共焦白光偏振干涉的多层透明介质厚度测量装置和方法与流程

本发明属于白光干涉测厚领域，更具体地，涉及共焦白光偏振干涉的多层透明介质厚度测量装置和方法。

背景技术：

在光学测量领域中，基于干涉原理的测量系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一，现代的干涉计量与测试技术己经能够达到一个波长的几百分之一的测量精度。而其中常用的白光干涉技术的原理是在1975年一经提出，便广泛的应用于光传输和光传感测量技术中。1984年，人们研制出了第一个功能完善的基于白光干涉技术的位移传感测量系统；19世纪80年代，白光干涉仪是直接在传统的干涉仪上改进添加白光光源的，如麦克尔逊(Michelson)干涉仪，法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪。1990年后，由于计算机、电子通信技术的飞速发展，白光干涉技术与计算机相结合，形成了新的数字化白光干涉技术测量方法，人们也越来越多的认识到白光干涉技术的优点。白光干涉仪输出的干涉条纹的特征是有一个主极大值，它与零光程差位置相对应，称为中心条纹；中心条纹位置为测量提供了一个可靠的绝对位置参考，根据该位置可获得被测物理量的绝对值。正是由于白光干涉这一显著有点，对其的研究和应用也十分广泛。比如：利用白光干涉的绝对测量的特性测量位移距离；利用扫描白光干涉技术测量物体表面三维形貌；利用白光干涉技术测量应变、压力温度等物理量，建筑结构、石化工业环境噪声等。

20世纪90年代逐步发展而成的光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography)是一种新的三维层析成像技术，该成像模式的核心部件包括宽带光源、迈克尔逊干涉仪和光电探测器。OCT基于低相干干涉原理获得深度方向的层析能力，通过扫描可以重构出生物组织或材料内部结构的二维或三维图像，主要是用于生物医学方面。但现有OCT都使用SLED光源和光纤干涉系统，只能实现时域干涉，最终结果是时间和光强的关系，没有显示干涉条纹，通过光强定位干涉条纹中心，从而对于该干涉条纹的中心定位精度不高，远低于白光干涉技术的定位精度。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了共焦白光偏振干涉的多层透明介质厚度测量装置和方法，通过反射镜和可旋转偏振片的设置，同时利用白光干涉和共焦技术，以此实现空域干涉，由此解决了白光干涉条纹对比度不高、定位不高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了共焦白光偏振干涉的多层透明介质厚度测量装置，该测量装置包括光源，第一小孔、第一透镜，第二棱镜和第三透镜，其特征在于：

所述光源、所述第一小孔、所述第一透镜、所述第二棱镜和所述第三透镜的中心均在同一光轴上，其中，所述第一小孔设置在所述第一透镜的前焦平面上，用于确保从光源发出的光穿过第一小孔后经第一透镜透射出去的光线为平行光，该平行光经所述第二棱镜后被分为沿水平方向透射的测量光束和沿竖直上方反射的参考光束，被测物的待测面设置在所述第三透镜的后焦面上，所述测量光束通过第三透镜汇聚在所述待测表面上，然后原路反射到所述第二棱镜上，接着被该第二棱镜向竖直下方反射出去；

所述第二棱镜的竖直上方依次设置有第三棱镜和倾斜的反射镜，所述反射镜和棱镜的水平方向上还相对设置有位移台，该位移台中设置有角锥棱镜，用于使所述参考光束横向偏移后照射到所述反射镜上，所述第二棱镜的竖直下方依次设置有第二透镜和第一棱镜，所述竖直方向设置的部件中心均在同一光轴上，所述参考光束经所述竖直上方设置的部件反射后被所述第二棱镜竖直向下透射出去；

所述第二透镜的后焦平面上设置有第二图像传感器或第二小孔中的任何一个，另外一个设置在所述第一棱镜水平方向的一侧，且其中心到所述第一棱镜中心的距离与所述第一棱镜中心到所述第二透镜中心的距离之和为所述第二透镜的焦距，所述第二小孔的后方设置有第一图像传感器，且所述第二小孔、所述第一图像传感器和所述第一棱镜的中心在同一光轴上，所述第二图像传感器用于显示所述测量光线和参考光线形成的光斑，所述第一图像传感器用于显示所述测量光线和参考光线形成的干涉条纹，通过测量该干涉条纹计算所需透明介质的厚度。

