CN108426530A - 一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，属于光学测量领域。具体包括宽谱光源输出模块、窄线宽激光光源输出模块、膜厚测量探头模块、解调干涉仪模块以及采集与控制模块五部分。本发明将窄线宽激光光源输出模块的输出信号直接输入到解调干涉仪模块中，满足干涉信号共光路的同时避免了膜厚测量探头模块中激光透射光以及激光多次反射光对干涉信号质量的影响；通过控制膜厚测量探头尾纤的长度避免了膜厚测量探头模块中宽谱光透射光对特征信号峰识别的干扰。本发明实现不需标定样品标定即可对薄膜的厚度及折射率进行非接触测量，具有自校准、测量结果可溯源、稳定性高、特征信号识别简单等优点。

Description

一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法
技术领域
本发明设计属于光学测量领域，具体涉及到了一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法。
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决参数之一，更定着薄膜在力学、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(N.Schwartz,R.Brown,“A Stylus Method for Evaluatingthe Thickness of Thin Films and Substrate Surface Roughness,”in Transactionsof the Eighth Vacuum Symposium and Second International Congress(Pergamon,NewYork,1941),pp.834–845.)，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的取代了接触测量法对薄膜的厚度进行测量。
2013年，南京航空航天大学的马希直等人公开了一种超声膜厚测量仪及其测量方法(中国专利申请号：201310198294.9)，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。
光学测量法具有着高精度的优势，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(中国专利申请号：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着绝对量的测量优势，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Peter J.de Groot等人公开了一种用于薄膜厚度和表面测量的扫描干涉法(Scanning interferometry for thin filmthickness and surface measurements,US Patent 7448799)，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***(中国专利申请号：201410290494.1)，该***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波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，本发明申请人所在课题组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CN201710277954.0)，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；同年，本发明申请人所在课题组提出了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(中国专利申请号CN201710277939.6)，该方法在原有优势的基础上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。
本发明提供了一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，能够同时实现薄膜厚度及折射率的非接触测量。膜厚测量探头模块中差分结构的设计减小了膜厚测量探头受外界环境的影响，本发明将窄线宽激光输出模块的输出信号直接输入到解调干涉仪模块中，满足干涉信号共光路的同时避免了膜厚测量探头模块中激光透射光以及激光多次反射光对干涉信号质量的影响，提高了薄膜厚度溯源的精度；通过控制膜厚测量探头尾纤的长度避免了膜厚测量探头模块中宽谱光透射光对特征信号峰的干扰，提高了特征信号识别的准确性。本发明可广泛用于薄膜生产以及其他需对薄膜的厚度进行高精度测量的领域。
发明内容
本发明目的在于提供不需标定样品标定即可对薄膜的厚度以及折射率进行测量，具有自校准、测量结果可溯源、稳定性高、抗干扰能力强、特征信号识别简单的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置，由宽谱光输出模块1、窄线宽激光输出模块2、膜厚测量探头模块3、解调干涉仪模块4以及采集与控制模块5五部分组成；各模块的组成分别是：
宽谱光输出模块1由宽谱光源101、第1隔离器102所组成。
窄线宽激光输出模块2由窄线宽激光光源201、第2隔离器202所组成。
膜厚测量探头模块3第1测量探头301以及第2测量探头302所组成。
解调干涉仪模块4由解调干涉仪模块4由第1法拉第反射镜401，第2法拉第反射镜402，第1准直镜403，第2准直镜404，第3准直镜405，第4准直镜406，第1解调干涉仪耦合器407，光程扫描装置408，第2解调干涉仪耦合器409，第5准直镜410，第6准直镜411，第7准直镜412，第8准直镜413，第3法拉第反射镜414以及第4法拉第反射镜415所组成。
