CN202853573U - 一种基于光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置。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。本实用新型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。

Description

一种基于光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置，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

光学薄膜技术作为一种成熟的技术，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一项具有重要意义的课题。虽然现有的光学薄膜厚度测量方法有很多，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，测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，传统的薄膜厚度的测量方法已经不能满足现代光学检测的需要。 

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光纤光谱仪光学薄膜厚度检测装置。 

基于光纤光谱仪光学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接口与计算机通信；步进扫描台控制主机通过USB接口与计算机通信，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，光学平台另一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探头，光纤光谱仪探头一侧设有光学显微镜，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。 

本实用新型能够实时在线、大范围无损的光学薄膜厚度测量装置及方法，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阔的应用前景。 

附图说明

图1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是本实用新型的光学薄膜厚度的测量回路系统示意图； 

图中：光纤光谱仪探头1、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。 

具体实施方式

本实用新型利用光的干涉原理，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1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1和反射光线2会发生干涉现象。光学薄厚度为d，折射率为n，入射光线波长为λ，反射光线1的强度为I₁，反射光线2的强度为I₂。由于入射角度较小，入射光线可近似为垂直入射，可得反射光线1和反射光线2的光程差Δ： 

Δ＝2nd    （1） 

干涉光线的强度为I： 

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \frac{2\mathrm{\π\Δ}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

当满足Δ=mλ的条件时（m为干涉级数，取正整数），I取到最大值。本实用新型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 的干涉级数相差1，对应的峰值波长分别为λ₁、λ₂，对应的级数分别为m₁、m₂： 

Δ＝2nd＝m₁λ₁    （3） 

Δ＝2nd＝m₂λ₂    （4） 

根据以上两式可得： 

m₂-m₁＝2nd(1/λ₂-1/λ₁)＝1     (5) 

所以光学薄膜厚度d为： 

$d=\frac{1}{2n}\·\frac{1}{\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}}---\left(6\right)$

由上式可知，波峰在短波处较为密集，峰位间隔随着波长增大而增大。光学薄膜厚度d越大，发生干涉的级次较高，光谱上波峰波谷越密集，图2所示中，（b）样品厚度近似为（a）所示样品的2倍。 

如图3、4所示，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1、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1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13一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上设有光纤光谱仪探头1，光纤光谱仪探头1一侧设有光学显微镜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） 

光学薄膜厚度检测方法是：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1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1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1，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=1/2n·1/(1/λ₂-1/λ₁)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。 

Claims (1)

1.一种基于光纤光谱仪的光学薄膜厚度检测装置，其特征在于包括包括光纤光谱仪探头（1）、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（1）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）一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）上设有光纤光谱仪探头（1），光纤光谱仪探头（1）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）。

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