CN108317962B - 消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法，属于光学测量领域，包含如下步骤：在不插入待测薄膜时，打开第1光开关，关闭第2光开关，驱动光程扫描装置进行光程扫描，保存采集到的信号；关闭第1光开关，打开第2光开关，驱动光程扫描装置进行光程扫描，保存采集到的信号；解调采集到的信号；若测量不透明待测薄膜厚度，打开第1光开关与第2光开关，驱动光程扫描装置进行光程扫描，进行光程匹配，保存采集到的信号；解调采集到的信号，获得二倍光程；计算不透明待测薄膜厚度；测量透明薄膜厚度和折射率时，方法类似。本发明测量功能多；能够消除透射光的影响提高精度；降低识别难度；降低光路复杂性，提高测量速度。

Description

消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，尤其涉及消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法。

背景技术

随着材料科学与技术的蓬勃发展，为满足微电子、光电子、新能量等领域的迫切需求，薄膜在光学工程、机械工程、通讯工程、生物工程、航空航天工程、化学工程、医学工程等领域被广泛应用。薄膜的厚度不仅是薄膜生产中关键的.参数之一，更决定薄膜在力学、电磁、光电和光学等场景中的应用性能。对薄膜厚度的精确测量一直是薄膜生产以及应用中重要的环节之一。

1941年，N.Schwartz等人提出了一种利用高精度机械触针在物体表面运动来感知表面轮廓的变化的接触探针法，该方法具有稳定性好，分辨力高，测量范围大等优点；但由于探针法中包含基于机械运动的探针，对薄膜测量时需要进行二次加工，此外探针在薄膜表面的移动，也会给薄膜造成一定的损害。因此非接触测量法便很快取代了接触测量法。

2013年，中国专利申请号为201310198294.9的专利，公开了一种超声膜厚测量仪及其测量方法该方法发射超声脉冲入射到油膜的表面发生谐振，再通过测量反射脉冲的相关特性对油膜的厚度进行测量；但是该方法只适用于液态模的测量，且对于不同厚度范围的薄膜需建立不同的模型，解调难度较大。

光学测量法具有高精度的优势，在薄膜厚度测量方面开始逐渐广泛的应用起来。2012年，北京京东方光电科技有限公司的曲连杰等人公开了一种膜厚装置及方法，专利申请号为201210080754.2，该方法采用空间光路与光纤光路结合的方式，通过棱镜对彩色光源进行分光处理照射在薄膜的表面，通过测量不同反射光的特性对薄膜的厚度进行测量。该方法扩大了薄膜厚度测量的装置取样点的频谱范围，提高了分辨率。

作为光学测量法的一部分，白光干涉法由于具有绝对量的测量优势，在膜厚测量领域逐渐开始发展起来。白光干涉法的基本原理是：在白光干涉仪的一臂末端接上扫描镜，作为传感臂，另一臂长度固定作为参考臂，通过移动扫描镜来改变传感臂长度，当传感臂中传输光的光程与参考臂中传输光的光程实现匹配时，出现的干涉峰值最大，通过识别峰值的位置实现相关参数的测量。2008年，美国Zygo公司的PeterJ.deGroot等人公开了一种用于薄膜厚度和表面测量的扫描干涉法，该方法采用白光干涉原理的薄膜厚度测量方法，利用傅里叶变换方法从干涉光强图中提取两个峰值，该方法不受薄膜厚度的影响，既适用于测量厚度大于光源相干长度的薄膜，又适用于测量厚度小于光源相干长度的薄膜。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，专利申请号为201410290494.1，该系统在反射镜与准直镜之间形成的法布里波罗干涉仪，通过测量在反射镜下放置待测薄膜前后的法布里珀罗腔长进行测量可得到待测薄膜的厚度，该方法结构简单，测量精度较高，但是由于需要将待测薄膜放置在反射镜的下方，容易对薄膜表面的形态产生破坏。

2017年，申请号为CN201710277954.0的专利公开了一种共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法，该方法利用共光路的宽谱光干涉仪与激光干涉仪实现薄膜厚度的测量，具有共光路，不需要标定器件等优点，但是该方法无法消除激光透射光的影响，造成激光干涉信号的裂化，影响厚度测量精度；2017，申请号为CN201710277939.6的专利公开了一种偏振复用的共光路自校准薄膜厚度测量装装置及测量方法，该方法可进一步消除透射光对测量结果的影响，但是装置搭建较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于公开溯源精度高，抗干扰能力强的消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法，包含如下步骤：