采集与控制模块5由计算机501，数据采集卡502，第1光电探测器503，第2光电探测器504，第3光电探测器505以及第4光电探测器506所组成。
宽谱光输出模块1输出光通过第1分束耦合器6被分为两路分别通过第1环形器10、第2环形器13进入膜厚测量探头模块3的第1测量探头301和第2测量探头302中进行相关参数的测量；经由第1测量探头301和第2测量探头302的返回光通过第1环形器10、第2环形器13进入第1波分复用器8和第2波分复用器9的相关波长输入端；窄线宽激光输出模块2的输出光通过第2分束耦合器7被分为两路分别进入第1波分复用器8和第2波分复用器9的相关波长输入端；经过第1波分复用器8和第2波分复用器9分别合束后的两束光输入到解调干涉仪模块4中，通过解调干涉仪模块4中的第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B的扫描分别实现光程匹配；通过第3波分复用器11和第4波分复用器12将不同波长的干涉信号分离后输入到采集与控制模块5中。
宽谱光输出模块1中的宽谱光源101的半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW；窄线宽激光输出模块2中的窄线宽激光光源201的半谱宽度小于1pm，出纤功率大于2mW；宽谱光源101与窄线宽激光光源201具有不同的中心波长，且二者的频谱在半谱宽度内没有重叠的部分；
膜厚测量探头模块3中的第1测量探头301与第2测量探头302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测量探头301与第2测量探头302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301和第2测量探头302的出射光线垂直；第1测量探头301第1环形器10的输出端10c相连接，第2测量探头302与第2环形器13输出端13c相连接；
膜厚测量探头模块3中的第1测量探头301和第2测量探头302尾纤的长度差值大于解调干涉仪模块4中光程扫描装置408的光程扫描范围；
解调干涉仪模块4中的第1波分复用器5的输出端5c与第1解调干涉仪耦合器407的4a输入端相连接，第1解调干涉仪耦合器407的4c输出端与第1准直镜403相连接，第2准直镜404与第1法拉第反射镜401相连接，第1解调干涉仪耦合器407的4d输出端与第5准直镜410相连接，第6准直镜411与第3法拉第反射镜414相连接；第2波分复用器9的9c输出端与第2解调干涉仪耦合器409的4g输入端相连接，第2解调干涉仪耦合器409的4e输出端与第4准直镜406相连接，第3准直镜405与第2法拉第反射镜402相连接，第2解调干涉仪耦合器409的4f输出端第8准直镜413相连接，第7准直镜412与第4法拉第反射镜415相连接；第1解调干涉仪耦合器407、第1准直镜403、第2准直镜404、第1法拉第反射镜401、第1正向可移动光学反射镜408a、第1反向可移动光学反射镜408b、第5准直镜410、第6准直镜411、第3法拉第反射镜414构成第1解调干涉仪4A；第2解调干涉仪耦合器409、第3准直镜405、第4准直镜406、第2法拉第反射镜402、第2正向可移动光学反射镜408c、第2反向可移动光学反射镜408d、第7准直镜412、第8准直镜413、第4法拉第反射镜415构成第2解调干涉仪4B；第1准直镜403、第2准直镜404、第3准直镜405、第4准直镜406、第5准直镜410、第6准直镜411、第7准直镜412、第8准直镜413的光学参数相一致；第1法拉第反射镜401、第2法拉第反射镜402、第3法拉第反射镜414、第4法拉第反射镜415的光学参数相一致；
解调干涉仪模块4中的光程扫描装置中408的第1正向可移动光学反射镜408a、第2正向可移动光学反射镜408b、第1反向可移动光学反射镜408c、第2反向可移动光学反射镜408d的光学参数相一致；位置扫描装置408台面的扫描范围L能够满足膜厚测量探头模块不***待测薄膜时，第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B均能实现由不同探头透镜表面反射光的光程匹配；第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B共用同一位置扫描装置408；当第1正向可移动光学反射镜408a与第2正向可移动光学反射镜408c位于零点位置时，第1反向可移动光学反射镜408b与第2反向可移动光学反射镜408d具有最大位移L，第1反向可移动光学反射镜408b与第2反向可移动光学反射镜408d位于零点位置时，第1正向可移动光学反射镜408a与第2正向可移动光学反射镜408c具有最大位移L；扫描过程中，第1正向可移动光学反射镜408a、第2正向可移动光学反射镜408b、第1反向可移动光学反射镜408c、第2反向光学反射镜408d具有相同的位移；
采集与控制模块5中第1光电探测器503与第3波分复用器11的11a输出端连接，第2光电探测器504与第2波分复用器11的11b输出端连接；第3光电探测器505与第3波分复用器12的12a输出端连接，第4光电探测器506与第3波分复用器12的12b输出端连接。光电探测器将采集到的信号通过数据采集卡502输送给计算机501，另外，计算机501同时负责位置扫描装置408的驱动以完成光程扫描。
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量。因此，在白光干涉测量***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5所示，在位置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，可以对位置扫描装置的移动实际距离进行高精度标定。
