F-P传感器探头、绝对距离测量装置及方法

f-p传感器探头、绝对距离测量装置及方法
技术领域
1.本公开涉及非接触式绝对距离测量技术领域，尤其涉及一种f-p传感器探头、绝对距离测量装置及方法。


背景技术：

2.非接触式绝对距离测量广泛应用于精密工件台定位、焦面位置检测、超光滑表面形貌检测、台阶高度检测等。尤其在半导体工艺中，采用光刻技术加工纳米图形时，需要对硅片焦面位置进行高精度实时监测，并反馈到工件台进行闭环控制；在近场光存储技术中，需要对近场光存储头盘间距进行高精度测量；在超光滑表面形貌检测技术中，需要对标准镜与待测表面之间的绝对距离进行实时监测；在零件几何尺寸检测中，需要对台阶轮廓进行精确测量。
3.目前常用的检测器具有激光三角反射传感器、光谱共焦传感器、激光位移传感器、电容传感器等。这些检测器具均可实现位移的高精度测量，但仅有光谱共焦传感器和电容传感器可实现绝对距离的直接测量，其他检测器具需要对初始位置进行标定才可实现绝对距离测量，且断光重复性差。并且，虽然光谱共焦传感器的断光重复性较好，单测量分辨率低，电容传感器易受寄生电容影响且热漂移影响明显。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本公开提供了一种光纤f-p(法-珀)传感器探头结构、绝对距离测量装置及方法。
5.本公开的第一方面提供了一种f-p传感器探头，包括第一n+1芯多模光纤头、光纤套筒、成像镜组和标准镜，其中：沿f-p传感器探头向样品的方向，所述光纤套筒内部依次固定有所述第一n+1芯多模光纤头、成像镜组和标准镜；所述第一n+1芯多模光纤头包括n根第一多模光纤和1根第二多模光纤，n≥2，所述n根第一多模光纤围绕所述第二多模光纤排布。
6.根据本公开的实施例，在所述样品表面的反射率≥40％时，所述f-p传感器探头还包括窗口膜层，所述窗口膜层附着于所述标准镜表面。
7.根据本公开的实施例，所述窗口膜层为透过率40％
±
5％、反射率15％
±
5％的金属膜层，优选地，所述金属膜层包括厚度为4～8nm的金属铬层。
8.根据本公开的实施例，所述标准镜为厚度≥5mm且表面面形pv≤λ/20的石英玻璃，λ为干涉仪测量标准镜面形的波长。
9.根据本公开的实施例，所述第二多模光纤设置于所述第一n+1芯多模光纤头的中心位置，n根所述第一多模光纤围绕所述第二多模光纤呈环状等间距δd1排布。
10.根据本公开的实施例，n根所述第一多模光纤均与所述第二多模光纤呈相切关系。
11.根据本公开的实施例，所述第一多模光纤的芯径d1和第二多模光纤的芯径d2均为标准芯径，且d2≥d1；相邻两根所述第一多模光纤的间距δd1满足0≤δd1≤d1/2。
12.根据本公开的实施例，所述第一多模光纤的数量根据以下公式来确定：
[0013][0014]
其中，n为所述第一多模光纤的数量。
[0015]
本公开的第二方面提供了一种应用上述f-p传感器探头的绝对距离测量装置，包括：f-p传感器探头、f-p传感器连接头、第二n+1芯多模光纤、1
×
2光纤耦合器、n芯多模光纤、单芯多模光纤、照明光纤连接头、接收光纤连接头、照明光源和解调系统；其中，f-p传感器探头的所述第一n+1芯多模光纤头连接至所述f-p传感器连接头；所述f-p传感器连接头远离所述f-p传感器探头的一端依次连接有所述第二n+1芯多模光纤和1
×
2光纤耦合器的第一端，所述1
×
2光纤耦合器的第二端分别连接至n芯多模光纤和单芯多模光纤；所述n芯多模光纤连接至照明光纤连接头，所述单芯多模光纤连接至接收光纤连接头，所述照明光纤连接头连接至照明光源，所述接收光纤连接头连接至解调系统，所述照明光源用于发出光源，所述解调系统用于求解出样品与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0016]
根据本公开的实施例，所述f-p传感器探头中的第一多模光纤与所述照明光纤连接头相连；所述f-p传感器探头中的第二多模光纤与所述接收光纤连接头相连。
[0017]
根据本公开的实施例，所述照明光源包括卤素灯光源、led、sld、超连续谱激光光源；所述解调系统包括光谱仪、光纤f-p解调仪，用于获取和解析不同距离下的干涉光强信号。
[0018]