优选地，所述被测物、所述第三透镜、所述第二透镜和所述第二小孔构成共焦结构，用于消除反射背景光的干扰以提高所述干涉条纹的对比度。

优选地，所述第二棱镜和所述第一棱镜之间设置有可旋转偏振片，且其与所述第二棱镜和所述第二透镜同光轴，用于调节所述测量光束和参考光束的相对强度，以提高所述干涉条纹的对比度。

优选地，所述第二棱镜和被测物之间设置有第一波片，且该波片与所述第二棱镜同光轴，该波片优选采用1/4波片。

优选地，所述反射镜与所述位移台之间，或所述反射镜与所述第三棱镜之间设置有第二波片，该波片优选采用1/4波片或1/2波片中的一种。

优选地，第二和第三棱镜优选采用偏振分光棱镜，所述第一棱镜优选采用偏振分光棱镜和分束镜中的一种。

优选地，所述第一，第二和第三透镜都优选采用正透镜。

优选地，所述光源优选采用白光光源。

优选地，所述第二小孔的直径不小于所述参考光束光斑的半径、所述测量光束光斑的半径和所述测量光斑与所述参考光束光斑中心距三者之和。

按照本发明的另一个方面，共焦白光偏振干涉的多层透明介质厚度测量方法，其特征在于，该测量方法包括下列步骤：

(a)打开光源，通过调整第三透镜和被测物的位置使得测量光束聚焦在被测物的第一表面，同时使得第二图像传感器上的两个光斑直径大小一致，接下来调整反射镜的位置使得所述两个光斑的中心距与预设值相等；

(b)移动位移台使得第一图像传感器上出现干涉条纹，其中，通过调整偏振片的位置改变所述干涉条纹的对比度；

(c)记录此时所述位移台水平方向的位置L1,测量所述干涉条纹的零级条纹与预设参考坐标轴原点的距离d1，以及所述零级条纹与一级条纹的中心距e1；

(d)调整第三透镜的位置，并保持被测物位置不变，使得光束聚焦在被测物的第二表面，同时使得第二图像传感器上的两个光斑直径大小一致；重复步骤(b)和(c),记录和测量L2，d2，e2，并按照公式计算被测物的厚度。

优选地，在步骤(d)中，所述公式优选采用下列表达式，其中，λ为光源中心波长，n1为被测物的被测层内部折射率，H1为被测物第一表面到第二表面的厚度，

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过将被测物体表面、第三透镜、第二透镜、第二小孔构成共焦结构。以消除第三透镜非聚焦表面的反射背景光的干扰，特别是在测量被测物内层表面时，消除背景光，更容易得到内层表面的白光干涉条纹并提高条纹的对比度，适应于对多层膜的测量；

2、本发明中通过在测量仪器中增加可旋转偏振片，用于调节测量光束和参考光束的相对强度，参考光束的光强基本保持不变，而测量光束的光强随着被测面两边折射率差的减小反射回来的光线会越来越弱，特别是在测量被测物内层表面时，起到提高条纹对比度的作用；

3、本发明通过在竖直方向的第三棱镜上方设置倾斜的反射镜，得到空域的干涉条纹，调节反射镜使汇聚在第二图像传感器上的参考光束的光斑与测量光束的光斑并不完全重合，而是在横向有微小的合适偏离量Δ，由此形成了有限宽度的白光干涉条纹，反射镜调节的偏离量Δ同时也影响白光干涉条纹的宽度，可以得到合适的条纹宽度，以便与测量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量仪的测量装置和原理图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的第二图像传感器上形成的光斑；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的第一图像传感器上形成的干涉条纹。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-角锥棱镜 2-位移台 3-光源 4-第一小孔 5-第一透镜 6-可旋转偏振片 7-第一图像传感器 8-第二小孔 9-第二图像传感器 10-第一棱镜 11-第二透镜 12-第一波片 13-第三透镜 14-第二棱镜 15-第三棱镜 16-反射镜 17-第二波片 18-被测物的第一表面 19-被测物的第二表面 20-被测物的第三表面 21-参考光束形成的光斑 22-测量光束形成的光斑 23-第二图像传感器表面 24-零级条纹中心线 25-一级条纹中心线 26-参考坐标轴原点