一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，以不***待测薄膜时，第1测量探头301返回光测量两探头间距为例说明本发明所使用的距离测量方法：
第1测量探头301内部反射光311和第2测量探头302外表面反射光312被第1解调干涉仪耦合器407分为两路：一路进入到由第1准直镜403、第1正向可移动反射镜408a、第2准直镜404以及第1法拉第反射镜401组成的反射***中，产生311’和312’反射光；一路进入到由第5准直镜410、第1反向可移动反射镜408b、第6准直镜411以及第3法拉第反射镜414组成的反射***中，产生311”和312”反射光。在计算机501的控制下，位置扫描装置408带动第1正向可移动反射镜408a与第1反向可移动反射镜408b进行光程扫描，如图6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311’与固定臂中光312”发生匹配，则产生第1次极大白光干涉信号331。
(2)当两臂光程差等于0时，扫描臂与固定臂中，光311’与光311”、光312’与光312”发生匹配，则产生主极大白光干涉信号332。
(3)当两臂光程差等于-2H时，扫描臂中光312’与固定臂中光312”发生匹配，则产生第2次极大白光干涉信号333。
(4)通过对白光干涉信号中心条纹位置的提取，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，进而获得第1测量探头301与第2测量探头302之间的绝对光程。
基于上以宽谱光干涉测量方法的不透明待测薄膜303的厚度测量方法为：
(1)在不***不透明待测薄膜303时，驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使第1测量探头301内部反射光311与第1测量探头301出射光在第2测量探头302外表面反射光312进行光程匹配、第2测量探头302内部反射光321与第2测量探头302出射光在第1测量探头301外表面反射光322进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，获得两测量探头之间的光程H；
(2)将不透明待测薄膜303***第1测量探头301与第2测量探头302中间，使不透明待测薄膜303与第1测量探头301与第2测量探头302的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使由第1测量探头301内部反射光413与第1测量探头301出射光在不透明待测薄膜前表面303a反射光314进行光程匹配、第2测量探头302内部反射光323与第2测量探头302出射光在不透明待测薄膜后表面303b反射光324进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头301与不透明待测薄膜前表面303a的光程二倍H1、第2测量探头302与不透明待测薄膜前表面303b的二倍光程H2；
(3)不透明待测薄膜303厚度d1可由上述的两次测量值所决定，
透明待测薄膜304的厚度及折射率测量方法为：
(1)在不***透明待测薄膜304时，驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使第1测量探头301内部反射光311与第1测量探头301出射光在第2测量探头302外表面反射光312进行光程匹配、第2测量探头302内部反射光321与第2测量探头302出射光在第1测量探头301外表面反射光322进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，获得两测量探头之间的二倍光程H；
(2)将透明待测薄膜304***第1测量探头301与第2测量探头302中间，透明待测薄膜304与第1测量探头301与第2测量探头302的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使第1测量探头301内部反射光315、第1测量探头301出射光在透明待测薄膜前表面304a反射光316、第1测量探头301出射光在透明待测薄膜后表面304b反射光317分别进行光程匹配，使第2测量探头302内部反射光325、第2测量探头302出射光在透明待测薄膜后表面304b反射光326、第2测量探头302出射光在透明待测薄膜前表面304a反射光327分别进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头301与透明待测薄膜前表面304a的二倍光程H3、第1测量探头301与透明待测薄膜后表面304b的二倍光程H4、第2测量探头302与透明待测薄膜后表面304b的二倍光程H5、第2测量探头302与透明待测薄膜前表面304a的二倍光程H6；
(3)透明待测薄膜304厚度d2可由上述的两次测量值所决定，即d2＝1/2[H-(H3+H5)]；空气折射率为1时，透明待测薄膜304的折射率n可由上述的两次测量值所决定，
即
本发明的有益效果在于：
本发明直接将窄线宽激光光源输入到解调干涉仪中，进一步避免了激光透射光以及激光多次反射对干涉信号质量的影响，提高了薄膜厚度溯源的精度；
本发明过控制膜厚测量探头尾纤的长度避免了膜厚测量探头模块中宽谱光透射光对特征信号峰识别的干扰，降低了识别的难度，进一步提高了特征信号识别的准确性。
本发明采用双探头的设计，能够同时非接触的测量薄膜的厚度以及薄膜的折射率；
本发明双光源共光路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是一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置示意图；
图2是未加载待测薄膜时测量探头模块内部光路图；
图3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4是加载待测透明待测薄膜时测量探头模块内部光路图；
