双频激光测量薄膜厚度的自动判读技术研究

李 媛

（西安工业大学北方信息工程学院 光电信息系，陕西西安，710032）

0 引言

随着科学技术的发展，光学薄膜已广泛应用于光学系统及大功率激光器系统。由于薄膜器件的大量使用，尤其在武器系统升级改造的过程中的广泛使用，对薄膜性能的提升，膜系优劣的评价，对现有的测试技术提出了更高的要求。光学薄膜的厚度对薄膜元件整体性能的影响至关重要[1]。且薄膜厚度的精确测量也是光学薄膜参数测量的重要指标之一，薄膜厚度的测量方法很多[2]，对于光学干涉法测量的方法因其无损性的优点而被广泛应用。

1 薄膜厚度激光干涉测量

1.1 测量基本原理

采用干涉法识别条纹技术，测量薄膜厚度的基本测量原理是设法使被测厚度和干涉仪的光程差相联系，再测出干涉仪光程差的变化量，从而得到被测厚度。其光学系统产生的等厚干涉条纹光强分布服从正弦规律,测量长度计算的基本方程为

图1为干涉仪测量的基本原理示意图，将镀有薄膜的基片放入测试光路中，选用两种频率的稳频激光器作为光源进行照射时，在干涉仪的视场中可以看到两组干涉条纹，一组产生于薄膜的上表面，另一组产生于镀有薄膜的基片表面。由于投射到基片上的光线所经过的光程要大于投射到薄膜表面的光线，因此两组条纹见有一相对位移，它对应两部分光线的光程差，即被测长度L的两倍。通过两组条纹的位移可以测出小数部分。

具体操作思路是，先预测薄膜样片的厚度，要求预测精度优于半个条纹（/4），对于632.8nm的He-Ne激光器来说，就要求预测精度达到158.2nm，这样的预测精度要求太高，特别对较厚的薄膜，是比较困难的[6]。为了解决这个问题，采用两个较短的波长合成一个较长的波长，即所谓等效波长。具体的做法是，当使用双波长测试时满足：

图1 干涉仪测量的基本原理示意图

可见，被测厚度与合成波长、干涉条纹整数部分及小数部分的关系与薄膜的测量公式相吻合，只要选择波长接近的两个波长就可以使合成的等效波长比原来的两个波长大得多，这样可以减小薄膜预测厚度的测量精度要求。

1.2 干涉条纹图像处理

干涉条纹图像的处理主要包括预处理和图像细化两大步骤。本文对图像处理是基于滤波和二值化等预处理的条纹细化、条纹中心提取和干涉条纹小数部分计算。对于理想无噪声的干涉条纹图，可以直接对条纹图进行细化处理。但在实际干涉图处理中，因为光路系统中的某些器件、被测物本身的形状缺陷或某些随机因素如灰尘脏点等因素会遮挡干涉区域，会在干涉图上形成高频噪声。利用一维快速傅立叶变换方法，对数据图像逐行进行FFT运算，在频域空间选择适当的低通滤波器将高频随机噪声滤去。一般的一维光强表达式可写为：

(1)不破坏条纹图像的连接性;

(2)保护条纹图像的细节特征,不致引起条纹图像的逐步吞食;

(3)细化条纹图像过程中,一个条纹线为一个像素点宽,故应使细化条纹尽可能接近中心线;

(4)细化过程逐点进行,要求迭代次数尽可能少,以便缩短时间。

一幅图像的区域3*3,对各点标记为P1,P2,…, P9,其中P位于中心。如果P1=1(即黑点,目标点),那么下面4个条件同时满足,则删除P1(P1=0),Z(P1)表示P1的8邻域像素点逆时针方向从0到1的变换次数。

对图像中的每一黑点重复进行此步骤，直到所有的像素点都不可删除，其处理后的结果如图所示。

1.3 干涉条纹小数部分的确定

干涉条纹图样细化后，就可以求取干涉条纹小数部分。干涉条纹小数部分的测量,就是被测薄膜测量面中心与基底测量面上在其左边相邻的那一根干涉条纹之间的距离与被测薄膜基底上两干涉条纹之间的间隔之比。实验中采用两种波长(632.8nm和543nm) 进行测量。对于得到的小数，使用贝塞尔法评定单次测量标准不确定度式中，表示在等精度测量下作次独立测量时第次测得的结果是次独立测量结果的平均值。测量结果如表1所示。

表1 薄膜样片测量结果

表2 薄膜样片的厚度

图2 原始干涉条纹

图3 细化后的干涉条纹

由表1中得到的干涉条纹小数部分代入等效式中，可以求出被测薄膜的厚度值，结果如表2所示。

2 结论

本文采用双频激光干涉技术与数字图像处理技术应用于测量薄膜厚度标准中条纹图的处理，提高了读数分辨率和测量效率。突破了单频激光时只能测试不大于激光半波长（/2）的薄膜厚度，结果表明，测试精度高，可以获得小于1nm的精度，并且测试可靠。这在高精度干涉法测量薄膜厚度技术上是一个新的进展。

[1]马成,徐磊.改进的迈克尔逊干涉仪测量薄膜厚度[J].光学仪器,2012.2,34(1):85-90.

[2]苏宝玺,杨文琴,吴荣琴.几种常用光学方法测量薄膜厚度设计[J],长春师范大学学报,2014.8,33(4):29-32.

[3]苏俊宏.双波长激光干涉移相式测量长度技术研究[J].红外与激光工程,2003.8,32(4):359-363.