本公开的第三方面提供了一种应用上述绝对距离测量装置的绝对距离测量方法，包括以下步骤：输入光通路，照明光源发出的光耦合进入照明光纤连接头所在支路，通过第一n+1芯多模光纤头中的n根第一多模光纤出射后进入所述f-p传感器探头，然后会聚在标准镜和样品之间的空气间隙；反射光通路，光线经标准镜和样品表面反射后再次经过所述f-p传感器探头，通过第一n+1芯多模光纤头中的第二多模光纤进行第二次会聚，最后到达接收光纤连接头；距离求解模块，对接收光纤连接头接收到的光信号进行解析，求解出样品与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0019]
根据本公开的实施例，所述输入光通路具体包括以下步骤：照明光源发出的光耦合进入照明光纤连接头，然后依次经过n芯多模光纤、1
×
2光纤耦合器和第二n+1芯多模光纤到达f-p传感器探头，由第一n+1芯多模光纤头中的n根第一多模光纤出射后，依次透过成像镜组、标准镜后，在标准镜和样品之间的空气间隙内进行第一次会聚。
[0020]
根据本公开的实施例，所述反射光通路具体包括以下步骤：经标准镜和样品表面反射的光依次透过标准镜和成像镜组后，在第一n+1芯多模光纤头中的第二多模光纤进行第二次会聚，并耦合进入第二多模光纤；携带了空气间隙绝对距离信息的光信号依次经过第二n+1芯多模光纤、1
×
2光纤耦合器和单芯多模光纤后到达接收光纤连接头。
[0021]
根据本公开的实施例，所述距离求解模块具体包括以下步骤：由解调系统接收并对该光信号进行解析后，得到标准镜与样品之间的空气间隙的厚度，从而求解出样品与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0022]
根据本公开的实施例，所述样品与f-p传感器探头之间的绝对距离采用以下操作来求解：根据平行平板多光束干涉原理，将标准镜和样品视为一个f-p腔，计算所述f-p腔的反射系数；根据所述反射系数，计算所述f-p腔的模拟反射率，建立空气间隙在不同厚度下
的对应f-p腔的模拟反射率的模型库；计算所述f-p腔的实测反射率；将所述实测反射率与所述模型库中的多个模拟反射率进行互相关运算，将相关性最高的模拟反射率对应的空气间隙的厚度确定为样品与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0023]
根据本公开的实施例，所述f-p腔的反射系数根据以下公式来计算：
[0024][0025]
式中，s，p分别表示s波和p波；表示对应于t波的标准镜与空气间隙界面处的反射系数；表示对应于t波的空气间隙与样品界面处的反射系数；δ1表示光在标准镜和空气间隙中由于光程变化所引起的相移；表示对应于t波的f-p腔的反射系数；
[0026]
具体地，根据以下公式来计算：
[0027][0028][0029]
式中，n0、n1、n2分别表示标准镜、空气间隙和样品的折射率；θ0、θ1分别表示所述第一多模光纤发出的入射光在标准镜下表面的入射角度和折射角度；θ2表示入射光在样品上表面的折射角度；分别表示光束斜入射的情况下，在折射率为n
m-1
和nm的两介质分界面上，s波和p波的反射系数。
[0030]
根据本公开的实施例，所述δ1分别根据以下公式来计算：
[0031][0032]
其中，c1空气间隙的厚度；λ为测试光源发出的光谱波长。
[0033]
根据本公开的实施例，窗口膜层附着于所述标准镜表面，所述f-p腔的反射系数根据以下公式来计算：
[0034][0035]
式中，s，p分别表示s波和p波；表示对应于t波的标准镜与窗口膜层界面处的反射系数；表示对应于t波的窗口膜层与空气间隙界面处的反射系数；表示对应于t波的空气间隙与样品界面处的反射系数；δ1，δ2分别表示光在窗口膜层和空气间隙中由于光程变化所引起的相移；表示对应于t波的f-p腔的反射系数；
[0036]
具体地，根据以下公式来计算：
[0037][0038][0039]
式中，n0、n1、n2、n3分别表示标准镜、窗口膜层、空气间隙和样品的折射率；θ0、θ1分别表示所述第一多模光纤发出的入射光在窗口膜层上表面的入射角度和折射角度；θ2表示入射光在窗口膜层下表面的折射角度；θ3表示入射光在样品上表面的折射角度；分别表示光束斜入射的情况下，在折射率为n
m-1