图5是激光干涉信号溯源原理示意图；
图6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。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例一：
本发明总体技术方案如图1所示。宽谱光输出模块1由中心波长为1310nm的宽谱光源101、工作波长为1310nm的第1隔离器102所组成，宽谱光源101作为测量光源，主要用于实现薄膜厚度的绝对测量；窄线宽激光输出模块由波长1550nm的窄线宽激光光源201、工作波长为1550nm的第2隔离器202所组成，窄线宽稳频激光光源103作为光路校正光源，主要用于实现薄膜厚度测量的溯源。宽谱光源101发出的光分别经过第1隔离器102进入到分光比为3dB的分束耦合器2中被等分成两路分别通过工作波长为1310nm的第1环形器11和工作波长为1310nm的第2环形器13进入到膜厚测量探头模块3中；第1测量探头301与第2测量探头302透镜端面反射率与透射率的比为50:50，从第1测量探头401与第2测量探头402返回的测量光再分别经过工作波长为1310nm的第1环形器11和工作波长为1310nm第2环形器13进入到工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8和工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9的相关波长输入端；波长为1550nm的窄线宽激光输出模块2的输出光通过第2分束耦合器7被分为两路分别进入工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8和工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9的相关波长输入端；经过工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8和工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9分别合束后的两束光输入到解调干涉仪模块4中，通过解调干涉仪模块4中的第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B的扫描分别实现光程匹配；通过工作波长为1310nm和1550nm第3波分复用器11和工作波长为1310nm和1550nm第4波分复用器12将中心波长为1310nm的白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503、第2光电探测器504、第3光电探测器505、第4光电探测器506所获取。光电探测器将收集到的信号通过数据采集卡502传输到计算机501中进行解调处理，计算机501同时负责对位置扫描装置408进行驱动。
当待测薄膜没有***时，宽谱光输出模块1输出光被分光比为3dB的第1分束耦合器6分束,光线分别经过工作波长为1310nm的第1环形器11和工作波长为1310nm的第2环形器13进入到膜厚测量探头模块3中。如图2所示，由第1测量探头301自身透镜内表面反射光束311、第2测量探头302透镜的外表面反射光束312通过工作波长为1310nm的第1环形器11进入到工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8相关波长输入端；由第2测量探头302自身透镜内反射光束321、第1测量探头301透镜的外表面反射光束322通过工作波长为1310nm的第2环形器13输入到工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9相关波长输入端；窄线宽激光输出模块2输出光被分光比为3dB的第2分束耦合器7分束后分别输入到工作波长为1310nm和1550nm的第1波分复用器8和工作波长为1310nm和1550nm的第2波分复用器9的相关波长输入端；经过工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8合束后光信号输入到第1解调干涉仪4A中；经过工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9合束后光信号输入到第2解调干涉仪4B中；光束在第1解调干涉仪4A中传输方式为：工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8将光信号输入到分光比为3dB的第1解调干涉仪耦合器407中分为两束：一束经过第1正向可移动反射镜408a的传输、第1法拉第反射镜401反射，另一束经过第1反向可移动反射镜408b传输、第3法拉第反射镜414反射，当第1正向光学扫描反射镜408a与第1反向可移动光学反射镜408b移动时，反射光411与反射光412发生光程完全匹配，在第1光电探测器503上形成宽谱光干涉条纹，在第2光电探测器504上形成激光干涉条纹；光束在第2解调干涉仪6B中传输方式为：工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9将光信号输入到分光比为3dB的第2解调干涉仪耦合器409中分为两束：一束经过第2正向可移动反射镜408c的传输、第2法拉第反射镜402反射，另一束经过第2反向可移动反射镜408d的传输、第4法拉第反射镜415反射，当第2正向光学扫描反射镜408c与第2反向可移动光学反射镜408d移动时，反射光321与反射光322发生光程完全匹配，在第3光电探测器505上形成宽谱光干涉条纹，在第4光电探测器506上形成激光干涉条纹，经过对白光干涉信号的解调可以得到两测量探头之间的二倍光程H。
