浅谈非接触式光学测厚仪

随着智能制造技术的不断深入，在许多应用中，厚度测量的能力至关重要，从实验室到在线环境中，要求设备具备实时模式测量功能。目前厚度测量方法很多，其中以激光干涉仪的精度为突出，是微纳位移测量的佳选。按照技术路线不同，光学测量又分高相干激光测量-双波长超外差探测1，和低相干干涉测量两大类。低相干干涉术（LCI）是***种基于白光干涉术的测量技术，使用低相干光源来获得高度准确的距离测量。随着工业环境中要求坚固、准确、用户友好和高精度仪器的需求，Eastman Kodak的Marcus等人对低相干干涉仪进行了早期研究，用于各种工业应用，包括涂层料的液体层厚度监测、胶片基底厚度均匀性、数码相机焦点评估、光学单元路径长度评估以及CCD成像仪和晶片表面轮廓测绘。第***代仪器是采用自相关器配置的迈克尔逊干涉仪。由直流电机驱动的机械组件通过使干涉仪臂中的回复反射器往复运动来产生路径长度变化。为了提高测量精度，使用基于激光源的第二干涉仪实现，该激光源与低相干干涉仪具有相同的光学路径。使用频率稳定的氦氖激光器产生稳定的干涉条纹信号，作为数据采集的参考“时钟”。该“时钟”沿路径长度变化以恒定间隔产生触发信号。

下***代的干涉仪分别用压电陶瓷（PZT）光纤拉伸器和1550nm分布反馈（DFB）的半导体激光器取代了电机驱动的光学器件和氦氖激光器。此系统中，干涉仪没有运动部件，使用了寿命长、可靠性高的电信***组件。低相干和高相干干涉测量之间的差异如图1所示。典型迈克尔逊干涉仪的干涉信号表示为

其中Er和Es是干涉光场，Id是探测器处的强度，Ir和Is是干涉光束的平均强度。方程中的第二项，称为归***化自相关函数，表示在探测器处观察到的强度变化的幅度。该项取决于样品和参考臂之间的光程差τ。在激光等高相干光源的情况下，合成强度随路径长度差的变化呈正弦曲线，如图1左上所示。然而，随着相干度的降低，强度变化的幅度减小，并且只有当两个臂的路径长度紧密匹配时，即τ接近零时，才会观察到强度变化。

图1：迈克尔逊干涉仪

强度变化作为路径长度差的函数，呈现出图1左下角所示的形式。当路径长度差较大时，没有观察到强度的变化。强度变化的幅度随着路径长度差的减小而增加，当路径长度完全相等时，即τ=0，出现***大值。换句话说，在探测器上观察到的强度变化是由包络函数调制的，其宽度由源的相干性决定。

图2显示了透明样品两个表面反射产生的两个波包，***个来自表面1，另***个来自面2。第二波分组相对于第***分组延迟了光学厚度（OPL）。样品的光学厚度（OPL）可以表示为

图2：与样品相互作用后的光传播图

其中t是样品的物理厚度，c是真空中的光速，Vg是波包的群速度。群速度定义为ω/k，角频率ω的微分变化，作为波数k的函数。可以证明，在色散介质中，群速度变为

其中Vp是相速度，np是相指数。然后，将组索引ng定义为

因此，使用方程式（2）和（4），OPL可以表示为

两个反射波包与相干源的光共同传播，然后输入干涉仪。

图3是全光纤干涉仪的光路框图。干涉仪执行的输入信号自相关产生的干涉图如图所示。通过在50/50分束器处生成两个相同的输入信号来执行自相关。两束光进入干涉仪的两个臂，从镜子反射，并在分束器处重新组合以相互干涉。两个光束所遇到的光程长度的差异由涉仪臂的长度决定。通过同步扫描镜子，以周期性的方式调整臂长，使得***个臂的臂长增加，另***个臂相应减少。低相干自相关显示出三个峰值，这是扫描镜三种不同配置的结果。当干涉仪的臂具有相等的路径长度时，会出现干涉。在这种情况下，来自样品的反射波包在通过干涉仪传播后会相互干扰（即来自Arm 1的波包1会与来自Arm 2的包1发生干涉，来自Arm1的波包2会与来自Arm 2的包2发生干涉）。移动扫描臂时，干涉仪臂中的路径长度变得不匹配，由于源的低相干性，条纹可见度降低。它***终达到零，直到路径长度变化等于样品厚度的OPL。当这种情况发生时，另***个条纹可见度峰值被检测为弱条纹。这种情况在干涉仪的两种不同配置中实现，每种配置都会产生弱条纹。当来自臂1的波包1与来自臂2的波包2发生干涉时，就会实现这种情况，反之亦然。

图3：两个光源信号的自相关

通过在50/50分路器，并送入扫描干涉仪的两个臂。PZT光纤拉伸器用于干涉仪的路径长度扫描。这些光纤拉伸器是大约10米长的单模光纤，包裹在压电陶瓷圆柱体上。向压电晶体施加高压波形会改变PZT晶体的物理尺寸，进而导致光纤内的光程长度变化。在全电压下，每个PZT可以将光纤“拉伸”到4.5毫米，相当于大约6.5毫米的光路长度变化。干涉仪的每个臂上都有两个光纤拉伸器，以“推拉”配置运行。***个PZT的电压波形与另***个PZT波形相位相差180°。根据每个臂的相对路径长度，干涉仪可以在每次电压扫描中执行两次光学扫描，或者扫描两次光学拉伸。在后***种增加拉伸的模式下，路径长度变化可以加倍到大约13mm的光路长度，从而能够测量更厚的样品。

离开光纤展宽器的光被法拉第镜反射回展宽器，再次穿过展宽器（法拉第镜是被动器件，反射相对于输入光偏振旋转变化90°的光，与初始偏振态无关）。为了使干涉信号的条纹可见度***大化，返回光束的偏振态须相同。已经表明，光纤展宽器会引起静态和动态双折射，从而破坏偏振态。12法拉第镜通过执行相位共轭来补偿光纤展宽器中动态弯曲引起的双折射，有助于大限度地提高条纹可见度。每只手臂上匹配的担架的抵消效应降低了静态双折射。光通过50/50分光器离开干涉仪。两个干涉信号，***个由SLED产生，另***个由激光器产生，由WDM（图中的WDM 2）分离。来自SLED和激光器的条纹信号由不同的光电二极管检测。激光器产生的信号由过零检测电路处理，该电路产生脉冲，用于“计时”低相干源产生的信号的模数（A/D）转换。***旦低相干条纹信号被数字化，它就会在软件中解调，并实时计算和显示光学厚度。

(文章来源于仪器网)