雙頻激光測量薄膜厚度的自動判讀技術研究

李 媛

（西安工業大學北方信息工程學院 光電信息系，陜西西安，710032）

0 引言

隨著科學技術的發展，光學薄膜已廣泛應用于光學系統及大功率激光器系統。由于薄膜器件的大量使用，尤其在武器系統升級改造的過程中的廣泛使用，對薄膜性能的提升，膜系優劣的評價，對現有的測試技術提出了更高的要求。光學薄膜的厚度對薄膜元件整體性能的影響至關重要[1]。且薄膜厚度的精確測量也是光學薄膜參數測量的重要指標之一，薄膜厚度的測量方法很多[2]，對于光學干涉法測量的方法因其無損性的優點而被廣泛應用。

1 薄膜厚度激光干涉測量

1.1 測量基本原理

采用干涉法識別條紋技術，測量薄膜厚度的基本測量原理是設法使被測厚度和干涉儀的光程差相聯系，再測出干涉儀光程差的變化量，從而得到被測厚度。其光學系統產生的等厚干涉條紋光強分布服從正弦規律,測量長度計算的基本方程為

圖1為干涉儀測量的基本原理示意圖，將鍍有薄膜的基片放入測試光路中，選用兩種頻率的穩頻激光器作為光源進行照射時，在干涉儀的視場中可以看到兩組干涉條紋，一組產生于薄膜的上表面，另一組產生于鍍有薄膜的基片表面。由于投射到基片上的光線所經過的光程要大于投射到薄膜表面的光線，因此兩組條紋見有一相對位移，它對應兩部分光線的光程差，即被測長度L的兩倍。通過兩組條紋的位移可以測出小數部分。

具體操作思路是，先預測薄膜樣片的厚度，要求預測精度優于半個條紋（/4），對于632.8nm的He-Ne激光器來說，就要求預測精度達到158.2nm，這樣的預測精度要求太高，特別對較厚的薄膜，是比較困難的[6]。為了解決這個問題，采用兩個較短的波長合成一個較長的波長，即所謂等效波長。具體的做法是，當使用雙波長測試時滿足：

圖1 干涉儀測量的基本原理示意圖

可見，被測厚度與合成波長、干涉條紋整數部分及小數部分的關系與薄膜的測量公式相吻合，只要選擇波長接近的兩個波長就可以使合成的等效波長比原來的兩個波長大得多，這樣可以減小薄膜預測厚度的測量精度要求。

1.2 干涉條紋圖像處理

干涉條紋圖像的處理主要包括預處理和圖像細化兩大步驟。本文對圖像處理是基于濾波和二值化等預處理的條紋細化、條紋中心提取和干涉條紋小數部分計算。對于理想無噪聲的干涉條紋圖，可以直接對條紋圖進行細化處理。但在實際干涉圖處理中，因為光路系統中的某些器件、被測物本身的形狀缺陷或某些隨機因素如灰塵臟點等因素會遮擋干涉區域，會在干涉圖上形成高頻噪聲。利用一維快速傅立葉變換方法，對數據圖像逐行進行FFT運算，在頻域空間選擇適當的低通濾波器將高頻隨機噪聲濾去。一般的一維光強表達式可寫為：

(1)不破壞條紋圖像的連接性;

(2)保護條紋圖像的細節特征,不致引起條紋圖像的逐步吞食;

(3)細化條紋圖像過程中,一個條紋線為一個像素點寬,故應使細化條紋盡可能接近中心線;

(4)細化過程逐點進行,要求迭代次數盡可能少,以便縮短時間。

一幅圖像的區域3*3,對各點標記為P1,P2,…, P9,其中P位于中心。如果P1=1(即黑點,目標點),那么下面4個條件同時滿足,則刪除P1(P1=0),Z(P1)表示P1的8鄰域像素點逆時針方向從0到1的變換次數。

對圖像中的每一黑點重復進行此步驟，直到所有的像素點都不可刪除，其處理后的結果如圖所示。

1.3 干涉條紋小數部分的確定

干涉條紋圖樣細化后，就可以求取干涉條紋小數部分。干涉條紋小數部分的測量,就是被測薄膜測量面中心與基底測量面上在其左邊相鄰的那一根干涉條紋之間的距離與被測薄膜基底上兩干涉條紋之間的間隔之比。實驗中采用兩種波長(632.8nm和543nm) 進行測量。對于得到的小數，使用貝塞爾法評定單次測量標準不確定度式中，表示在等精度測量下作次獨立測量時第次測得的結果是次獨立測量結果的平均值。測量結果如表1所示。

表1 薄膜樣片測量結果

表2 薄膜樣片的厚度

圖2 原始干涉條紋

圖3 細化后的干涉條紋

由表1中得到的干涉條紋小數部分代入等效式中，可以求出被測薄膜的厚度值，結果如表2所示。

2 結論

本文采用雙頻激光干涉技術與數字圖像處理技術應用于測量薄膜厚度標準中條紋圖的處理，提高了讀數分辨率和測量效率。突破了單頻激光時只能測試不大于激光半波長（/2）的薄膜厚度，結果表明，測試精度高，可以獲得小于1nm的精度，并且測試可靠。這在高精度干涉法測量薄膜厚度技術上是一個新的進展。

[1]馬成,徐磊.改進的邁克爾遜干涉儀測量薄膜厚度[J].光學儀器,2012.2,34(1):85-90.

[2]蘇寶璽,楊文琴,吳榮琴.幾種常用光學方法測量薄膜厚度設計[J],長春師范大學學報,2014.8,33(4):29-32.

[3]蘇俊宏.雙波長激光干涉移相式測量長度技術研究[J].紅外與激光工程,2003.8,32(4):359-363.