CN201653374U - 一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置。本实用新型要克服现有技术中不能反映整个膜层的厚度分布情况和使用要求高的问题。提供一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置，包括光源系统，干涉系统、CCD图像捕获系统和样品移动控制系统，干涉系统包括消模器、扩束器、准直镜、成像物镜、分光镜、补偿镜、参考反射镜、PZT调节器、PZT驱动和可控样品台，CCD图像捕获系统包括CCD摄像机、图像捕获器和计算机；光源系统、消模器和扩束器依次设置在第一光轴上，CCD摄像机、成像物镜、第二分光镜、补偿镜、参考反射镜和PZT调节器依次设置在与第一光轴平行的第二光轴上，反射镜、第二分光镜和样品台还依次位于垂直于第一光轴的第三光轴上。其测试灵敏度高，精度高。

Description

一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置

技术领域

本实用新型涉及薄膜测量技术领域，具体涉及一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置。

技术背景

随着科学技术的发展，光学薄膜已广泛应用于军事武器装备和国防基础建设。光学薄膜的主要光学参数包括：折射率、膜层厚度、反射比、透射比、散射比和吸收比等。在以上参数中，针对薄膜的反射比、透射比等技术的研究目前已经比较完善。而对于大口径全场薄膜厚度的高精度检测目前还没有一套比较完善的检测系统，而薄膜厚度参数对薄膜的设计和工艺制造都是不可缺少的。

当前常用薄膜厚度的光学测试方法很多，特点各不相同，按照其自身的特点可分为几类。综观当前众多流行的分类方式，有两种最具代表性，第一种是机械接触式，第二种是光学非接触式。机械接触式一般都采用机械探针接触薄膜并且在薄膜样品上扫描获取膜厚信息，这种方法可实现大口径薄膜厚度测试，但测试中会损伤所测样品，并且探针接触测试属于单点检测，全场测试需要探针在整个口径范围扫描，测试效率非常低。光学非接触式膜厚测试依据其光学原理可分为干涉、衍射、透射、反射、偏振等方法。也可根据光源分为激光测量和白光测量。还有的根据承载薄膜的基体情况分为透明基体测量和不透明基体测量等等。由于薄膜和基底材料的性质和形态不同，如何选择符合测量要求的测量方法和仪器是一个值得深入研究的问题。每一种测量方法和仪器都有各自的使用要求、测量范围、精确度、特点及局限性。

传统的干涉方法测试膜层厚度的方法中：(1)使用迈克尔逊干涉仪测试膜厚，无法直接测出干涉条纹移动的整数个数，从而无法测出膜层的绝对厚度，并且当薄膜的反射率较小时，会使干涉条纹的幅度很小，计算值的误差较大，从而使得测量精度具有一定的局限性。(2)因精确度高，因此椭圆偏振法是目前测量膜厚的最常用方法。但它也存在着不足之处，其测试属于单点测试，一般均采用以单点膜厚值来代替整个膜层厚度，因此不能反映整个膜层的厚度分布情况；同时需要事先知道膜层的结构模型，因此测试人员对测试样品必须了解才能进行，对操作人员的要求高，这样该方法的使用要求就较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种全场薄膜厚度全场检测装置，以克服现有技术存在的不能反映整个膜层的厚度分布情况和使用要求高的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置，其特征在于：包括光源系统、干涉系统、CCD图像捕获系统和样品移动控制系统，所述的干涉系统包括消模器、扩束器、准直镜、成像物镜、分光镜、补偿镜、参考反射镜、PZT调节器、PZT驱动和可控样品台，所述CCD图像捕获系统包括CCD摄像机、图像捕获器和计算机；所述的光源系统、消模器和扩束器依次设置在第一光轴上，所述CCD摄像机、成像物镜、第二分光镜、补偿镜、参考反射镜和PZT调节器依次设置在与第一光轴平行的第二光轴上，同时反射镜、第二分光镜和样品台还依次位于垂直于第一光轴的第三光轴上；所述CCD摄像机还依次与图像捕获器、计算机、可控样品台、PZT驱动和PZT调节器相连接。

在上述扩束器和第一准直镜之间可设置反射镜。以缩短装置尺寸。

上述光源系统中的激光光源是He-Ne激光器或YAG倍频激光器。

本实用新型所提供的薄膜厚度检测装置可以针对高反射、减反射表面、薄膜、厚膜直观看到膜厚的干涉图样，可以实时恢复薄膜位相，适用于各类光学元件及薄膜表面，且具有快速、准确、全方位监测的特点，而且为整个干涉视场内膜厚全自动化测试技术奠定了基础。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、能反映整个膜层的厚度分布情况：因为测试时干涉系统对样片全视场信息进行采样；对于超大口径样品测试(超过干涉视场范围)，若一次无法采集样片全场区域的情况，我们对样品平台进行改造，控制样品移动，对样品不同区域进行采样，再通过拼接技术实现全口径样品信息测试，即无论大小口径样品均可实现全口径范围内膜层厚度的检测；

2、使用要求降低：不需要对测试对象进行了解，即可直接测量；

3、测试效率高：干涉系统一次采集膜层表面区域与干涉系统发生干涉口径一样大，属于一次即可获得与干涉口径一样大的膜层信息，即一次干涉可测多点；若测试超大口径样品，我们对样品平台进行改造，控制样品移动，对样品不同区域进行采样，再通过拼接技术实现全口径样品信息测试。

4、灵敏度高，测试精度高：本实用新型中涉及到了条纹、FFT、移相干涉技术及图像拼接等多种技术，可实现膜厚的高精度测试；

5、适用范围广：适用于各类光学元件及薄膜表面，既可测试小口径膜层元件也可测试大口径元件，可实时获取样品表面膜层结构的三维分布，薄膜可适用于反射膜、增透膜、薄膜和厚膜等、高反射、减反射表面