步骤(1)：在不插入待测薄膜时，打开第1光开关405，关闭第2光开关406，驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光411与第1测量探头出射光在第2测量探头外表面反射光412进行光程匹配，保存第3光电探测器采集到的信号m30与第4光电探测器采集到的信号m40；第1光开关405与第2光开关406具有相同的光学参数；

步骤(2)：关闭第1光开关405，打开第2光开关406，驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第2测量探头内部反射光421与第2测量探头出射光在第1测量探头外表面反射光422进行光程匹配；保存第1光电探测器703采集到的信号m10与第2光电探测器704采集到的信号m20；

步骤(3)：解调第1光电探测器采集到的信号m10，第2光电探测器采集到的信号m20，第3光电探测器采集到的信号m30和第4光电探测器采集到的信号m40，获得第1测量探头和第2测量探头之间的二倍光程H；

步骤(4)：若测量不透明待测薄膜403厚度，打开第1光开关405与第2光开关406，将不透明待测薄膜403插入第1测量探头401与第2测量探头402中间，使不透明待测薄膜403与第1测量探头401和第2测量探头402的出射光线同时垂直；驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光413与第1测量探头出射光在不透明待测薄膜前表面反射光414进行光程匹配、第2测量探头内部反射光423与第2测量探头出射光在不透明待测薄膜后表面反射光424进行光程匹配；保存第1光电探测器采集到的信号m11、第2光电探测器采集到的信号m21，第3光电探测器采集到的信号m31和第4光电探测器采集到的信号m41；第1测量探头401与第2测量探头402具有相同的光学参数；

步骤(5)：解调第1光电探测器采集到的信号m11、第2光电探测器采集到的信号m21、第3光电探测器采集到的信号m31和第4光电探测器采集到的信号m41，分别获得第1测量探头与待测薄膜前表面的二倍光程H1、第2测量探头与待测薄膜前表面的二倍光程H2；

步骤(6)：计算不透明待测薄膜厚度d1：

步骤(7)：若测量透明薄膜厚度，打开第1光开关405，关闭第2光开关406，将透明待测薄膜404插入第1测量探头401与第2测量探头402中间，使透明待测薄膜404与第1测量探头401与第2测量探头402的出射光线垂直；驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光415、第1测量探头出射光在透明待测薄膜前表面反射光416、第1测量探头出射光在透明待测薄膜后表面反射光417分别进行光程匹配，保存第3光电探测器采集到的信号m32与第4光电探测器采集到的信号m42；

步骤(8)：关闭第1光开关405，打开第2光开关406，驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第2测量探头内部反射光425、第2测量探头出射光在透明待测薄膜后表面反射光426、第2测量探头出射光在透明待测薄膜前表面反射光427分别进行光程匹配，保存第1光电探测器采集到的信号m12与第2光电探测器704采集到的信号m22；

步骤(9)：解调第1光电探测器采集到的信号m12，第2光电探测器采集到的信号m22，第3光电探测器采集到的信号m32与第4光电探测器采集到的信号m42，获得第1测量探头与透明待测薄膜前表面的二倍光程H3、第1测量探头与透明待测薄膜后表面的二倍光程H4，获得第2测量探头与透明待测薄膜后表面的二倍光程H5、第2测量探头与透明待测薄膜前表面的二倍光程H6；

步骤(10)：计算透明待测薄膜404厚度d2：

空气折射率为1时，透明待测薄膜404的折射率n：

本发明的有益效果为：

本发明采用的双探头，能够同时非接触地测量透明与不透明薄膜的厚度以及透明薄膜的折射率；本发明控制两测量探头分时工作，消除了两探头耦合时激光透射光对干涉信号质量的影响，提高了测量溯源的精度；消除了两探头耦合时宽谱光透射光对特征信号峰识别的干扰，降低了测量特征信号的识别难度；两测量探头共用同一解调干涉仪，直接使两测量探头的特征信号出现在光程扫描装置相同的扫描范围内，降低了光路的复杂性，提高了测量的速度；双光源共光路的设计以及差分的光路结构设计能够进一步减小外界环境扰动对膜厚测量结果的影响。

