雙頻激光測(cè)量薄膜厚度的自動(dòng)判讀技術(shù)研究

李 媛

（西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 光電信息系，陜西西安，710032）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)薄膜已廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)及大功率激光器系統(tǒng)。由于薄膜器件的大量使用，尤其在武器系統(tǒng)升級(jí)改造的過(guò)程中的廣泛使用，對(duì)薄膜性能的提升，膜系優(yōu)劣的評(píng)價(jià)，對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)提出了更高的要求。光學(xué)薄膜的厚度對(duì)薄膜元件整體性能的影響至關(guān)重要[1]。且薄膜厚度的精確測(cè)量也是光學(xué)薄膜參數(shù)測(cè)量的重要指標(biāo)之一，薄膜厚度的測(cè)量方法很多[2]，對(duì)于光學(xué)干涉法測(cè)量的方法因其無(wú)損性的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

1 薄膜厚度激光干涉測(cè)量

1.1 測(cè)量基本原理

采用干涉法識(shí)別條紋技術(shù)，測(cè)量薄膜厚度的基本測(cè)量原理是設(shè)法使被測(cè)厚度和干涉儀的光程差相聯(lián)系，再測(cè)出干涉儀光程差的變化量，從而得到被測(cè)厚度。其光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的等厚干涉條紋光強(qiáng)分布服從正弦規(guī)律,測(cè)量長(zhǎng)度計(jì)算的基本方程為

圖1為干涉儀測(cè)量的基本原理示意圖，將鍍有薄膜的基片放入測(cè)試光路中，選用兩種頻率的穩(wěn)頻激光器作為光源進(jìn)行照射時(shí)，在干涉儀的視場(chǎng)中可以看到兩組干涉條紋，一組產(chǎn)生于薄膜的上表面，另一組產(chǎn)生于鍍有薄膜的基片表面。由于投射到基片上的光線所經(jīng)過(guò)的光程要大于投射到薄膜表面的光線，因此兩組條紋見(jiàn)有一相對(duì)位移，它對(duì)應(yīng)兩部分光線的光程差，即被測(cè)長(zhǎng)度L的兩倍。通過(guò)兩組條紋的位移可以測(cè)出小數(shù)部分。

具體操作思路是，先預(yù)測(cè)薄膜樣片的厚度，要求預(yù)測(cè)精度優(yōu)于半個(gè)條紋（/4），對(duì)于632.8nm的He-Ne激光器來(lái)說(shuō)，就要求預(yù)測(cè)精度達(dá)到158.2nm，這樣的預(yù)測(cè)精度要求太高，特別對(duì)較厚的薄膜，是比較困難的[6]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用兩個(gè)較短的波長(zhǎng)合成一個(gè)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，即所謂等效波長(zhǎng)。具體的做法是，當(dāng)使用雙波長(zhǎng)測(cè)試時(shí)滿足：

圖1 干涉儀測(cè)量的基本原理示意圖

可見(jiàn)，被測(cè)厚度與合成波長(zhǎng)、干涉條紋整數(shù)部分及小數(shù)部分的關(guān)系與薄膜的測(cè)量公式相吻合，只要選擇波長(zhǎng)接近的兩個(gè)波長(zhǎng)就可以使合成的等效波長(zhǎng)比原來(lái)的兩個(gè)波長(zhǎng)大得多，這樣可以減小薄膜預(yù)測(cè)厚度的測(cè)量精度要求。

