一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚法制造技术

本发明专利技术公开了一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚法，首先让宽带光源

【技术实现步骤摘要】
一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚法


[0001]本专利技术涉及精密测量领域，具体涉及一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚法
。

技术介绍

[0002]精密制造业的不断发展，对精密测量技术要求越来越高，如各种光学元件上所镀光学薄膜的厚度
、
液晶显示器制造过程中不同功能膜层的厚度等，采用如游标卡尺
、
千分尺等传统的高精度测量工具已经无法满足测量精度要求
。
因此实现对光学材料厚度的高精度测量，对其生产和应用具有重要的意义
。
[0003]光谱共焦位移传感器是一种新型的具有高精度和高稳定性的非接触光电式位移传感器，该方法于
1995
年由法国
STIL
公司提出，至今仍然是全球范围内公认的一种准确可靠的非接触式距离和厚度测量方法，该方法通过获得峰值波长与材料厚度间的对应关系，得到材料的几何厚度，即真实的厚度；谱域光学相干层析则是
1995
年
Fercher
等人提出的新一代
OCT
方法，该方法通过提取光谱信号傅里叶变换后干涉信号的幅频特性，根据信号的幅值信息，获得材料的光学厚度，再结合材料的折射率，便可得出几何厚度
。
[0004]而上述光谱共焦和谱域光学相干层析的方法存在缺陷，即无法实现材料厚度与折射率的同时测量
。2017
年
Boettcher
等人提出将光谱共焦与谱域光学相干层析相结合的方法，即彩色共焦相干层析
(Chromatic Confocal Coherence Tomography
，
CCCT)
，通过光纤式的测量系统，在无需知道材料折射率的情况下，实现厚度和折射率的同时测量
。
其中存在一个问题：如图1所示，在对干涉信号进行傅里叶变换过程，由于共焦镜头的引入，导致干涉信号未共焦区域信噪比极低，对干涉光谱进行傅里叶变换，光谱间隙的存在会导致的旁瓣效应非常严重，因此实际测量分辨率不高
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚法，用以解决目前方法光谱间隙导致的测量分辨率受限问题
。
[0006]为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚系统，包括：
[0008]彩色共焦探头
、
光谱共焦位移传感器
、
宽带光源
、
光纤耦合器
、
衍射光栅
、CCD
相机；彩色共焦探头下方设置有样品面，用于放置待测光学材料；光谱共焦位移传感器下方设置有与样品面对应的参考面；将彩色共焦探头至样品台的光路作为样品臂
S
，，将光谱共焦位移传感器至参考面的光路作为参考臂
R
；
[0009]所述光谱共焦位移传感器包括凸透镜
L1、L2
，衍射光栅的两侧分别设置凸透镜
L3、L4
；其中，
L1
和
L3
用于对光线进行准直，
L2
和
L4
对准直之后平行入射的光线进行聚焦；
[0010]光纤耦合器的左右侧各具有两个端口，左侧的两个端口分别连接彩色共焦探头以及光谱共焦位移传感器，右侧的两个端口分别连接宽带光源
LS
以及导光光纤
。
[0011]进一步地，所述系统的工作过程为：
[0012]首先让宽带光源
LS
产生的光经过光纤耦合器后，以预设比例通过左侧的两个端口分别耦合到参考臂和样品臂
S
，经过样品面和参考面散射后回到光纤耦合器产生干涉，最后通过导光光纤经过凸透镜
L3
照射到衍射光栅
G
；衍射光栅
G
将干涉信号根据波长的不同，以不同的角度通过凸透镜
L4
后衍射到
CCD
相机镜头的不同位置，最终被
CCD
相机的感光元件所捕获到，之后通过计算机进行测厚处理
。
[0013]进一步地，光通过折射率为
n2的待测光学材料，其光学厚度
d
int
可以表示为：
[0014]d
int
＝
d
×
n2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]其中，
d
int
为光学材料的光学厚度，
d
