旋转斜细光束的薄透明层厚度的干涉测量方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于干涉法测量技术领域，本发明专利技术包括以下步骤：１）将一细光束斜入射待测点处；２）旋转所说光束改变入射角为θ↓［ｉｔｎ］；３）记录出一系列干涉光强极值所对应的斜入射角θ↓［ｉｔｎ］；４）利用干涉极值条件方程计算出薄透明层厚度ｄ。该方法不但使测量的分辨率和精密度有较大的提高，避免或降低了测量信号中的直流成分和其他干扰信号的影响，而且使其测量装置结构简单，可选用价格较低的部件，体积小，重量轻，利于在线测量。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于干涉法测量
，特别涉及对薄透明层厚度的测量方法的改进。在薄膜工业中对薄膜厚度的在线精密测量是控制薄膜厚度、保证产品质量的重要手段；自液晶显示器问世以来，生产TN、STN等LC盒的工艺发展迅猛，显示质量的一个重要因素，就是控制和测量盒厚，即对两厚透明层之间的空气薄层厚度进行在线测量。目前，适用于1μm以上，几十μm以下LC盒的厚度的测量除较难实现的光谱扫描法之外主要有以下两种方法第一种方法是采用分束干涉法，其原理如附图说明图1所示，将白光11经半透半反镜12照射到被测试样品13(厚度为d，折射率设为n)上，白光在样品的表面和背面反射，两束反射光有一相当于在样品内部往复光程(2nd)的光程差。使这些反射光顺序透过偏振片14、渥拉斯顿棱镜15、偏振片16进行观察，两反射光束互相经棱镜双折射，其波阵面在前进方向的两侧只偏离一定的角度±φ，如图所示有4种干涉条纹在棱镜内部显现。中央干涉条纹常在一定的位置显现，左右干涉条纹对应样品厚度d分别向横向移动。干涉条纹从中央移开的距离y为y＝n·d/(ne-no)tanθ(1)式中，no、ne为棱镜的寻常光和非常光的折射率，θ为棱镜的顶角。结果，可由干涉条纹测出y值，求出(nd)，在折射率n已知时便能求出厚度d。用显微镜的物镜使干涉条纹和样品的象都在同一平面上成象，再用电视摄像机摄影显示在监视器17的电视画面上。同时检出经左右方向扫描干涉条纹图象取出的信号，将干涉条纹转换成包络线信号，再作数字处理就得到其光学厚度。因此，预先指定折射率n的值，微型计算机就自动运算，并将被测样品的厚度d以μm为单位显示在画面上。这种方法的条纹对比度较差，测量精密度相对较差，一般为0.1μm上下，条纹质量不高限制了条纹细分精度。典型的仪器有干涉膜厚度测量仪TM-230N(日本佳能公司制造)。国内也有此类仪器的研制产品。第二种方法是采用宽光束入射旋转样品法，在这种方法中，一宽光束入射在LC盒上，测量以旋转角为函数的反射率和透射率，旋转轴垂直于入射光方向，光路示意图如图2所示固定光源21发出的较宽光束经起偏器22后，射到放置于转台23上的被测样片24上，透射光经检偏器25后，由光电接收器26接收，转台23的驱动角度测量由部件27完成，测量结果由部件28给出。旋转样片直接测入射角的旋转干涉法，用宽光束，国外已有产品，液晶参数综合测试仪产品中盒厚测量部件的旋转角分辨率约为0.1度。该方案的不足之处有大样品时不便或不能旋转，适用于小尺寸样品；变换测量点困难；较宽光束对精细控制不利(有平均效应)；大转台实现高准确度的转角测量实施成本较高等。本专利技术的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一旋转斜细光束的干涉法，该方法不但使测量的分辨率和精密度有较大的提高，避免或降低了测量信号中的直流成分和其他干扰信号的影响，而且使其测量装置结构简单，可选用价格较低的部件，体积小，重量轻，利于在线测量。本专利技术提出一种旋转斜细(激光)光束的薄透明层厚度的干涉测量方法，其特征在于包括以下步骤1)将一细束以入射角为θi斜入射至薄透明层的待测点处；2)旋转所说光束改变入射角为θitn并使待测点位置基本不变；3)接收从待测点处反射的干涉光束，记录出一系列干涉光强极值所对应的斜入射角θitn；4)利用干涉极值条件方程计算出薄透明层厚度d；所说的待测点光束直径ω与最小斜入射θmin满足不等式θmin>0.6ω·nDD,]]>其中nD为薄层上表面外材料的折射率，D为被测薄层外的两厚透明层中较薄部分的厚度。