[發明專利]差動共焦-低相干干涉組合折射率及厚度測量方法與裝置

無效

• 申請號: 200910079330.3
• 申請日: 2009-03-06
• 公開（公告）號: CN101509828A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 趙維謙;王允;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02;G01B11/06
• 代理公司: 北京理工大學專利中心
• 代理人: 張利萍

技術領域

本發明屬于光學精密測量技術領域，可用于光學平板和薄膜的群折射率、相折射率和幾何厚度的高精度測量。

技術背景

折射率和幾何厚度是光學器件十分重要的基本物理參數，它們反映了光學器件的許多信息，同時也與光學器件的其他參數(如光熱系數)相關，精密而獨立的測量光學器件的折射率和幾何厚度有很高難度。作為光學器件的基本參數，折射率和幾何厚度的獨立精密測量一直是光學測量領域的一個難點，主要因素在于：折射率的測量常與厚度測量關聯，測量需要已知信息輔助；薄膜厚度小，附著于其他器件，厚度難實現精密測量；相折射率與群折射率常不相等，需分別測量。由于以上原因，測角法或干涉法等傳統的折射率測量方法和機械法或邁克爾遜干涉法等厚度測量方法難以實現折射率和幾何厚度的獨立高精度測量。

針對幾何厚度與折射率的測量，國內學者提出了新的測量方法，發表的文獻主要包括：《江西師范大學學報》的《介質薄膜的厚度和折射率測量的實驗研究》；《光電技術應用》的《CCD在透明材料折射率測量中的應用》。此類技術主要采用了干涉法，利用計算機對樣品的干涉條紋進行分析或利用干涉條紋進行定位測角。該方法的測量精度比傳統的方法有所提高，但是實驗設備復雜，對測量條件要求較高。

相比較國外的折射率、幾何厚度測量技術，在《Optics?Letters》中2003年發表的《Bifocal?optical?coherenc?refractometry?of?turbid?media》中，采用了雙焦點低相干干涉法，實現了渾濁晶體的折射率和厚度測量，使用了計算機自動化處理測量信息，簡化了測量過程并且提高了測量效率，但是該方法使用了低相干干涉條紋光強信號的包絡曲線并且沒有考慮樣品對測量光束的色散效應，限制了測量的精度。在《Applied?Optics》2002年發表的《Low-coherence?interferometer?systemfor?thesimultaneous?measurement?of?refractive?index?and?thickness》中，采用了低相干干涉技術，將樣品的群折射率與相折射率分開測量，獲得了較高的精度，但是該方法需要事先將公式中的常量做成數表，或者借助輔助手段測量樣品的幾何厚度，極大的限制了該方法的使用范圍。在《Optical?Fiber?Seniors》中2000年發表的《Optical?tomographyalong?the?geometrical?thickness?by?combination?of?coherence-gate?andconfocal?imagings》中，采用相干X射線斷層攝影技術與共焦技術相結合的方法測量了多層樣品的X射線斷層結構，得到了樣品的幾何厚度和折射率，并達到了很高的測量精度。該測量方法利用X射線斷層攝影技術對樣品進行了斷層攝影，得到的了樣品的層析圖像，獲得了樣品較多的信息。但是此方法的測量過程中假定了樣品的相折射率與群折射率相等的前提，造成了測量方法理論上的缺陷。

以上幾種測量方法的共性還在于：其對相折射率、群折射率和幾何厚度的測量都依賴于對樣品的已知信息或者對樣品的參數進行假設。由于在實際的測量中很多情況下不能獲得樣品足夠的已知信息，所以其測量范圍受到極大限制。如果能夠提出一種不依賴于樣品的已知信息或者假設的測量方法，則可以擴大測量相折射率、群折射率和幾何厚度的樣品適用范圍，并且可以進一步提高相折射率、群折射率和幾何厚度測量的精度。

近年來，國內外顯微成像領域的差動共焦技術快速發展，該技術以軸向的光強響應曲線作為評價尺度，靈敏度高于以垂軸方向響應為判斷依據的評價方法，并且由于采用光強作為數據信息，相比圖像處理方法具有更高的抗環境干擾能力。例如：中國專利“具有高空間分辨率的差動共焦掃描檢測方法”(專利號：200410006359.6)，其提出了超分辨差動共焦檢測方法，使系統軸向分辨力達到納米級，并顯著提高了抗環境擾動能力，但差動共焦技術主要適用于微觀顯微測量領域，而將該項技術直接應用于定焦，繼而實現折射率和幾何厚度測量的報道，迄今為止尚未見到。

發明內容

本發明的目的是為了解決光學平板和薄膜的折射率和幾何厚度的高精度測量問題，提出了一種利用差動共焦響應曲線過零點時目標位置對應顯微鏡焦點的特性和低相干干涉條紋對比度最大值對應參考光路和測量光路等光程的特性的方法實現精確測量，顯著提高了樣品的幾何厚度和折射率的測量精度。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

步驟一、測量計算被測樣品的折射率和幾何厚度所需的參數：