附图说明

图1是透明薄膜与不透明薄膜厚度以及透明薄膜折射率测量方法流程图；

图2是未加载待测薄膜第1光开关打开第2光开关关闭时测量探头模块内部光路图；

图3是未加载待测薄膜第1光开关关闭第2光开关打开时测量探头模块内部光路图；

图4是加载待测不透明待测薄膜时测量探头模块内部光路图；

图5是加载待测透明待测薄膜第1光开关打开第2光开关关闭时测量探头模块内部光路图；

图6是加载待测透明待测薄膜第1光开关关闭第2光开关打开时测量探头模块内部光路图；

图7是激光干涉信号溯源原理示意图；

图8是未加载待测薄膜时基于白光干涉原理的距离测量方法示意图；

图9是消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

如图1，消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法，包含如下步骤：

步骤(1)：在不插入待测薄膜时，打开第1光开关405，关闭第2光开关406，驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光411与第1测量探头出射光在第2测量探头外表面反射光412进行光程匹配，保存第3光电探测器采集到的信号m30与第4光电探测器采集到的信号m40；第1光开关405与第2光开关406具有相同的光学参数；

步骤(2)：关闭第1光开关405，打开第2光开关406，驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第2测量探头内部反射光421与第2测量探头出射光在第1测量探头外表面反射光422进行光程匹配；保存第1光电探测器703采集到的信号m10与第2光电探测器704采集到的信号m20；

步骤(3)：解调第1光电探测器采集到的信号m10，第2光电探测器采集到的信号m20，第3光电探测器采集到的信号m30和第4光电探测器采集到的信号m40，获得第1测量探头和第2测量探头之间的二倍光程H；

步骤(4)：若测量不透明待测薄膜403厚度，打开第1光开关405与第2光开关406，将不透明待测薄膜403插入第1测量探头401与第2测量探头402中间，使不透明待测薄膜403与第1测量探头401和第2测量探头402的出射光线同时垂直；驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光413与第1测量探头出射光在不透明待测薄膜前表面反射光414进行光程匹配、第2测量探头内部反射光423与第2测量探头出射光在不透明待测薄膜后表面反射光424进行光程匹配；保存第1光电探测器采集到的信号m11、第2光电探测器采集到的信号m21，第3光电探测器采集到的信号m31和第4光电探测器采集到的信号m41；第1测量探头401与第2测量探头402具有相同的光学参数；

步骤(5)：解调第1光电探测器采集到的信号m11、第2光电探测器采集到的信号m21、第3光电探测器采集到的信号m31和第4光电探测器采集到的信号m41，分别获得第1测量探头与待测薄膜前表面的二倍光程H1、第2测量探头与待测薄膜前表面的二倍光程H2；

步骤(6)：计算不透明待测薄膜厚度d1：

步骤(7)：若测量透明薄膜厚度，打开第1光开关405，关闭第2光开关406，将透明待测薄膜404插入第1测量探头401与第2测量探头402中间，使透明待测薄膜404与第1测量探头401与第2测量探头402的出射光线垂直；驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光415、第1测量探头出射光在透明待测薄膜前表面反射光416、第1测量探头出射光在透明待测薄膜后表面反射光417分别进行光程匹配，保存第3光电探测器采集到的信号m32与第4光电探测器采集到的信号m42；

步骤(8)：关闭第1光开关405，打开第2光开关406，驱动光程扫描装置603进行光程扫描，使第2测量探头内部反射光425、第2测量探头出射光在透明待测薄膜后表面反射光426、第2测量探头出射光在透明待测薄膜前表面反射光427分别进行光程匹配，保存第1光电探测器采集到的信号m12与第2光电探测器704采集到的信号m22；

步骤(9)：解调第1光电探测器采集到的信号m12，第2光电探测器采集到的信号m22，第3光电探测器采集到的信号m32与第4光电探测器采集到的信号m42，获得第1测量探头与透明待测薄膜前表面的二倍光程H3、第1测量探头与透明待测薄膜后表面的二倍光程H4，获得第2测量探头与透明待测薄膜后表面的二倍光程H5、第2测量探头与透明待测薄膜前表面的二倍光程H6；