光学材料的其几何厚度，
n2光学材料的折射率
。
[0016]一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚法，包括：
[0017]步骤1，对利用测量光路系统针对待测光学材料获取的干涉信号进行低通滤波，通过滤波后信号相邻峰值之间的距离，得到共焦厚度
d
conf
；
[0018]步骤2，通过自适应参数谱估计方法，可获得高精度的待测光学材料的光学厚度
d
int
；
[0019]步骤3，根据共焦厚度
d
conf
和光学厚度
d
int
，再结合彩色共焦探头的数值孔径
NA
，联合上述结果，根据下式可以求出材料的几何厚度
d
，进而根据公式
(1)
求出折射率
n2：
[0020][0021]进一步地，所述自适应参数谱估计方法，包括：
[0022]Step 1
，由公式
(10)
求得参数向量作为初始迭代值，下标
l
表示第
l
个频率点，上标0表示第0次迭代；
[0023][0024]上式中的上标
T
表示矩阵转置，
A
l
为频率点
f
l
处的系数矩阵，
I(n)
表示干涉信号；
[0025]Step 2
，由公式
(12)
求得协方差矩阵
Γ
κ
，上标
κ
表示第
κ
次迭代；
[0026][0027]其中，
Q
l
为
f
l
对应的协方差矩阵，为谱峰频率处的幅频，
A
p
为谱峰频率处的系数矩阵，
p
表示谱峰所在频率点为第
p
个，
L
为干涉幅频中频率点的总数；
[0028]Step 3
，由公式
(14)
求得最优参数向量上标
κ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚系统，其特征在于，包括：彩色共焦探头
、
光谱共焦位移传感器
、
宽带光源
、
光纤耦合器
、
衍射光栅
、CCD
相机；彩色共焦探头下方设置有样品面，用于放置待测光学材料；光谱共焦位移传感器下方设置有与样品面对应的参考面；将彩色共焦探头至样品台的光路作为样品臂
S
，将光谱共焦位移传感器至参考面的光路作为参考臂
R
；所述光谱共焦位移传感器包括凸透镜
L1、L2
，衍射光栅的两侧分别设置凸透镜
L3、L4
；其中，
L1
和
L3
用于对光线进行准直，
L2
和
L4
对准直之后平行入射的光线进行聚焦；光纤耦合器的左右侧各具有两个端口，左侧的两个端口分别连接彩色共焦探头以及光谱共焦位移传感器，右侧的两个端口分别连接宽带光源
LS
以及导光光纤
。2.
根据权利要求1所述的自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚系统，其特征在于，所述系统的工作过程为：首先让宽带光源
LS
产生的光经过光纤耦合器后，以预设比例通过左侧的两个端口分别耦合到参考臂和样品臂
S
，经过样品面和参考面散射后回到光纤耦合器产生干涉，最后通过导光光纤经过凸透镜
L3
照射到衍射光栅
G
；衍射光栅
G
将干涉信号根据波长的不同，以不同的角度通过凸透镜
L4
后衍射到
CCD
相机镜头的不同位置，最终被
CCD
相机的感光元件所捕获到，之后通过计算机进行测厚处理
。3.
根据权利要求1所述的自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚系统，其特征在于，光通过折射率为
n2的待测光学材料，其光学厚度
d
int
可以表示为：
d
int
＝
d
×
n2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
其中，
d
int
为光学材料的光学厚度，
d
光学材料的其几何厚度，
n2光学材料的折射率
。4.
一种自适应参数谱估计的高分辨光谱共焦干涉薄膜测厚法，其特征在于，包括：步骤1，对利用测量光路系统针对待测光学材料获取的干涉信号进行低通滤波，通过滤波后信号相邻峰值之间的距离，得到共焦厚度
d
conf
；步骤2，通过自适应参数谱估计方法，可获得高精度的待测光学材料的光学厚度
d
int
；步骤3，根据共焦厚度
d
conf
和光学厚度
d
int
，再结合彩色共焦探头的数值孔径
NA
，联合上述结果，根据下式可...

【专利技术属性】
技术研发人员：王准，董博，白玉磊，何昭水，谢胜利，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：