上述的第一、二步骤的实现方法可采用在所说的斜入射光束路径上设置一大相对孔径的长焦距透镜，所说的待测点位于透镜焦平面上主光轴(附近)处，平移所说的细光束，测出干涉光强极值所对应的光束平移量χitn，计算出对应的斜入射角θitn。所说的反射相干光束路径上还可设置一成像光学元件及一光栏，使所说的反射干涉光束成像在所说光栏之中。本专利技术采用旋转细激光束31以改变斜入射角的方法，如图3所示使薄层被测点处光束直径为某一较小的值ω(如ω＝0.2mm)，且斜入射角θ大于某一定值θmin>0.6ω·nDD]]>(单位rad，式中的ω、D单位均为mm；薄层32界于两厚度最小值为D、折射率为nD的平行平板33之间)；以保证被测薄层两界面的反射光束能发生干涉，且使反射的干涉光束34和可能存在的两厚透明层(如LCD的透明厚玻璃基板)外表面的反射光束35，36在空间上能完全分开。例如ω≈0.2，D＝0.5，nD＝1.5时只要θmin＞14℃。要使最大扫描角θmax时干涉光束的干涉信号对比度较高，需使被测薄层上下两表面的首次反射光束在上表面附近大部分能重合(如径向K％能重合)，因此要求薄层附近的光束直径ω还需满足以下不等式ω≥2d(1-K%)nd,]]>式中nd是被测薄层的折射率。如d≈0.015mm，nd≈1，K％＝70％时，只需ω＞0.1mm。如果取ω＝0.2mm，则被测薄层上下两表面的首次反射光束径向重合的部分大于85％。本专利技术的一种改进方法如图4所示，可平行移动的较细的激光束41，经过大相对孔径(例如D/f＞1/2)的焦距f较长的透镜42(如f＝90mm，f/D＝2，光轴与平移光束平行)，会聚于透镜焦平面上P点，形成一小束腰(直径ω)，薄层43的被测区域也位于(等效)焦平面附近，以保证被测点基本不动；用高准确度位移测量装置测出平移光束中心位置χ，用于精确定出对应的会聚斜光束入射角θ。用成像光学元件(如焦距较短的透镜)44使经薄层被测点的反射光束成像在光栏45内，光栏直径的选取使(可能存在的))两厚透明层外表面反射来的光束被挡在光栏之外。光栏后用光电探测器或直接用目测量光干涉信号的强度I。先准确测出两个或一系列干涉光强极值所对应的平移光束中心的位置χi，接着由两个或多个χi值准确算出对应的斜入射角θi的值(需要修正长焦透镜像差及其它因素的影响)；最后利用干涉光强极值条件方程2(ndd)COSθi＝kiλ计算出薄透明层的厚度d来(方程中nd是薄层的折射率，ki是整数或半整数)。由多个χi值计算时可用最小二乘法以减小测量的A类不确定度。本专利技术适用于1μm以上、几十μm以下的薄透明层厚度的精密测量，尤其适用于两厚透明板之间的不同折射率薄层厚度测量，如LCD器件制造过程中的盒厚(cell gap)在线精密测量，也适用于其它透明层厚度的精密测量。本专利技术有如下特点第一，用本专利技术的方法制造的仪器比采用光谱扫描法或分束干涉法的现有仪器的方法测量分辨率和精密度都较高，装置也较简单。因为一般光谱扫描法的装置复杂，其分光输出的相对线宽与波长相对不确定度都难达到较小的水平，因为输出线宽和光强的要求互相制约。分束干涉法的静态条纹细分的准确度受到对比度等的限制，其测量分辨率很难提高。本方法中，对应角度量的位移测量的相对标准偏差容易达到很小的数值，可用光电装置测量动态条纹使确定光强极值位置分辨率提高，并可能采用最小二乘法等方法作数据处理，因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转斜细光束的薄透明层厚度的干涉测量方法，其特征在于包以下步骤：１）将一细光束入射角为θ↓［ｉ］斜入射至薄透明层的待测点处；２）旋转所说光束改变入射角为θ↓［ｉｔｎ］并使街测点位置基本不变；３）接收从待测点处反射的干涉光束， 记录出一系列干涉光强极值所对应的斜入射角θ↓［ｉｔｎ］；４）利用干涉极值条件方程计算出薄透明层厚度ｄ；所说的待测点光束直径ω与最小斜入射θ↓［ｍｉｎ］满足不等式：θ↓［ｍｉｎ］＞０．６ω.ｎ↓［Ｄ］／Ｄ，其中ｎ↓［Ｄ］为薄层，上表面 外材料的折射率，Ｄ为被测薄层外的两厚透明层中较薄部分的厚度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鹤年，张百哲，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]