不透明待测薄膜303进行测量时，如图3所示，由第1测量探头301透镜内表面反射光束313、不透明待测薄膜前表面303a反射光束314输入到第1解调干涉仪6A中；由第2测量探头302透镜内表面反射光束323、待测薄膜后表面303b反射光束324输入到第2解调干涉仪6B中。光束在第1解调干涉仪6A中传输方式为：由工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8将光信号输入到分光比为3dB的第1解调干涉仪耦合器407中分为两束，一束经过第1正向可移动反射镜408a的传输、第1法拉第反射镜401反射，另一束经过第1反向可移动反射镜408b传输、第3法拉第反射镜414反射，当第1正向光学扫描反射镜408a与第1反向可移动光学反射镜408b移动时，反射光313与反射光314发生光程完全匹配，在第1光电探测器703上形成宽谱光干涉条纹，在第2光电探测器704上形成激光干涉条纹；光束在第2解调干涉仪6B中传输方式为：由工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9将光信号输入到分光比为3dB的第2解调干涉仪耦合器409中分为两束，一束经过第2正向可移动反射镜408c的传输、第2法拉第反射镜402反射，另一束经过第2反向可移动反射镜408d的传输、第4法拉第反射镜415反射，当第2正向光学扫描反射镜408c与第2反向可移动光学反射镜408d移动时，反射光323与反射光324发生光程完全匹配，在第3光电探测器505上形成宽谱光干涉条纹，在第4光电探测器506上形成激光干涉条纹。通过对宽谱光干涉信号和窄线宽激光干涉信号的解调，分别获得第1测量探头301与不透明待测薄膜前表面303a的二倍光程H1、第2测量探头302与不透明待测薄膜后表面303b的二倍光程H2。因此，不透明薄膜厚度d1就被上述两次测量值所决定，即
透明待测薄膜304测量时，如图4所示，由第1测量探头301透镜内表面反射光束315、透明待测薄膜前表面304a反射光束316、透明待测薄膜后表面304b反射光束317输入到第1解调干涉仪6A中；由第2测量探头302透镜内表面反射光束325、透明待测薄膜后表面304b反射光束326、透明待测薄膜前表面304a反射光束327输入到第2解调干涉仪6B中。光束在第1解调干涉仪6A中传输方式为：由工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8将光信号输入到分光比为3dB的第1解调干涉仪耦合器407中分为两束，一束经过第1正向可移动反射镜408a的传输、第1法拉第反射镜401反射，另一束经过第1反向可移动反射镜408b传输、第3法拉第反射镜414反射，当第1正向光学扫描反射镜408a与第1反向可移动光学反射镜408b移动时，反射光315、反射光316、反射光317分别发生光程完全匹配，在第1光电探测器503上形成宽谱光干涉条纹，在第2光电探测器504上形成激光干涉条纹；光束在第2解调干涉仪6B中传输方式为：由工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9将光信号输入到分光比为3dB的第2解调干涉仪耦合器409中分为两束，一束经过第2正向可移动反射镜408c的传输、第2法拉第反射镜402反射，另一束经过第2反向可移动反射镜408d的传输、第4法拉第反射镜415反射，当第2正向光学扫描反射镜408c与第2反向可移动光学反射镜408d移动时，反射光325、反射光326、反射光327分别发生光程完全匹配，在第3光电探测器505上形成宽谱光干涉条纹，在第4光电探测器506上形成激光干涉条纹。通过对宽谱光干涉信号和窄线宽激光干涉信号的解调，分别获得第1测量探头301与透明待测薄膜前表面304a的二倍光程H3、第1测量探头301与透明待测薄膜后表面304b的二倍光程H4、第2测量探头302与透明待测薄膜后表面304b的二倍光程H5、第2测量探头302与透明待测薄膜前表面304a的二倍光程H6；透明待测薄膜(304)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(304)的折射率n可由上述的两次测量值所决定，
即
实施例二：
一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置由宽谱光输出模块1、窄线宽激光输出模块2、膜厚测量探头模块3、解调干涉仪模块4以及采集与控制模块5等五部分组成；
宽谱光输出模块1输出光通过第1分束耦合器6被分为两路分别通过第1环形器10、第2环形器13进入膜厚测量探头模块3的第1测量探头301和第2测量探头302中；经由第1测量探头301和第2测量探头302的返回光通过第1环形器10、第2环形器11分别进入第1波分复用器8和第2波分复用器9的相关波长输入端；
窄线宽激光输出模块2的输出光通过第2分束耦合器7被分为两路分别进入第1波分复用器8和第2波分复用器9的相关波长输入端；经过第1波分复用器8和第2波分复用器9分别合束后的两束光输入到解调干涉仪模块4中，通过解调干涉仪模块4中的第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B；通过第3波分复用器11和第4波分复用器12的不同波长的干涉信号分离后输入到采集与控制模块5中。
所述的宽谱光输出模块1和窄线宽激光输出模块2中光源的特征为：宽谱光源101的半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW；窄线宽激光光源201的半谱宽度小于1pm，出纤功率大于2mW；宽谱光源101与窄线宽激光光源201具有不同的中心波长，且二者的频谱在半谱宽度内没有重叠的部分。
所述的膜厚测量探头模块3由第1测量探头301和第2测量探头302所组成；第1测量探头301与第2测量探头302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测量探头301与第2测量探头302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301和第2测量探头302的出射光线垂直；第1测量探头301与第1环形器10的输出端10c相连接，第2测量探头302与第2环形器13输出端13c相连接。