和nm的两介质分界面上，s波和p波的反射系数。
[0040]
根据本公开的实施例，所述δ1，δ2分别根据以下公式来计算：
[0041][0042]
其中，c1，c2分别为窗口膜层和空气间隙的厚度；λ为测试光源发出的光谱波长。
[0043]
根据本公开的实施例，所述f-p腔的模拟反射率根据以下公式来计算：
[0044][0045]
其中，r
sim
表示f-p腔的模拟反射率；分别表示s波和p波的f-p腔的反射系数。
[0046]
根据本公开的实施例，所述f-p腔的实测反射率根据以下公式来计算：
[0047][0048]
其中，r
exp
表示f-p腔的实测反射率；i
sample
表示样品反射光强；i
dark
表示杂散光强；i
ref
表示参考光强；r
ref
表示反射率修正系数；
[0049]
具体地，r
ref
通过以下公式来计算：
[0050][0051]
其中，r
12
，t
12
分别表示标准镜的反射系数和透射系数；r
′
表示空气间隙与样品界面处的反射系数。
[0052]
根据本公开的实施例，窗口膜层附着于所述标准镜表面，所述f-p腔的实测反射率根据以下公式来计算：
[0053][0054]
其中，r
exp
表示f-p腔的实测反射率；i
sample
表示样品反射光强；i
dark
表示杂散光强；i
ref
表示参考光强；r
ref
表示反射率修正系数；
[0055]
具体地，r
ref
通过以下公式来计算：
[0056][0057]
其中，r
13
，t
13
分别表示窗口膜层的反射系数和透射系数；r
′
表示空气间隙与样品界面处的反射系数。
[0058]
与现有技术相比，本公开提供的f-p传感器探头、绝对距离测量装置及方法，至少具有以下有益效果：
[0059]
本公开基于光纤法-珀(f-p)干涉测量原理实现传感器探头与待测面之间绝对距离的测量，具有高精度、高分辨率、断光重复性好、非接触等特点，且无需标定即可实现绝对距离测量。
附图说明
[0060]
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
[0061]
图1示意性示出了根据本公开第一实施例的f-p传感器探头的整体图；
[0062]
图2示意性示出了根据本公开第二实施例的绝对距离测量装置的结构图；
[0063]
图3示意性示出了根据本公开第三实施例的绝对距离求解的流程图；
[0064]
图4示意性示出了根据本公开第四实施例的多层膜系结构的原理图；
[0065]
图5示意性示出了根据本公开第四实施例的绝对距离求解的流程图；
[0066]
图6示意性示出了根据本公开第三实施例的实测反射率与模拟反射率的光谱曲线对照图。
[0067]
【附图标记说明】
[0068]
1、f-p传感器连接头；2、照明光纤连接头；3、接收光纤连接头；4、第二n+1芯多模光纤；5、n芯多模光纤；6、单芯多模光纤；7、1
×
2光纤耦合器；8、样品；
[0069]
9、第一n+1芯多模光纤头；10、光纤套筒；11、成像镜组；12、标准镜；13、窗口膜层；14、样品反射光线；15、标准镜反射光线；16、第一多模光纤；17、第二多模光纤；18、空气间隙；
[0070]
19、入射光；20、标准镜反射光；21、样品反射光。
具体实施方式
[0071]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0072]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0073]
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可
以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
[0074]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0075]
实施例1
[0076]
图1示意性示出了根据本公开第一实施例的f-p传感器探头的整体图。
[0077]
如图1所示，本公开第一实施例提供了一种f-p传感器探头，包括第一n+1芯多模光纤头9、光纤套筒10、成像镜组11和标准镜12。该f-p传感器探头设置于样品8与f-p传感器连接头1之间，用于绝对距离测量。
