[发明专利]一种双路白光干涉差动测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种双路白光干涉差动测量装置及方法，包括宽谱光源模块、第一光程调制与解调模块和双路差动光强检测与记录模块；宽谱光源模块提供输入光信号；第一光程调制与解调模块接收输入光信号，利用白光干涉原理及双路差动探测原理，采用构建光程差的方法提供两路白光干涉信号并转换为电信号；双路差动光强检测与记录模块接收两路电信号，经差动探测后得到差动响应信号，根据差动响应信号得到绝对参考位置和测量位置。本发明定位精度高、灵敏度高、信号解调便捷，可广泛应用于微纳器件厚度及表面形貌等信息的定量测量。

技术领域

本发明设计属于光学测量技术领域，具体涉及到一种双路白光干涉差动测量装置与方法。

背景技术

在光学领域中，对样品厚度的测量是观察样品表面三维形貌的重要手段，在精密制造，测试计量等领域中都有着重要的应用。按照测量装置与样品的接触方式一般分为接触测量与非接触测量两种，接触测量的测量装置与待测样品直接接触，直接磨损待测样品表面，对其造成不可逆的损伤，影响测量精度，具有一定的局限性。非接触测量法可分为磁法、电容法、超声波法、光学法。

近年来，光学法由于其成本低、精度高的优点被广泛使用。常见的光学测量方法有光吸收法、椭圆偏振法、干涉法等。其中基于干涉原理的光学测量系统具有高精度及高分辨率的优点，常用于物理量的精确测量。传统的光学干涉法主要根据干涉条纹的移动与待测物理量实现联系。采用低相干光源的干涉测量方法通常被称作白光干涉法，在零光程差位置处，干涉条纹对比度最好，白光干涉信号光强达到最大。利用白光干涉的这种特性，可以实现待测光程的绝对测量。

由于白光干涉信号曲线的主极大值与零光程差位置具有对应关系，因此通过定位白光干涉信号的主极大位置即可确认零光程差位置。目前已有的定位算法包括：条纹重心法、包络提取法、空间频域法、傅里叶变换法等等。2008年，美国ZYGO公司的De Groot等人公开了“Scanning interferometry for thin film thickness and surfacemeasurements”(US 10974466)，该方法基于傅里叶变化法对干涉信号的峰值进行识别，可以精确的识别两界面之间的距离，可以用来测量薄膜厚度或者待测样品表面形貌信息。2014年，山东大学的贾传武等人公开了一种宽谱光干涉法测量薄膜厚度的系统(中国专利申请号：201410290494.1)，该方法基于法布里波罗干涉仪进行测量，结构简单，测量精度高，但容易对薄膜表面造成磨损。2017年，哈尔滨工程大学的杨军等人提出一种共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法(中国专利申请号：201710277954.0)，该方法无需标定样品即可直接对待测样品进行测量，扩展测量动态范围，并且可溯源，提高测量精度及稳定度。

白光干涉信号中心条纹位置处对应斜率为零，理论灵敏度最差，其定位精度容易受到噪声的影响。例如：包络提取法通过获得幅值包络的顶点来确定中心条纹的位置，容易受到色散及噪声的影响。1997年，台湾大学的C-H.Lee等人提出非干涉差分共焦显微技术理论(Optics Comm.1997,35:233-237)，该技术利用所得响应曲线斜边线性数据段实现纳米级检测。2005年，哈尔滨工业大学的赵维谦等人公开了具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法(中国专利申请号：200410006359.6)，该方法基于差动共焦及差动探测技术，将两探测器得到的探测信号差动相减得到差动共焦显微成像系统的轴向响应，所得差动共焦显微成像系统轴向响应曲线的过零点位置与焦点位置精确对应，由于过零点附近数据段线性最好，斜率最大，实现高精度，高灵敏度地定位聚焦光斑，实现对物体表面形貌信息的非接触光学检测。由此可见，通过差动探测技术将待测信号斜率为零处的位置识别转换为斜率最大、过零点处的位置识别，可以提高定位精度，提高灵敏度。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种定位精度高、灵敏度高、信号解调便捷的双路白光干涉差动测量装置及方法，可广泛应用于微纳器件厚度及表面形貌等信息的定量测量。