所述的膜厚测量探头模块3中膜厚测量探头尾纤长度的特征为：第1测量探头301和第2测量探头302尾纤的长度差值大于解调干涉仪模块4中光程扫描装置408的光程扫描范围。
所述的解调干涉仪模块4由第1法拉第反射镜401，第2法拉第反射镜402，第1准直镜403，第2准直镜404，第3准直镜405，第4准直镜406，第1解调干涉仪耦合器407，光程扫描装置408，第2解调干涉仪耦合器409，第5准直镜410，第6准直镜411，第7准直镜412，第8准直镜413，第3法拉第反射镜414以及第4法拉第反射镜415所组成；第1波分复用器8的输出端8c与第1解调干涉仪耦合器407的4a输入端相连接，第1解调干涉仪耦合器407的4c输出端与第1准直镜403相连接，第2准直镜404与第1法拉第反射镜401相连接，第1解调干涉仪耦合器407的4d输出端第5准直镜410相连接，第6准直镜411与第3法拉第反射镜414相连接；第2波分复用器9的9c输出端与第2解调干涉仪耦合器409的4g输入端相连接，第2解调干涉仪耦合器409的4e输出端与第4准直镜406相连接，第3准直镜405与第2法拉第反射镜402相连接，第2解调干涉仪耦合器409的4h输出端第8准直镜413相连接，第7准直镜412与第4法拉第反射镜415相连接；第1解调干涉仪耦合器407、第1准直镜403、第2准直镜404、第1法拉第反射镜401、第1正向可移动光学反射镜408a、第1反向可移动光学反射镜408b、第5准直镜410、第6准直镜411、第3法拉第反射镜414和构成第1解调干涉仪4A；第2解调干涉仪耦合器409、第3准直镜405、第4准直镜406、第2法拉第反射镜402、第2正向可移动光学反射镜408c、第2反向可移动光学反射镜408d、第7准直镜412、第8准直镜413、第4法拉第反射镜415和构成第2解调干涉仪4B；第1准直镜403、第2准直镜404、第3准直镜405、第4准直镜406、第5准直镜410、第6准直镜411、第7准直镜412、第8准直镜413的光学参数相一致；第1法拉第反射镜401、第2法拉第反射镜402、第3法拉第反射镜414、第4法拉第反射镜415的光学参数相一致。
所述的解调干涉仪模块4中的光程扫描装装置408的特征是：第1正向可移动光学反射镜408a，第2正向可移动光学反射镜408b，第1反向可移动光学反射镜408c，第2反向可移动光学反射镜408d的光学参数相一致；位置扫描装置408的光程扫描范围L能够满足膜厚测量探头模块4不***待测薄膜时，第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B均能实现由不同探头透镜表面反射光的光程匹配；第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B共用同一位置扫描装置408；当第1正向可移动光学反射镜408a与第2正向可移动光学反射镜408c位于零点位置时，第1反向可移动光学反射镜408b与第2反向可移动光学反射镜408d具有最大位移L，第1反向可移动光学反射镜408b与第2反向可移动光学反射镜408d位于零点位置时，第1正向可移动光学反射镜408a与第2正向可移动光学反射镜408c具有最大位移L；扫描过程中，第1正向可移动光学反射镜408a、第2正向可移动光学反射镜408b、第1反向可移动光学反射镜408c、第2反向光学反射镜408d具有相同的位移。
所述的不透明薄膜厚度测量方法为：
(1)在不***不透明待测薄膜303时，驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使第1测量探头301内部反射光311与第1测量探头301出射光在第2测量探头302外表面反射光312进行光程匹配、第2测量探头302内部反射光321与第2测量302探头出射光第1测量探头301外表面反射光322进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，获得两测量探头之间的二倍光程H；
(2)将不透明待测薄膜303***第1测量探头301与第2测量探头302中间，使不透明待测薄膜303与第1测量探头301与第2测量探头302的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使第1测量探头301内部反射光313与第1测量探头301出射光在不透明待测薄膜前表面303a反射光314进行光程匹配、第2测量探头302内部反射光323与第2测量探头302出射光在不透明待测薄膜后表面303b反射光324进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头301与不透明待测薄膜前表面303a的二倍光程H1、第2测量探头302与不透明待测薄膜前表面303b的二倍光程H2；
(3)不透明待测薄膜303厚度d1可由上述的两次测量值所决定，
即
一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，包括以下步骤：
(1)在不***透明待测薄膜304时，驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使第1测量探头301内部反射光311与第1测量探头301出射光在第2测量探头302外表面反射光312进行光程匹配、第2测量探头302内部反射光321与第2测量探头302出射光在第1测量探头301外表面反射光322进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，获得两测量探头之间的二倍光程H；