[0078]
其中，沿f-p传感器探头向样品8的方向，光纤套筒10内部依次固定有第一n+1芯多模光纤头9、成像镜组11和标准镜12；第一n+1芯多模光纤头9包括n根第一多模光纤16和1根第二多模光纤17，n≥2，n根第一多模光纤16围绕第二多模光纤17排布。第一n+1芯多模光纤头9连接至f-p传感器连接头1。
[0079]
需要说明的是，通常标准镜12表面与光纤套筒10的外端面平齐，可以通过移动f-p传感器探头调节传感器与待测样品8之间的距离。但是，由于实际加工的精度的限制，导致无法做到标准镜12与光纤套筒10的绝对平齐，优选的，标准镜12表面凸出该光纤套筒10的外端面，确保样品8与标准镜12之间不会存在另一附加空气间隙，该附加空气间隙位于标准镜12表面与光纤套筒10端面之间，由于标准镜12凹进光纤套筒10的端面而产生。该附加空间间隙会影响传感器对所需测量的空气间隙18的值的测量准确度。
[0080]
本公开实施例中，样品8与标准镜12之间为待测距离的空气间隙18。在样品8表面的反射率≥40％时，f-p传感器探头还包括窗口膜层13，窗口膜层13附着于标准镜12表面，此时空气间隙18位于样品8与窗口膜层13之间。在测试中由于样品8的不同，具体为其反射率的不同，可将配套使用的标准镜分为带窗口膜层13的标准镜和不带窗口膜层13的标准镜，可根据样品8的实际情况对标准镜12进行更换。
[0081]
窗口膜层13附着在标准镜12表面，通常采用磁控溅射法制备，其光学参数需根据待测的样品8表面的反射率来决定。具体而言，如果样品8表面的反射率《40％，通常不需要窗口膜层13；如果样品8表面的反射率≥40％，通常窗口膜层13为透过率40％
±
5％、反射率15％
±
5％的金属膜层。优选地，该金属膜层例如可以包括厚度为4～8nm的金属铬层。
[0082]
本公开实施例中，标准镜12为厚度≥5mm且表面面形pv≤λ/20的石英玻璃，λ为干涉仪测量标准镜12面形的波长，具体是指用干涉仪测该石英玻璃的面形时干涉仪所用的波长。
[0083]
本公开实施例中，第二多模光纤17设置于第一n+1芯多模光纤头9的中心位置，n根第一多模光纤16围绕第二多模光纤17呈环状等间距δd1排布。
[0084]
进一步地，n根第一多模光纤16均与第二多模光纤17呈相切关系。
[0085]
通常，n根第一多模光纤16的芯径d1和1根第二多模光纤17的芯径d2均为标准芯径(例如：105/125μm，200/220μm等)，且d2≥d1。并且，为了实现连续的环形光照明，相邻两根第一多模光纤16的间距δd1满足0≤δd1≤d1/2。
[0086]
通常，第一多模光纤16的数量n可以由d1、d2和δd1决定，具体可以通过以下公式计
光纤耦合器7和第二n+1芯多模光纤4到达f-p传感器探头，由第一n+1芯多模光纤头9中的n根第一多模光纤16出射后，依次透过成像镜组11、标准镜12后，在标准镜12和样品8之间的空气间隙18内进行第一次会聚，参见附图1中的样品反射光线14。
[0103]
本公开实施例中，反射光通路具体包括以下步骤：
[0104]
光线经标准镜12和样品8表面反射后再次经过f-p传感器探头，参见附图1中的标准镜反射光线15。通过第一n+1芯多模光纤头9中的第二多模光纤17进行第二次会聚；
[0105]
携带了空气间隙18绝对距离信息的光信号依次经过第二n+1芯多模光纤4、1
×
2光纤耦合器7和单芯多模光纤6后到达接收光纤连接头3。
[0106]
本公开实施例中，距离求解模块具体包括以下步骤：由解调系统接收并对该光信号进行解析后，得到空气间隙18的厚度，即样品8与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0107]
以下对距离求解模块的具体求解过程进行详细说明。
[0108]
在上述步骤中的最后一步，标准镜12与样品8之间的空气间隙18的厚度求解采用基于平行平板的多光束白光干涉测量方法，可以建立多层膜系结构，该多层膜系结构包括由上至下设置的标准镜12、空气间隙18和样品8。
[0109]
其中，芯径d1的第一多模光纤16发出的入射光19到达标准镜12上、下表面，一部分直接反射后构成标准镜12的反射光20，另一部分透射后经空气间隙18到达样品8上表面，然后再次反射后到达标准镜12，构成样品反射光21，最终由芯径d2的第二多模光纤17接收。
