李 媛

（西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 光電信息系，陜西西安，710032）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)薄膜已廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)及大功率激光器系統(tǒng)。由于薄膜器件的大量使用，尤其在武器系統(tǒng)升級改造的過程中的廣泛使用，對薄膜性能的提升，膜系優(yōu)劣的評價，對現(xiàn)有的測試技術(shù)提出了更高的要求。光學(xué)薄膜的厚度對薄膜元件整體性能的影響至關(guān)重要[1]。且薄膜厚度的精確測量也是光學(xué)薄膜參數(shù)測量的重要指標(biāo)之一，薄膜厚度的測量方法很多[2]，對于光學(xué)干涉法測量的方法因其無損性的優(yōu)點而被廣泛應(yīng)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(shù)，測量薄膜厚度的基本測量原理是設(shè)法使被測厚度和干涉儀的光程差相聯(lián)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(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的等厚干涉條紋光強(qiáng)分布服從正弦規(guī)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(wěn)頻激光器作為光源進(jìn)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(chǎn)生于薄膜的上表面，另一組產(chǎn)生于鍍有薄膜的基片表面。由于投射到基片上的光線所經(jīng)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(yīng)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(shù)部分。

具體操作思路是，先預(yù)測薄膜樣片的厚度，要求預(yù)測精度優(yōu)于半個條紋（/4），對于632.8nm的He-Ne激光器來說，就要求預(yù)測精度達(dá)到158.2nm，這樣的預(yù)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(dāng)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(shù)部分及小數(shù)部分的關(guān)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(yù)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(yù)處理和圖像細(xì)化兩大步驟。本文對圖像處理是基于濾波和二值化等預(yù)處理的條紋細(xì)化、條紋中心提取和干涉條紋小數(shù)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(jìn)行細(xì)化處理。但在實際干涉圖處理中，因為光路系統(tǒng)中的某些器件、被測物本身的形狀缺陷或某些隨機(jī)因素如灰塵臟點等因素會遮擋干涉區(qū)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(shù)據(jù)圖像逐行進(jìn)行FFT運算，在頻域空間選擇適當(dāng)?shù)牡屯V波器將高頻隨機(jī)噪聲濾去。一般的一維光強(qiáng)表達(dá)式可寫為：

(1)不破壞條紋圖像的連接性;

(2)保護(hù)條紋圖像的細(xì)節(jié)特征,不致引起條紋圖像的逐步吞食;

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

(4)細(xì)化過程逐點進(jìn)行,要求迭代次數(shù)盡可能少,以便縮短時間。

一幅圖像的區(qū)域3*3,對各點標(biāo)記為P1,P2,…, P9,其中P位于中心。如果P1=1(即黑點,目標(biāo)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(shù)。

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

1.3 干涉條紋小數(shù)部分的確定

干涉條紋圖樣細(xì)化后，就可以求取干涉條紋小數(shù)部分。干涉條紋小數(shù)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(jìn)行測量。對于得到的小數(shù)，使用貝塞爾法評定單次測量標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果是次獨立測量結(jié)果的平均值。測量結(jié)果如表1所示。

表1 薄膜樣片測量結(jié)果

表2 薄膜樣片的厚度

圖2 原始干涉條紋

圖3 細(xì)化后的干涉條紋

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

2 結(jié)論

本文采用雙頻激光干涉技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于測量薄膜厚度標(biāo)準(zhǔn)中條紋圖的處理，提高了讀數(shù)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(jié)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(shù)上是一個新的進(jìn)展。

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

[2]蘇寶璽,楊文琴,吳榮琴.幾種常用光學(xué)方法測量薄膜厚度設(shè)計[J],長春師范大學(xué)學(xué)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(shù)研究[J].紅外與激光工程,2003.8,32(4):359-363.