(2)将透明待测薄膜304***第1测量探头301与第2测量探头302中间，使透明待测薄膜304与第1测量探头301与第2测量探头302的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置408进行光程扫描，使第1测量探头301内部反射光315、第1测量探头301出射光在透明待测薄膜前表面304a反射光316、第1测量探头301出射光在透明待测薄膜后表面304b反射光317分别进行光程匹配，使第2测量探头302内部反射光325、第2测量探头302出射光在透明待测薄膜后表面304b反射光326、第2测量探头302出射光在透明待测薄膜前表面304a反射光327分别进行光程匹配；通过采集与控制模块5对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头301与透明待测薄膜前表面304a的二倍光程H3、第1测量探头301与透明待测薄膜后表面304b的二倍光程H4、第2测量探头302与透明待测薄膜后表面304b的二倍光程H5、第2测量探头302与透明待测薄膜前表面30ab的二倍光程H6；
(3)空气折射率为1时，透明待测薄膜304厚度d2可由上述的两次测量值所决定，
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (8)

1.一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是：一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置由宽谱光输出模块(1)、窄线宽激光输出模块(2)、膜厚测量探头模块(3)、解调干涉仪模块(4)以及采集与控制模块(5)五部分组成；
宽谱光输出模块(1)输出光通过第1分束耦合器(6)被分为两路分别通过第1环形器(10)、第2环形器(13)进入膜厚测量探头模块(3)的第1测量探头(301)和第2测量探头(302)中；经由第1测量探头(301)和第2测量探头(302)的返回光通过第1环形器(10)、第2环形器(11)分别进入第1波分复用器(8)和第2波分复用器(9)的相关波长输入端；
窄线宽激光输出模块(2)的输出光通过第2分束耦合器(7)被分为两路分别进入第1波分复用器(8)和第2波分复用器(9)的相关波长输入端；经过第1波分复用器(8)和第2波分复用器(9)分别合束后的两束光输入到解调干涉仪模块(4)中，通过解调干涉仪模块(4)中的第1解调干涉仪(4A)与第2解调干涉仪(4B)；通过第3波分复用器(11)和第4波分复用器(12)的不同波长的干涉信号分离后输入到采集与控制模块(5)中。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是，所述的宽谱光输出模块(1)和窄线宽激光输出模块(2)中光源的特征为：宽谱光源(101)的半谱宽度大于45nm，出纤功率大于2mW；窄线宽激光光源(201)的半谱宽度小于1pm，出纤功率大于2mW；宽谱光源(101)与窄线宽激光光源(201)具有不同的中心波长，且二者的频谱在半谱宽度内没有重叠的部分。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是：所述的膜厚测量探头模块(3)由第1测量探头(301)和第2测量探头(302)所组成；第1测量探头(301)与第2测量探头(302)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测量探头(301)与第2测量探头(302)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(301)和第2测量探头(302)的出射光线垂直；第1测量探头(301)与第1环形器(10)的输出端(10c)相连接，第2测量探头(302)与第2环形器(13)输出端(13c)相连接。
4.根据权利要求3所述的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是，所述的膜厚测量探头模块(3)中膜厚测量探头尾纤长度的特征为：第1测量探头(301)和第2测量探头(302)尾纤的长度差值大于解调干涉仪模块(4)中光程扫描装置(408)的光程扫描范围。
5.根据权利要求1所述的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是：所述的解调干涉仪模块(4)由第1法拉第反射镜(401)，第2法拉第反射镜(402)，第1准直镜(403)，第2准直镜(404)，第3准直镜(405)，第4准直镜(406)，第1解调干涉仪耦合器(407)，光程扫描装置(408)，第2解调干涉仪耦合器(409)，第5准直镜(410)，第6准直镜(411)，第7准直镜(412)，第8准直镜(413)，第3法拉第反射镜(414)以及第4法拉第反射镜(415)所组成；第1波分复用器(8)的输出端(8c)与第1解调干涉仪耦合器(407)的(4a)输入端相连接，第1解调干涉仪耦合器(407)的(4c)输出端与第1准直镜(403)相连接，第2准直镜(404)与第1法拉第反射镜(401)相连接，第1解调干涉仪耦合器(407)的(4d)输出端第5准直镜(410)相连接，第6准直镜(411)与第3法拉第反射镜(414)相连接；第2波分复用器(9)的(9c)输出端与第2解调干涉仪耦合器(409)的(4g)输入端相连接，第2解调干涉仪耦合器(409)的(4e)输出端与第4准直镜(406)相连接，第3准直镜(405)与第2法拉第反射镜(402)相连接，第2解调干涉仪耦合器(409)的(4h)输出端第8准直镜(413)相连接，第7准直镜(412)与第4法拉第反射镜(415)相连接；第1解调干涉仪耦合器(407)、第1准直镜(403)、第2准直镜(404)、第1法拉第反射镜(401)、第1正向可移动光学反射镜(408a)、第1反向可移动光学反射镜(408b)、第5准直镜(410)、第6准直镜(411)、第3法拉第反射镜(414)和构成第1解调干涉仪(4A)；第2解调干涉仪耦合器(409)、第3准直镜(405)、第4准直镜(406)、第2法拉第反射镜(402)、第2正向可移动光学反射镜(408c)、第2反向可移动光学反射镜(408d)、第7准直镜(412)、第8准直镜(413)、第4法拉第反射镜(415)和构成第2解调干涉仪(4B)；第1准直镜(403)、第2准直镜(404)、第3准直镜(405)、第4准直镜(406)、第5准直镜(410)、第6准直镜(411)、第7准直镜(412)、第8准直镜(413)的光学参数相一致；第1法拉第反射镜(401)、第2法拉第反射镜(402)、第3法拉第反射镜(414)、第4法拉第反射镜(415)的光学参数相一致。