[0110]
根据平行平板多光束干涉原理，标准镜12和样品8构成一个f-p腔。假设入射光19在标准镜12下表面的入射和折射角度分别为θ0和θ1，在样品上表面的折射角度为θ2，标准镜12、空气间隙18和样品8折射率分别为n0、n1、n2，分别表示光束斜入射的情况下，在折射率为n
m-1
和nm的两介质分界面上，s波和p波的反射系数。空气间隙18的厚度分别为c1。由此，建立完成多层膜系结构。
[0111]
基于上述建立的多层膜系结构，图3示意性示出了根据本公开第三实施例的绝对距离求解的流程图。
[0112]
如图3所示，本公开实施例中，在上述距离求解模块中，样品8与f-p传感器探头之间的绝对距离采用以下操作s410-操作s440来求解。
[0113]
在操作s410，根据平行平板多光束干涉原理，将标准镜12和样品8视为一个f-p腔，计算f-p腔的反射系数。
[0114]
本公开实施例中，f-p腔的反射系数可通过以下公式来计算：
[0115][0116]
式中，s，p分别表示s波和p波；表示对应于t波的标准镜12与空气间隙18界面处的反射系数；表示对应于t波的空气间隙18与样品8界面处的反射系数；δ1表示光在标准镜12和空气间隙18中由于光程变化所引起的相移；表示对应于t波的f-p腔的反射系数。
[0117]
具体地，根据以下公式来计算：
[0118][0119][0120]
式中，n0、n1、n2分别表示标准镜12、空气间隙18和样品8的折射率；θ0、θ1分别表示第一多模光纤16发出的入射光19在标准镜12下表面的入射角度和折射角度；θ2表示入射光19在样品8上表面的折射角度；分别表示光束斜入射的情况下，在折射率为n
m-1
和nm的两介质分界面上，s波和p波的反射系数。
[0121]
本公开实施例中，δ1分别通过以下公式来计算：
[0122][0123]
其中，c1为空气间隙18的厚度；λ为测试光源发出的光谱波长。
[0124]
在操作s420，根据反射系数，计算f-p腔的模拟反射率，建立空气间隙18在不同厚度下的对应f-p腔的模拟反射率的模型库。
[0125]
本公开实施例中，f-p腔的模拟反射率根据以下公式来计算：
[0126][0127]
其中，r
sim
表示f-p腔的模拟反射率；分别表示s波和p波的f-p腔的反射系数。
[0128]
结合上述公式可以建立空气间隙18在不同厚度c1下的对应f-p腔的模拟反射率r
sim
的模型库。
[0129]
在操作s430，计算f-p腔的实测反射率。
[0130]
本公开实施例中，f-p腔的实测反射率根据以下公式来计算：
[0131][0132]
其中，r
exp
表示f-p腔的实测反射率；i
sample
表示样品反射光强，通常是第二多模光纤17输出的携带了空气间隙18绝对距离信息的光强；i
dark
表示杂散光强，通常是直接被第二多模光纤17接收的杂散光强，包含环境杂散光、第一多模光纤16发出的光未经成像镜组11、标准镜12直接进入环境的光强；i
ref
表示参考光强，通常是标准镜12和样品8之间的空气间隙18大于f-p传感器探头的量程时，如量程的2.5倍，其具体值根据经验进行选择，这里不作限制，第二多模光纤17输出的光强；r
ref
表示反射率修正系数，通常是标准镜12和样品8之间的空气间隙18大于f-p传感器探头的量程时的反射系数。
[0133]
具体地，r
ref
通过以下公式来计算：
[0134][0135]
其中，r
12
，t
12
分别表示标准镜12的反射系数和透射系数；r
′
表示空气间隙18与样
品8界面处的反射系数。
[0136]
在操作s440，将实测反射率与模型库中的多个模拟反射率进行互相关运算，将相关性最高的模拟反射率对应的空气间隙18的厚度确定为样品8与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0137]
实施例4
[0138]
本公开第四实施例提供了一种应用上述第二实施例的绝对距离测量装置的绝对距离测量方法，此时，由于样品8表面的反射率≥40％时，f-p传感器探头还包括窗口膜层13，测量包括以下步骤：
[0139]