1.2 干涉條紋圖像處理

干涉條紋圖像的處理主要包括預(yù)處理和圖像細(xì)化兩大步驟。本文對(duì)圖像處理是基于濾波和二值化等預(yù)處理的條紋細(xì)化、條紋中心提取和干涉條紋小數(shù)部分計(jì)算。對(duì)于理想無(wú)噪聲的干涉條紋圖，可以直接對(duì)條紋圖進(jìn)行細(xì)化處理。但在實(shí)際干涉圖處理中，因?yàn)楣饴废到y(tǒng)中的某些器件、被測(cè)物本身的形狀缺陷或某些隨機(jī)因素如灰塵臟點(diǎn)等因素會(huì)遮擋干涉區(qū)域，會(huì)在干涉圖上形成高頻噪聲。利用一維快速傅立葉變換方法，對(duì)數(shù)據(jù)圖像逐行進(jìn)行FFT運(yùn)算，在頻域空間選擇適當(dāng)?shù)牡屯V波器將高頻隨機(jī)噪聲濾去。一般的一維光強(qiáng)表達(dá)式可寫(xiě)為：

(1)不破壞條紋圖像的連接性;

(2)保護(hù)條紋圖像的細(xì)節(jié)特征,不致引起條紋圖像的逐步吞食;

(3)細(xì)化條紋圖像過(guò)程中,一個(gè)條紋線為一個(gè)像素點(diǎn)寬,故應(yīng)使細(xì)化條紋盡可能接近中心線;

(4)細(xì)化過(guò)程逐點(diǎn)進(jìn)行,要求迭代次數(shù)盡可能少,以便縮短時(shí)間。

一幅圖像的區(qū)域3*3,對(duì)各點(diǎn)標(biāo)記為P1,P2,…, P9,其中P位于中心。如果P1=1(即黑點(diǎn),目標(biāo)點(diǎn)),那么下面4個(gè)條件同時(shí)滿足,則刪除P1(P1=0),Z(P1)表示P1的8鄰域像素點(diǎn)逆時(shí)針?lè)较驈?到1的變換次數(shù)。

對(duì)圖像中的每一黑點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行此步驟，直到所有的像素點(diǎn)都不可刪除，其處理后的結(jié)果如圖所示。

1.3 干涉條紋小數(shù)部分的確定

干涉條紋圖樣細(xì)化后，就可以求取干涉條紋小數(shù)部分。干涉條紋小數(shù)部分的測(cè)量,就是被測(cè)薄膜測(cè)量面中心與基底測(cè)量面上在其左邊相鄰的那一根干涉條紋之間的距離與被測(cè)薄膜基底上兩干涉條紋之間的間隔之比。實(shí)驗(yàn)中采用兩種波長(zhǎng)(632.8nm和543nm) 進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于得到的小數(shù)，使用貝塞爾法評(píng)定單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度式中，表示在等精度測(cè)量下作次獨(dú)立測(cè)量時(shí)第次測(cè)得的結(jié)果是次獨(dú)立測(cè)量結(jié)果的平均值。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 薄膜樣片測(cè)量結(jié)果

表2 薄膜樣片的厚度

圖2 原始干涉條紋

圖3 細(xì)化后的干涉條紋

由表1中得到的干涉條紋小數(shù)部分代入等效式中，可以求出被測(cè)薄膜的厚度值，結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)論

本文采用雙頻激光干涉技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量薄膜厚度標(biāo)準(zhǔn)中條紋圖的處理，提高了讀數(shù)分辨率和測(cè)量效率。突破了單頻激光時(shí)只能測(cè)試不大于激光半波長(zhǎng)（/2）的薄膜厚度，結(jié)果表明，測(cè)試精度高，可以獲得小于1nm的精度，并且測(cè)試可靠。這在高精度干涉法測(cè)量薄膜厚度技術(shù)上是一個(gè)新的進(jìn)展。

[1]馬成,徐磊.改進(jìn)的邁克爾遜干涉儀測(cè)量薄膜厚度[J].光學(xué)儀器,2012.2,34(1):85-90.

[2]蘇寶璽,楊文琴,吳榮琴.幾種常用光學(xué)方法測(cè)量薄膜厚度設(shè)計(jì)[J],長(zhǎng)春師范大學(xué)學(xué)報(bào),2014.8,33(4):29-32.

[3]蘇俊宏.雙波長(zhǎng)激光干涉移相式測(cè)量長(zhǎng)度技術(shù)研究[J].紅外與激光工程,2003.8,32(4):359-363.