6.根据权利要求4所述的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是，所述的解调干涉仪模块(4)中的光程扫描装装置(408)的特征是：第1正向可移动光学反射镜(408a)，第2正向可移动光学反射镜(408b)，第1反向可移动光学反射镜(408c)，第2反向可移动光学反射镜(408d)的光学参数相一致；位置扫描装置(408)的光程扫描范围(L)能够满足膜厚测量探头模块(4)不***待测薄膜时，第1解调干涉仪(4A)与第2解调干涉仪(4B)均能实现由不同探头透镜表面反射光的光程匹配；第1解调干涉仪(4A)与第2解调干涉仪(4B)共用同一位置扫描装置(408)；当第1正向可移动光学反射镜(408a)与第2正向可移动光学反射镜(408c)位于零点位置时，第1反向可移动光学反射镜(408b)与第2反向可移动光学反射镜(408d)具有最大位移(L)，第1反向可移动光学反射镜(408b)与第2反向可移动光学反射镜(408d)位于零点位置时，第1正向可移动光学反射镜(408a)与第2正向可移动光学反射镜(408c)具有最大位移(L)；扫描过程中，第1正向可移动光学反射镜(408a)、第2正向可移动光学反射镜(408b)、第1反向可移动光学反射镜(408c)、第2反向光学反射镜(408d)具有相同的位移。
7.根据权利要求1所述的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是，所述的不透明薄膜厚度测量方法为：
(1)在不***不透明待测薄膜(303)时，驱动光程位置扫描装置(408)进行光程扫描，使第1测量探头(301)内部反射光(311)与第1测量探头(301)出射光在第2测量探头(302)外表面反射光(312)进行光程匹配、第2测量探头(302)内部反射光(321)与第2测量(302)探头出射光第1测量探头(301)外表面反射光(322)进行光程匹配；通过采集与控制模块(5)对相关参数进行解调记录，获得两测量探头之间的二倍光程H；
(2)将不透明待测薄膜(303)***第1测量探头(301)与第2测量探头(302)中间，使不透明待测薄膜(303)与第1测量探头(301)与第2测量探头(302)的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置(408)进行光程扫描，使第1测量探头(301)内部反射光(313)与第1测量探头(301)出射光在不透明待测薄膜前表面(303a)反射光(314)进行光程匹配、第2测量探头(302)内部反射光(323)与第2测量探头(302)出射光在不透明待测薄膜后表面(303b)反射光(324)进行光程匹配；通过采集与控制模块(5)对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头(301)与不透明待测薄膜前表面(303a)的二倍光程H1、第2测量探头(302)与不透明待测薄膜前表面(303b)的二倍光程H2；
(3)不透明待测薄膜(303)厚度d1可由上述的两次测量值所决定，即
8.根据权利要求1所述的一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，其特征是，一种薄膜厚度与折射率同时测量的装置及测量方法，包括以下步骤：
(1)在不***透明待测薄膜(304)时，驱动光程位置扫描装置(408)进行光程扫描，使第1测量探头(301)内部反射光(311)与第1测量探头(301)出射光在第2测量探头(302)外表面反射光(312)进行光程匹配、第2测量探头(302)内部反射光(321)与第2测量探头(302)出射光在第1测量探头(301)外表面反射光(322)进行光程匹配；通过采集与控制模块(5)对相关参数进行解调记录，获得两测量探头之间的二倍光程H；
(2)将透明待测薄膜(304)***第1测量探头(301)与第2测量探头(302)中间，使透明待测薄膜(304)与第1测量探头(301)与第2测量探头(302)的出射光线垂直；驱动光程位置扫描装置(408)进行光程扫描，使第1测量探头(301)内部反射光(315)、第1测量探头(301)出射光在透明待测薄膜前表面(304a)反射光(316)、第1测量探头(301)出射光在透明待测薄膜后表面(304b)反射光(317)分别进行光程匹配，使第2测量探头(302)内部反射光(325)、第2测量探头(302)出射光在透明待测薄膜后表面(304b)反射光(326)、第2测量探头(302)出射光在透明待测薄膜前表面(304a)反射光(327)分别进行光程匹配；通过采集与控制模块(5)对相关参数进行解调记录，分别获得第1测量探头(301)与透明待测薄膜前表面(304a)的二倍光程H3、第1测量探头(301)与透明待测薄膜后表面(304b)的二倍光程H4、第2测量探头(302)与透明待测薄膜后表面(304b)的二倍光程H5、第2测量探头(302)与透明待测薄膜前表面(30ab)的二倍光程H6；
(3)空气折射率为1时，透明待测薄膜(304)厚度d2可由上述的两次测量值所决定，即透明待测薄膜(304)的折射率n可由上述的两次测量值所决定，即
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