输入光通路，照明光源发出的光耦合进照明光纤连接头2所在支路，通过第一n+1芯多模光纤头9中的n根第一多模光纤16出射后进入f-p传感器探头，然后会聚在窗口膜层13和样品8之间的空气间隙18内；
[0140]
反射光通路，光线经窗口膜层13和样品8表面反射后再经过f-p传感器探头，通过第一n+1芯多模光纤头9中的第二多模光纤17进行第二次会聚，最后到达接收光纤连接头3；
[0141]
距离求解模块，对接收光纤连接头3接收到的光信号进行解析，求解出样品8与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0142]
本公开实施例中，输入光通路具体包括以下步骤：
[0143]
照明光源发出的光耦合进入照明光纤连接头2，然后依次经过n芯多模光纤5、1
×
2光纤耦合器7和第二n+1芯多模光纤4到达f-p传感器探头，由第一n+1芯多模光纤头9中的n根第一多模光纤16出射后，依次透过成像镜组11、标准镜12、窗口膜层13后，在窗口膜层13和样品8之间的空气间隙18内第一次会聚。
[0144]
本公开实施例中，反射光通路具体包括以下步骤：
[0145]
光线经窗口膜层13和样品8表面反射后再次经过窗口膜层13、标准镜12和成像镜组11后，在第一n+1芯多模光纤头9中的第二多模光纤17进行第二次会聚，并耦合进入第二多模光纤17；
[0146]
携带了空气间隙18绝对距离信息的光信号依次经过第二n+1芯多模光纤4、1
×
2光纤耦合器7和单芯多模光纤6后到达接收光纤连接头3。
[0147]
本公开实施例中，距离求解模块具体包括以下步骤：由解调系统接收并对该光信号进行解析后，得到标准镜12与样品8之间的空气间隙18的厚度，从而求解出样品8与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0148]
以下对距离求解模块的具体求解过程进行详细说明。
[0149]
图4示意性示出了根据本公开第四实施例的多层膜系结构的原理图。
[0150]
在上述步骤中的最后一步，窗口膜层13与样品8之间的空气间隙18的厚度求解采用基于平行平板的多光束白光干涉测量方法，可以建立如图4所示的多层膜系结构，该多层膜系结构包括由上至下设置的标准镜12、窗口膜层13、空气间隙18和样品8。
[0151]
其中，芯径d1的第一多模光纤16发出的入射光19经标准镜12到达窗口膜层13上、下表面，一部分直接反射后构成标准镜12的反射光20，另一部分透射后经空气间隙18到达样品8上表面，然后再次反射后经窗口膜层13到达标准镜12，构成样品反射光21，最终由芯径d2的第二多模光纤17接收。
[0152]
根据平行平板多光束干涉原理，窗口膜层13和样品8构成一个f-p腔。假设入射光
19在窗口膜层13上表面的入射和折射角度分别为θ0和θ1，在窗口膜层13下表面的入射和折射角度为θ1和θ2，在样品8上表面的入射和折射角度为θ2和θ3，标准镜12、窗口膜层13、空气间隙18和样品8折射率分别为n0、n1、n2和n3，标准镜12与窗口膜层13界面处的反射系数和透射系数分别为r1和t1，窗口膜层13与空气间隙18界面处的反射系数和透射系数分别为r2和t2，空气间隙18和样品8界面处的反射系数为r3，窗口膜层13和空气间隙18的厚度分别为c1和c2。由此，建立完成多层膜系结构。
[0153]
基于上述建立的多层膜系结构，图5示意性示出了根据本公开第四实施例的绝对距离求解的流程图。
[0154]
结合图4和图5所示，本公开实施例中，在上述距离求解模块中，样品8与f-p传感器探头之间的绝对距离采用以下操作s510-操作s540来求解。
[0155]
在操作s510，根据平行平板多光束干涉原理，将窗口膜层13和样品8视为一个f-p腔，计算f-p腔的反射系数。
[0156]
本公开实施例中，f-p腔的反射系数可通过以下公式来计算：
[0157][0158]
式中，s，p分别表示s波和p波；表示对应于t波的标准镜12与窗口膜层13界面处的反射系数；表示对应于t波的窗口膜层13与空气间隙18界面处的反射系数；表示对应于t波的空气间隙18与样品8界面处的反射系数；δ1，δ2分别表示光在窗口膜层13和空气间隙18中由于光程变化所引起的相移；表示对应于t波的f-p腔的反射系数。