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的测量仪的测量装置和原理图，如图1所示，光源3释放白光经过第一小孔4和第一透镜5后到第二棱镜14，第二棱镜14将该光束分为水平透射的测量光束和竖直向上反射的参考光束，测量光束水平向前传播经过第一波片12和第三透镜13后汇聚在被测物表面，然后原路反射回到第二棱镜14表面，参考光束竖直向上经第三棱镜15反射到角锥棱镜1上，经角锥棱镜1改变光路方向后平行反向反射到反射镜16上，反射镜16将参考光束反射经第三棱镜15后到第二棱镜14上，参考光束和测量光束以一微小夹角被第二棱镜14竖直向下反射，经可旋转偏振片6、第二透镜11和第一棱镜10，最后同时在第一图像传感器7和第二图像传感器9上形成干涉条纹和光斑，该装置中第二小孔8的直径不小于所述参考光束光斑的半径、所述测量光束光斑的半径和所述测量光斑与所述参考光束光斑中心距三者之和，在满足该条件的情况下尽可能小。

经过第二棱镜14后，一束作为测量光束经第三透镜13汇聚到被测表面，另一束作为参考光束经过多次反射后与从被测表面反射回来的测量光束发生干涉；测量时，通过移动测量光路中的第三透镜13，使测量光束分别对准被测物的第一表面、第二表面...第N表面，同时移动参考光路中的角锥棱镜1，使两光束始终保持等光程，通过角锥棱镜1的移动量和白光干涉条纹零级条纹的移动量就可以得到被测物第一层的厚度、第二层的厚度...第(N-1)层的厚度。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的第二图像传感器上形成的光斑；图3是按照本发明的优选实施例所构建的第一图像传感器上形成的干涉条纹。如图2和图3所示，将装置如图1所示方式连接，调整光路。使水平方向上依次设置的光源3、第一小孔4、第一透镜5、棱镜14、第一波片12、第三透镜13，中心均在同一直线上；使竖直上方依次设置的反射镜16、第三棱镜15、可旋转偏振片6、第二透镜11、第一棱镜10和第二图像传感器9，中心均在同一直线上。

确定反射镜16的位置。具体操作为：打开光源3，通过调整第三透镜13和被测物的位置使得测量光束聚焦在被测物的第一表面18，同时使得第二图像传感器9上的两个光斑直径大小一致；旋转反射镜16，使第二图像传感器9上两个光斑的中心距达到合适的值Δ，而此时第二图像传感器9上所形成的白光干涉条纹的条纹间隔大小合适(例如：条纹间隔在20个像素左右)，固定此时反射镜16的位置。

记录此时所述位移台水平方向的位置L1,测量所述干涉条纹的零级条纹中心与预设参考坐标轴原点的距离d1，以及所述零级条纹中心与一级条纹中心的距离e1；

移动第三透镜13，使测量光束汇聚在被测物的第二个表面19，重复上述步骤，得到测量光束和参考光束再次等光程时位移台的位置L2、干涉条纹的零级条纹中心与预设参考坐标轴原点的距离以及零级条纹中心与一级条纹中心的距离e2。白光光源中各波长光的干涉亮条纹都重合，条纹呈白色，称之为零级条纹。零级条纹两侧对称分布的两个条纹称之为一级条纹。

如果参考光束和测量光束光强相差太大，此时可以旋转偏振片6到合适的位置，使两束光光强大致相同，得到对比度较高的白光干涉条纹。

因此根据公式(1)，在已知被测物第一层内部折射率n1的情况下即可算出被测物第一层的厚度H1。

其中：λ为白光光源中心波长。

同理，理论上根据此种测量方法可以计算出被测物第二层、第三层...第(N-1)层的厚度H2、H3...Hn-1。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。