步骤(10)：计算透明待测薄膜404厚度d2：

空气折射率为1时，透明待测薄膜404的折射率n：

下面给出实施例1：

使用的装置如图9所示，光源输出模块1由中心波长为1310nm的宽谱光源101、波长1550nm的窄带稳频激光光源103、工作波长为1310nm的第1隔离器102、工作波长为1550nm的第2隔离器104以及工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器105共同组成。其中，中心波长为1310nm的宽谱光源101输出光作为测量光束，主要用于实现薄膜厚度的绝对测量；波长为1550nm的窄带稳频激光光源103输出光作为光路校正光束，主要用于实现薄膜厚度测量的溯源。膜厚测量探头模块4的特征是：膜厚测量探头模块4由第1测量探头401、第2测量探头402、第1光开关405、第2光开关406所组成；第1测量探头401与第2测量探头402具有相同的光学参数；第1光开关405与第2光开关406具有相同的光学参数；第1测量探头401与第2测量探头402能够同时实现对传输光线的透射和反射，传输光线的反射率在20％～80％之间；第1光开关405和第2光开关406实现光路的通断功能；第1测量探头401与第2测量探头402的出射光线互相重合；待测器件放置测量时，分别与第1测量探头401和第2测量探头402的出射光线垂直；解调干涉仪模块6的特征是：解调干涉仪模块6由第1解调干涉仪耦合器601、第2解调干涉仪耦合器602以及光程扫描装置603所构成；其中第1解调干涉仪耦合器601与第2解调干涉仪耦合器602具有相同的光学参数；光程扫描装置603的扫描范围L可满足系统自校准时由不同探头反射光之间能够实现光程匹配。

光学干涉测量方法是当前精度最高的距离测量方法，但是由于激光光源相干长度较长，激光干涉测量方法无法实现绝对量的测量。白光干涉测量方法使用的是低相干的宽谱光源。由于低相干光源的相干长度非常小，干涉后输出的干涉条纹的形状是由高斯包络所调制的正弦振荡，该条纹具有一个主极大值，它对应着干涉仪两臂光程差为零的位置。由于对干涉仪两臂光程差的苛刻要求，中心条纹的位置就为物理量的测量提供了一个优质的参考位置，根据中心条纹位置的变化可获得被测物理量变化的绝对值。因此，在白光干涉测量系统中对物理量的测量就转化成对干涉信号的中心条纹的位置变化进行测量。本发明采用双光源的设计，如图7所示，在光程扫描装置扫描的过程中，同时记录白光干涉信号与激光干涉信号，通过对激光干涉信号条纹数目的读取，可以对光程扫描装置的移动实际距离进行高精度标定。两个光源发出的光分别经过第1隔离器102和第2隔离器104进入到第1波分复用器105合成一束共同进入到分光比为3dB的分束耦合器2中，被等分成两路：一路通过分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3、第1光开关405进入第1测量探头401中，另一路通过分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5、第2光开关406进入到第2测量探头模块402中；第1测量探头401与第2测量探头402透镜端面反射率与透射率的比为50:50；光开关联通时，光开关插入损耗小于0.3dB，光开关断开时，光开关插入损耗大于60dB；从第1测量探头401返回的测量光，再经过第1光开关405和分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3传输到解调干涉仪模块6中；从第2测量探头402返回的测量光，再经过第2光开关406和分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5传输到解调干涉仪模块6中；通过光程扫描装置603的光程扫描分别在分光比为3dB的第1解调干涉仪耦合器601和分光比为3dB的2解调干涉仪耦合器602处进行干涉。第2波分复用器707和第3波分复用器708分别将中心波长为1310nm的宽谱光测量光束和波长为1550nm激光校正光束分离后，被第1光电探测器703、第2光电探测器704、第3光电探测器705、第4光电探测器706所获取。光电探测器将收集到的信号通过数据采集卡702传输到计算机701中进行解调处理，计算机701同时负责对光程扫描装置603进行驱动。举例说明本发明使用的距离测量方法，如图8，第1测量探头401内部反射光411和第1测量探头401出射光在第2测量探头402外表面反射光412被第1解调干涉仪耦合器分为两路：一路直接进入第2解调干涉仪耦合器602中，产生411’和412’反射光；一路直接进入光程扫描装置603中，产生411”和412”反射光。在计算机701的控制下，光程扫描装置603进行光程扫描，如图8所示，宽谱光干涉信号产生过程为：(1)当两臂光程差等于2H时，扫描臂中光411’与固定臂中光412”发生匹配，则产生第1次极大白光干涉信号431。(2)当两臂光程差等于0时，扫描臂与固定臂中，光411’与光411”、光412’与光412”发生匹配，则产生主极大白光干涉信号432。(3)当两臂光程差等于-2H时，扫描臂中光412’与固定臂中光411”发生匹配，则产生第2次极大白光干涉信号433。(4)通过对白光干涉信号的中心条纹位置进行提取，利用激光干涉信号的溯源特性获得主极大与次极大之间的扫描距离绝对差值，该值则代表着第1测量探头401与第2测量探头402之间的绝对二倍光程。