[0159]
具体地，根据以下公式来计算：
[0160][0161][0162]
式中，n0、n1、n2、n3分别表示标准镜12、窗口膜层13、空气间隙18和样品8的折射率；θ0、θ1分别表示第一多模光纤16发出的入射光19在窗口膜层13上表面的入射角度和折射角度；θ2表示入射光19在窗口膜层13下表面的折射角度；θ3表示入射光19在样品8上表面的折射角度；分别表示光束斜入射的情况下，在折射率为n
m-1
和nm的两介质分界面上，s波和p波的反射系数。
[0163]
本公开实施例中，δ1，δ2分别通过以下公式来计算：
[0164][0165]
其中，c1，c2分别为窗口膜层13和空气间隙18的厚度；λ为测试光源发出的光谱波长。
[0166]
在操作s520，根据反射系数，计算f-p腔的模拟反射率，建立空气间隙18在不同厚度下的对应f-p腔的模拟反射率的模型库。
[0167]
本公开实施例中，f-p腔的模拟反射率根据以下公式来计算：
[0168][0169]
其中，r
sim
表示f-p腔的模拟反射率；分别表示s波和p波的f-p腔的反射系数。
[0170]
结合上述公式可以建立空气间隙18在不同厚度c2下的对应f-p腔的模拟反射率r
sim
的模型库。
[0171]
在操作s530，计算f-p腔的实测反射率。
[0172]
本公开实施例中，f-p腔的实测反射率根据以下公式来计算：
[0173][0174]
其中，r
exp
表示f-p腔的实测反射率；i
sample
表示样品反射光强，通常是第二多模光纤17输出的携带了空气间隙18绝对距离信息的光强；i
dark
表示杂散光强，通常是直接被第二多模光纤17接收的杂散光强，包含环境杂散光、第一多模光纤16发出的光未经成像镜组11、标准镜12及窗口膜层13直接进入环境的光强；i
ref
表示参考光强，通常是窗口膜层13和样品8之间的空气间隙18大于f-p传感器探头的量程时，(如量程的2.5倍，其具体值根据经验进行选择，这里不作限制)，第二多模光纤17输出的光强；r
ref
表示反射率修正系数，通常是窗口膜层13和样品8之间的空气间隙18大于f-p传感器探头的量程时的反射系数。
[0175]
具体地，r
ref
通过以下公式来计算：
[0176][0177]
其中，r
13
，t
13
分别表示窗口膜层13的反射系数和透射系数；r
′
表示空气间隙18与样品8界面处的反射系数。
[0178]
在操作s540，将实测反射率与模型库中的多个模拟反射率进行互相关运算，将相关性最高的模拟反射率对应的空气间隙18的厚度确定为样品8与f-p传感器探头之间的绝对距离。
[0179]
图6示意性示出了根据本公开第三实施例的实测反射率与模拟反射率的光谱曲线对照图。
[0180]
经过上述绝对距离求解的过程后，典型的模拟值(也即模拟反射率)和实测值(也即实测反射率)的光谱曲线如图6所示。可以看出，该模拟值无限逼近于实测值，说明本公开第三实施例提供的应用上述绝对距离测量装置的绝对距离测量方法，可以高精度的实现绝对距离测量。
[0181]
从以上的描述中，可以看出，本公开上述的实施例提供的f-p传感器探头、绝对距离测量装置及方法，至少实现了以下技术效果：
[0182]
本公开基于光纤法-珀(f-p)干涉测量原理实现传感器探头与待测面之间绝对距离的测量，具有高精度、高分辨率、断光重复性好、非接触等特点，且无需标定即可实现绝对
距离测量。
[0183]
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
[0184]
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
[0185]
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0186]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。除非另有说明，否则表述“大约”、“约”、“基本上”和“左右”表示在10％以内，优选地，在5％以内。
[0187]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。