[发明专利]差动共焦-低相干干涉组合折射率及厚度测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于光学平板和薄膜的群折射率、相折射率和几何厚度的高精度测量。

技术背景

折射率和几何厚度是光学器件十分重要的基本物理参数，它们反映了光学器件的许多信息，同时也与光学器件的其他参数(如光热系数)相关，精密而独立的测量光学器件的折射率和几何厚度有很高难度。作为光学器件的基本参数，折射率和几何厚度的独立精密测量一直是光学测量领域的一个难点，主要因素在于：折射率的测量常与厚度测量关联，测量需要已知信息辅助；薄膜厚度小，附着于其他器件，厚度难实现精密测量；相折射率与群折射率常不相等，需分别测量。由于以上原因，测角法或干涉法等传统的折射率测量方法和机械法或迈克尔逊干涉法等厚度测量方法难以实现折射率和几何厚度的独立高精度测量。

针对几何厚度与折射率的测量，国内学者提出了新的测量方法，发表的文献主要包括：《江西师范大学学报》的《介质薄膜的厚度和折射率测量的实验研究》；《光电技术应用》的《CCD在透明材料折射率测量中的应用》。此类技术主要采用了干涉法，利用计算机对样品的干涉条纹进行分析或利用干涉条纹进行定位测角。该方法的测量精度比传统的方法有所提高，但是实验设备复杂，对测量条件要求较高。

相比较国外的折射率、几何厚度测量技术，在《Optics Letters》中2003年发表的《Bifocal optical coherenc refractometry of turbid media》中，采用了双焦点低相干干涉法，实现了浑浊晶体的折射率和厚度测量，使用了计算机自动化处理测量信息，简化了测量过程并且提高了测量效率，但是该方法使用了低相干干涉条纹光强信号的包络曲线并且没有考虑样品对测量光束的色散效应，限制了测量的精度。在《Applied Optics》2002年发表的《Low-coherence interferometer systemfor thesimultaneous measurement of refractive index and thickness》中，采用了低相干干涉技术，将样品的群折射率与相折射率分开测量，获得了较高的精度，但是该方法需要事先将公式中的常量做成数表，或者借助辅助手段测量样品的几何厚度，极大的限制了该方法的使用范围。在《Optical Fiber Seniors》中2000年发表的《Optical tomographyalong the geometrical thickness by combination of coherence-gate andconfocal imagings》中，采用相干X射线断层摄影技术与共焦技术相结合的方法测量了多层样品的X射线断层结构，得到了样品的几何厚度和折射率，并达到了很高的测量精度。该测量方法利用X射线断层摄影技术对样品进行了断层摄影，得到的了样品的层析图像，获得了样品较多的信息。但是此方法的测量过程中假定了样品的相折射率与群折射率相等的前提，造成了测量方法理论上的缺陷。

以上几种测量方法的共性还在于：其对相折射率、群折射率和几何厚度的测量都依赖于对样品的已知信息或者对样品的参数进行假设。由于在实际的测量中很多情况下不能获得样品足够的已知信息，所以其测量范围受到极大限制。如果能够提出一种不依赖于样品的已知信息或者假设的测量方法，则可以扩大测量相折射率、群折射率和几何厚度的样品适用范围，并且可以进一步提高相折射率、群折射率和几何厚度测量的精度。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，灵敏度高于以垂轴方向响应为判断依据的评价方法，并且由于采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如：中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了抗环境扰动能力，但差动共焦技术主要适用于微观显微测量领域，而将该项技术直接应用于定焦，继而实现折射率和几何厚度测量的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决光学平板和薄膜的折射率和几何厚度的高精度测量问题，提出了一种利用差动共焦响应曲线过零点时目标位置对应显微镜焦点的特性和低相干干涉条纹对比度最大值对应参考光路和测量光路等光程的特性的方法实现精确测量，显著提高了样品的几何厚度和折射率的测量精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

步骤一、测量计算被测样品的折射率和几何厚度所需的参数：