(8)聚焦在平面镜(9)上，经平面镜(9)反射后沿原路返回至光纤环行器(2)第二端口，并从光纤环行器(2)第三端口导入光谱仪(4)；此时，从被测样品(7)前、后表面返回的两光束发生干涉，产生一组干涉信号，以及从平面镜(9)反射回的、经过被测样品(7)与不经过被测样品(7)的光束发生干涉，产生另一组干涉信号，以上两组干涉信号包含被测样品(7)厚度与折射率的信息，两组干涉信号被探测器CCD(13)探测到后传入计算机(5)通过傅里叶变换数据处理同时得到被测样品厚度与折射率的信息。
5.基于谱域干涉仪的折射率和厚度同步测量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
1).搭建一个仅具有样品臂(3)的谱域干涉仪，在样品臂(3)中的第一光纤准直镜(6)与第一聚焦透镜(8)之间放置被测样品(7)，且被测样品(7)的位置保证从第一光纤准直镜(6)出射的光束一部分照射在被测样品(7)上，另一部分不经被测样品(7)直接传向第一聚焦透镜(8)；
2).宽带光源(1)出射后经光纤环行器(2)打入样品臂(3)，光束经第一光纤准直镜(6)扩束，其中一部分光透过被测样品(7)、第一聚焦透镜(8)聚焦到平面镜(9)上，经平面镜(9)反射的和经被测样品(7)前、后表面反射的光束沿原路返回至光纤环行器(2)第二端口；另一部分光经第一聚焦透镜(8)聚焦到平面镜(9)上，经平面镜(9)反射后光束沿原路返回至光纤环行器(2)第二端口；
返回到光纤环行器(2)第二端口的光束两两分别产生干涉，形成干涉信号，其一，从被测样品(7)前、后表面返回的两光束发生干涉，产生一组干涉信号；其二，从平面镜(9)反射回的经过被测样品(7)与从平面镜(9)反射回的不经过被测样品(7)的光束发生干涉，产生另一组干涉信号；
3).由于以上两组干涉信号包含被测样品(7)厚度与折射率的信息，该两组干涉信号经光纤环行器(2)的第三端口导入光谱仪(4)，干涉信号被探测器CCD(13)探测到后通过数据线传入计算机(5)，通过傅里叶变换数据处理后就能同时得到被测样品(7)的厚度与折射率信息。
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