当待测薄膜没有插入时，打开第1光开关405关闭第2光开关406，输出光被分光比为3dB的分束耦合器2分束：一束通过分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3和第1光开关405进入第1测量探头401中，另一束由于第2光开关406关闭无法进行相关参数测量。如图2所示，由第1测量探头401自身透镜内表面反射光束411、第2测量探头402透镜的外表面反射光束412通过第1光开关405和分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3传输到解调干涉仪模块6中，光束在解调干涉仪模块6中传输方式为：由分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3将膜厚测量探头401返回光输入到分光比为3dB的第1解调干涉仪耦合器601中，经过光纤与光程扫描装置603传输到第2解调干涉仪耦合器602中，当光程扫描装置603移动时，反射光411与反射光412发生光程完全匹配，在第3光电探测器705上形成白光干涉条纹，在第4光电探测器706上形成激光干涉条纹，保存第3光电探测器705与第4光电探测器706采集到的信号；关闭第1光开关405打开第2光开关406，光源输出模块输出光被分光比为3dB的分束耦合器2分束：一束通过分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5和第2光开关406进入第2测量探头402中，另一束由于第1光开关405关闭无法进行相关参数测量，如图3所示，由第2测量探头402自身透镜内反射光束421、第1测量探头401透镜的外表面反射光束422再经过第2光开关406和分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5传输到解调干涉仪模块6中；光束解调干涉仪模块6中传输方式为：由分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5将膜厚测量探头402返回光输入到分光比为3dB的第2解调干涉仪耦合器607中，经过光纤与光程扫描装置603传输到第1解调干涉仪耦合器601中，当光程扫描装置603移动时，反射光421与反射光422发生光程完全匹配，在第1光电探测器703上将形成白光干涉条纹，在第2光电探测器704上形成激光干涉条纹，保存第1光电探测器703与第2光电探测器704采集到的信号；过对采集到的信号进行解调记录，获得两测量探头之间的二倍光程H。

当不透明待测薄膜403插入第1测量探头401与第2测量探头402中间时，打开第1光开关405和第2光开关406，光源输出模块输出光被分光比为3dB的分束耦合器2分束：一束通过分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3、第1光开关405进入第1测量探头401中，另一束通过分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5、第2光开关406进入到第2测量探头402中。如图4所示，第1测量探头401透镜内表面反射光束413、不透明待测薄膜前表面403a反射光束414通过第1光开关405和分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3输入到解调干涉仪模块6中；第2测量探头402透镜内表面反射光束423、不透明待测薄膜后表面403b反射光束424经过第2光开关406和分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5输入解调干涉仪模块6中。第1探头401返回光在解调干涉仪模块6中传输方式为：由分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3将膜厚测量探头401返回光输入到分光比为3dB的第1解调干涉仪耦合器601中，经过光纤与光程扫描装置603传输到第2解调干涉仪耦合器602中，当光程扫描装置603移动时，反射光413与反射光414发生光程完全匹配，在第3光电探测器705上形成白光干涉条纹，在第4光电探测器706上形成激光干涉条纹，保存第3光电探测器705与第4光电探测器706采集到的信号；第1探头401返回光在解调干涉仪模块6中传输方式为：由分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5将膜厚测量探头402返回光输入到分光比为3dB的第2解调干涉仪耦合器607中，经过光纤与光程扫描装置603传输到第1解调干涉仪耦合器603中，当光程扫描装置603移动时，反射光423与反射光424发生光程完全匹配，在第1光电探测器703上将形成白光干涉条纹，在第2光电探测器704上形成激光干涉条纹，保存第1光电探测器703与第2光电探测器704采集到的信号；通过对采集到的信号进行解调记录，分别获得第1测量探头401待测薄膜前表面403a的二倍光程H1、第2测量探头402待测薄膜前表面403b的二倍光程H2。因此，不透明待测薄膜403的厚度d1就被上述两次测量值所决定，即：