6、为整个干涉视场内膜厚全自动化测试技术奠定了基础：本实用新型中系统的可集成化高，具有拓展的可能，测试系统通过优化算法有机的集成一起，可实现在线快速检测，也可实现自动测试。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

附图标记说明如下：

1-激光光源、2-消模器、3-扩束器、4-反射镜、5-准直镜、6-分光镜、7-补偿镜、8-参考反射镜、9-PZT调节器、10-PZT驱动11-可控样品台、12-CCD摄像机、13-图像捕获器、14-计算机、15-成像物镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做进一步说明。

参见图1，一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置，包括光源系统1、干涉系统、CCD图像捕获系统和样品移动控制系统。所说的光源系统中的激光光源是He-Ne激光器或YAG倍频激光器。所说的干涉系统包括消模器2、扩束器3、反射镜4、准直镜5、成像物镜15、分光镜6、补偿镜7、参考反射镜8、PZT调节器9、PZT驱动10和可控样品台11，所述CCD图像捕获系统包括CCD摄像机12、图像捕获器13和计算机14；所述的光源系统1、消模器2、扩束器3和反射镜4依次设置在第一光轴上，所述CCD摄像机12、成像物镜15、第二分光镜6、补偿镜7、参考反射镜8和PZT调节器9依次设置在与第一光轴平行的第二光轴上，同时反射镜4、第二分光镜6和样品台11还依次位于垂直于第一光轴的第三光轴上；所述CCD摄像机12还依次与图像捕获器13、计算机14、可控样品台11、PZT驱动10和PZT调节器9相连接。

本实用新型使用时，全场准确快速是得到正确结果的关键。测试样片时，样片置于可控样品台上。激光光源1经消模器2、扩束器3消模扩束后，由反射镜4转折光路方向，再经准直镜5准直后进入到干涉系统中，干涉系统中激光束由分光镜6分束，一束作为参考光，一束作为测试光，参考光束射入补偿镜7、到达参考反射镜8，参考反射镜8由PZT调节器9控制位相移动，PZT调节器9由PZT驱动10驱动，参考光束经由参考反射镜8返回；测试光束到达样品，样品由可控样品台11控制移动，测试光束照射样品表面，再返回。返回的参考光和测试光在分光镜6的上表面相遇、发生干涉，带有薄膜膜层厚度信息的干涉条纹图像由成像物镜15成像到CCD摄像机12上，由图像捕获器13送到计算机14进行数字图像处理，可获得薄膜样片全场表面的空间厚度分布。

本实用新型的测试过程中所涉及到的原理如下：条纹法是薄膜样片与参考镜之间返回的光波发生干涉，产生干涉条纹，干涉条纹具有薄膜样片的相位分布信息，可从条纹的方向性和各向异性特征求取膜层相位信息。同时，条纹方向相对于条纹灰度或者梯度等信息来说，又是一个变化缓慢的信息量，这使得提取条纹方向来为其它处理提供指导。所以条纹方向既是干涉条纹图的重要特征，又包含着干涉条纹图自动处理所需的重要信息。条纹法主要经过二值化、细化、修像、标记、采样等步骤，采样结束即完成了对数字化干涉图的图像处理过程，此时获得了一个离散的、采样点随机分布的波面数据集合，通过拟合等过程获得必要的波面信息；FFT方法的原理是通过对采集到的干涉条纹图像进行Fourier空间频谱变换及反变换求出膜厚的波面相位后求出膜层厚度。内容包括：干涉图样的预处理(边缘识别、阴影校正、区域延拓)、傅里叶变换、低通滤波、空间频率转换、傅里叶逆变换、波面相位统一、膜层厚度算法模型；移相法(PSI方法)的原理是通过对干涉系统中参考镜进行移动，从而产生多幅不同相位的干涉图样，再根据移动的相位关系求出膜厚的波相，最终导出膜层厚度。内容包括：干涉图样的移相技术、干涉图获取、预处理、提取波面相位和膜层厚度算法。

本实用新型中各种测试方法采用了“与”的逻辑关系，即各种方法有机结合并进行优化得出薄膜厚度的分布信息。将这几种方法的有机结合，进一步扩展了膜厚测试范围，实现了整个测试系统的智能化、集成化及自动化过程。

Claims (3)

1.一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置，其特征在于：包括光源系统(1)、干涉系统、CCD图像捕获系统和样品移动控制系统，所述的干涉系统包括消模器(2)、扩束器(3)、准直镜(5)、成像物镜(15)、分光镜(6)、补偿镜(7)、参考反射镜(8)、PZT调节器(9)、PZT驱动(10)和可控样品台(11)，所述CCD图像捕获系统包括CCD摄像机(12)、图像捕获器(13)和计算机(14)；所述的光源系统(1)、消模器(2)和扩束器(3)依次设置在第一光轴上，所述CCD摄像机(12)、成像物镜(15)、第二分光镜(6)、补偿镜(7)、参考反射镜(8)和PZT调节器(9)依次设置在与第一光轴平行的第二光轴上，同时反射镜(4)、第二分光镜(6)和样品台(11)还依次位于垂直于第一光轴的第三光轴上；所述CCD摄像机(12)还依次与图像捕获器(13)、计算机(14)、可控样品台(11)、PZT驱动(10)和PZT调节器(9)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置，其特征在于：在所述扩束器(3)和第一准直镜(5)之间设置有反射镜(4)。

3.根据权利要求1所述的一种大口径单层薄膜厚度全场检测装置，其特征在于：所述光源系统(1)中的激光光源是He-Ne激光器或YAG倍频激光器。