当透明待测薄膜404插入第1测量探头401与第2测量探头402中间时，打开第1光开关405，关闭第2光开关406，光源输出模块输出光被分光比为3dB的分束耦合器2分束：一束通过分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3和第1光开关405进入第1测量探头401中，另一束由于第2光开关406关闭无法进行相关参数测量；如图5所示，由第1测量探头401自身透镜内表面反射光束415、透明待测薄膜前表面404a反射光416、透明待测薄膜后表面404b反射光417，通过第1光开关405和分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3传输到解调干涉仪模块6中，光束在解调干涉仪模块6中传输方式为：由分光比为3dB的第1测量干涉仪耦合器3将膜厚测量探头401返回光输入到分光比为3dB的第1解调干涉仪耦合器601中，光束经过光纤与光程扫描装置603传输到第2解调干涉仪耦合器602中，当光程扫描装置移动时，使反射光415、反射光416、反射光417分别发生光程完全匹配，在第3光电探测器705上形成白光干涉条纹，在第4光电探测器706上形成激光干涉条纹，保存第3光电探测器705与第4光电探测器706采集到的信号，对采集到的信号进行解调记录，获得第1测量探头401与透明待测薄膜前表面404a的二倍光程H3、第1测量探头401与透明待测薄膜后表面404b的二倍光程H4；关闭第1光开关405，打开第2光开关406，光源输出模块输出光被分光比为3dB的分束耦合器2分束：一束通过分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5和第2光开关406进入第2测量探头402中，另一束由于第1光开关405关闭无法进行相关参数测量，如图6所示，由第2测量探头402自身透镜内表面反射光束425、透明待测薄膜后表面404b反射光426、透明待测薄膜前表面404a反射光427，通过第2光开关406和分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5传输到解调干涉仪模块6中，光束在解调干涉仪模块6中传输方式为：由分光比为3dB的第2测量干涉仪耦合器5将膜厚测量探头402返回光输入到分光比为3dB的第2解调干涉仪耦合器602中，光束经过光纤与光程扫描装置603传输到第1解调干涉仪耦合器601中，当光程扫描装置移动时，反射光425、反射光426、反射光427分别发生光程完全匹配，在第1光电探测器703上将形成白光干涉条纹，在第2光电探测器704上形成激光干涉条纹，保存第1光电探测器703与第2光电探测器704采集到的信号，获得第2测量探头402与透明待测薄膜后表面404b的二倍光程H5、第2测量探头402与透明待测薄膜前表面404a的二倍光程H6；

透明待测薄膜404厚度d2可由上述的两次测量值所决定，即

空气折射率为1时，透明待测薄膜404的折射率n可由上述的两次测量值所决定，即

与现有技术相比，本发明采用的双探头，能够同时非接触地测量透明与不透明薄膜的厚度以及透明薄膜的折射率；本发明控制两测量探头分时工作，消除了两探头耦合时激光透射光对干涉信号质量的影响，提高了测量溯源的精度；消除了两探头耦合时宽谱光透射光对特征信号峰识别的干扰，降低了测量特征信号的识别难度；两测量探头共用同一解调干涉仪，直接使两测量探头的特征信号出现在光程扫描装置相同的扫描范围内，降低了光路的复杂性，提高了测量的速度；双光源共光路的设计以及差分的光路结构设计能够进一步减小外界环境扰动对膜厚测量结果的影响。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：在不插入待测薄膜时，打开第1光开关(405)，关闭第2光开关(406)，驱动光程扫描装置(603)进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光(411)与第1测量探头出射光在第2测量探头外表面反射光(412)进行光程匹配，保存第3光电探测器采集到的信号m30与第4光电探测器采集到的信号m40；

步骤(2)：关闭第1光开关(405)，打开第2光开关(406)，驱动光程扫描装置(603)进行光程扫描，使第2测量探头内部反射光(421)与第2测量探头出射光在第1测量探头外表面反射光(422)进行光程匹配；保存第1光电探测器(703)采集到的信号m10与第2光电探测器(704)采集到的信号m20；

步骤(3)：解调第1光电探测器采集到的信号m10，第2光电探测器采集到的信号m20，第3光电探测器采集到的信号m30和第4光电探测器采集到的信号m40，获得第1测量探头和第2测量探头之间的二倍光程H；

步骤(4)：若测量不透明待测薄膜(403)厚度，打开第1光开关(405)与第2光开关(406)，将不透明待测薄膜(403)插入第1测量探头(401)与第2测量探头(402)中间，使不透明待测薄膜(403)与第1测量探头(401)和第2测量探头(402)的出射光线同时垂直；驱动光程扫描装置(603)进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光(413)与第1测量探头出射光在不透明待测薄膜前表面反射光(414)进行光程匹配、第2测量探头内部反射光(423)与第2测量探头出射光在不透明待测薄膜后表面反射光(424)进行光程匹配；保存第1光电探测器采集到的信号m11、第2光电探测器采集到的信号m21，第3光电探测器采集到的信号m31和第4光电探测器采集到的信号m41；

步骤(5)：解调第1光电探测器采集到的信号m11、第2光电探测器采集到的信号m21、第3光电探测器采集到的信号m31和第4光电探测器采集到的信号m41，分别获得第1测量探头与待测薄膜前表面的二倍光程H1、第2测量探头与待测薄膜前表面的二倍光程H2；

步骤(6)：计算不透明待测薄膜厚度d1：

步骤(7)：若测量透明薄膜厚度，打开第1光开关(405)，关闭第2光开关(406)，将透明待测薄膜(404)插入第1测量探头(401)与第2测量探头(402)中间，使透明待测薄膜(404)与第1测量探头(401)与第2测量探头(402)的出射光线垂直；驱动光程扫描装置(603)进行光程扫描，使第1测量探头内部反射光(415)、第1测量探头出射光在透明待测薄膜前表面反射光(416)、第1测量探头出射光在透明待测薄膜后表面反射光(417)分别进行光程匹配，保存第3光电探测器采集到的信号m32与第4光电探测器采集到的信号m42；

步骤(8)：关闭第1光开关(405)，打开第2光开关(406)，驱动光程扫描装置(603)进行光程扫描，使第2测量探头内部反射光(425)、第2测量探头出射光在透明待测薄膜后表面反射光(426)、第2测量探头出射光在透明待测薄膜前表面反射光(427)分别进行光程匹配，保存第1光电探测器采集到的信号m12与第2光电探测器(704)采集到的信号m22；

步骤(9)：解调第1光电探测器采集到的信号m12，第2光电探测器采集到的信号m22，第3光电探测器采集到的信号m32与第4光电探测器采集到的信号m42，获得第1测量探头与透明待测薄膜前表面的二倍光程H3、第1测量探头与透明待测薄膜后表面的二倍光程H4，获得第2测量探头与透明待测薄膜后表面的二倍光程H5、第2测量探头与透明待测薄膜前表面的二倍光程H6；

步骤(10)：计算透明待测薄膜(404)厚度d2：

空气折射率为1时，透明待测薄膜(404)的折射率n：

2.根据权利要求1所述的消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与折射率的测量方法，其特征在于：所述的第1测量探头(401)与第2测量探头(402)具有相同的光学参数，第1光开关(405)与第2光开关(406)具有相同的光学参数；

宽谱光干涉信号产生过程为：(1)当两臂光程差等于2H时，扫描臂中光与固定臂中光发生匹配，则产生第1次极大白光干涉信号；(2)当两臂光程差等于0时，扫描臂与固定臂中，光发生匹配，则产生主极大白光干涉信号；(3)当两臂光程差等于-2H时，扫描臂中光与固定臂中光发生匹配，则产生第2次极大白光干涉信号；(4)通过对白光干涉信号的中心条纹位置进行提取，利用激光干涉信号的溯源特性获得主极大与次极大之间的扫描距离绝对差值，该值则代表着第1测量探头与第2测量探头之间的绝对二倍光程。

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