具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置及方法

摘要

本发明提供一种具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置及方法，属于光学测量领域，包括宽谱光输出模块、窄线宽激光输出模块、薄膜测量模块、解调干涉仪模块以及采集与控制模块等五个主要部分。本发明基于偏振复用的原理，利用双面四探头的测量结构，在对薄膜厚度及折射率测量的基础上，实现对其角度偏移进行监测及校正，提升厚度测量准确性的同时可对薄膜厚度均匀性的评价。偏振复用技术的采用消除了透射光影响，降低特征干涉峰的识别难度。本发明实现不需要额外的装置即可实现对薄膜的偏转角度进行测量，具有薄膜厚度与折射率测量准确性高、评价结果丰富、自校准、自标定、可溯源以及测量系统稳定性高等优点。

权利要求

1.具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置，其特征在于：包括宽谱光输出模块(1)、窄线宽激光输出模块(2)、薄膜测量模块(3)、解调干涉仪模块(4)以及采集与控制模块(5)；宽谱光输出模块(1)的输出光经过第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(11)进入薄膜测量模块(3)中实现与薄膜偏转角度、薄膜厚度及折射率相关的特征光信号的获取；薄膜测量模块(3)的返回光再次分别经过第1环形器(10)与第

2环形器(11)分别进入到第1波分复用器(8)的第1端口(8a)中和第2波分复用器(9)的第2端口(9b)中；窄线宽激光输出模块(2)的输出光经过第2分束耦合器(7)被分为两路分别进入第1波分复用器(8)的第2端口(8b)中和第2波分复用器(9)的第1端口(9a)中；经过第1波分复用器(8)和第2波分复用器(9)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)中的光程扫描装置(404)进行光程扫描实现宽谱光干涉信号与激光干涉信号的获取；解调干涉仪模块(4)中的第1解调干涉仪(4A)输出光注入到第1偏振分光棱镜(12)中将具有不同偏振态的第1测量探头(304)和第2测量探头(305)的测量光分离，分离后两束光分别输入到第3波分复用器(14)和第4波分复用器(15)中将具有不同波长的窄线宽激光干涉信号和宽谱光干涉信号分离，然后输入到采集与控制模块(5)中；解调干涉仪模块(4)中第2解调干涉仪(4B)输出光注入到第2偏振分光棱镜(13)中将具有不同偏振态的第3测量探头(307)与第4测量探头(308)的测量光分离，分离后两束光分别输入到第5波分复用器(16)和第6波分复用器(17)中将不同具有波长的窄线宽激光干涉信号与宽谱光干涉信号的分离，然后输入到采集与控制模块(5)中；第1测量探头(304)与第3测量探头(307)输出光线互相重合，第2测量探头(305)与第4测量探头(308)输出光线互相重合；第1测量探头(304)与第2测量探头(305)输出光线相互平行，第3测量探头(307)与第4测量探头(308)输出光线相互平行；第1测量探头(304)的外端面与第2测量探头的外端面在同一平面上，第3测量探头(307)的外端面与第4测量探头(308)外端面在同一平面上；待测薄膜(306)放置测量时，分别与第1测量探头(304)、第2测量探头(305)、第3测量探头(307)以及第4测量探头(308)输出光线垂直。

2.根据权利要求1所述的具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置，其特征在于：宽谱光输出模块(1)包括宽谱光源(101)与第1隔离器(102)；窄线宽激光输出模块(2)包括窄线宽激光光源(201)，第2隔离器(202)，45°起偏器(203)；宽谱光源(101)的半谱宽度大于45nm；窄线宽激光光源(201)的半谱宽度小于1pm；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或2所述的具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置，其特征在于：薄膜测量模块(3)包括第3分束耦合器(301)、第一0°起偏器(302)、第1测量探头(304)、第一90°起偏器(303)、第2测量探头(305)、第二90°起偏器(309)第3测量探头(307)、第二0°起偏器(310)、第4膜厚测量探头(308)以及第4分束耦合器(311)；第1测量探头(304)、第2测量探头(305)、第3测量探头(307)以及第4测量探头(308)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。

4.根据权利要求3所述的具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置，其特征在于：解调干涉模块(4)包括第1解调干涉仪(4A)、第2解调干涉仪(4B)以及光程扫描装置(404)；第1解调干涉仪(4A)包括第1解调干涉仪耦合器(401)、第1准直镜(402)、第1法拉第旋镜(403)以及正向可移动光学反射镜(404a)；第2解调干涉仪(4B)包括第2解调干涉仪耦合器(407)，第2准直镜(405)，第2法拉第旋镜(406)以及反向可移动光学反射镜(404b)；第1解调干涉仪耦合器(401)的第1端口(4a)与第1波分复用器(8)的第3端口(8c)相连接，第1解调干涉仪耦合器(401)的第3端口(4c)与第1准直镜(402)相连接，第1解调干涉仪耦合器(401)的第4端口(4d)与第1法拉第旋镜(403)相连接，第1解调干涉仪耦合器(401)的第2端口(4b)与第1偏振分光棱镜(12)的第1端口(12a)相连接；第2解调干涉仪耦合器(407)的第1端口(4g)与第2波分复用器(9)的第3端口(9c)相连接，第2解调干涉仪耦合器(407)的第3端口(4e)与第2准直镜(405)相连接，第2解调干涉仪耦合器(407)的第4端口(4f)与第2法拉第旋镜(406)相连接，第2解调干涉仪耦合器(407)的第2端口(4h)与第2偏振分光棱镜(13)的第1端口(13a)相连接；第1准直镜(402)输出光线垂直于正向可移动光学反射镜(404a)，第2准直镜(405)输出光线垂直于反向可移动光学反射镜(404b)；第1准直镜(402)与第2准直镜(405)的光学参数相一致，第1法拉第旋镜(403)与第2法拉第旋镜(406)光学参数相一致，正向可移动光学反射镜(404a)与反向可移动光学反射镜(404b)光学参数相一致。

5.根据权利要求4所述的具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置，其特征在于：光程扫描装置(404)台面的扫描范围能够满足薄膜测量模块(3)中不插入待测薄膜(306)时，第1解调干涉仪(4A)与第2解调干涉仪(4B)均能实现由两个不同探头反射光的光程匹配；第1解调干涉仪(4A)与第2解调干涉仪(4B)共用同一光程扫描装置(404)；当正向可移动光学反射镜(404a)位于零点位置时，反向可移动光学反射镜(404b)具有最大位移；当正向可移动光学反射镜(404a)移动到最大位移时，反向可移动光学反射镜(404b)处于零点位置；扫描过程中，正向可移动光学反射镜(404a)与反向可移动光学反射镜(404b)具有相同的位移。

6.基于权利要求5所述的具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量装置的薄膜厚度测量的方法，其特征在于：待测薄膜为不透明待测薄膜，(1)在未插入不透明待测薄膜(390)时，驱动光程扫描装置(404)进行光程扫描，使第1测量探头(304)内部反射光(312)与第1测量探头(304)出射光在第3测量探头(307)外表面反射光(313)进行光程匹配、第2测量探头(305)内部反射光(322)与第2测量探头(305)出射光第4测量探头(308)外表面反射光(323)进行光程匹配、第3测量探头(307)内部反射光(332)与第3测量探头(307)出射光在第1测量探头(304)外表面反射光(333)进行光程匹配、使第4测量探头(308)内部反射光(342)与第4测量探头(308)出射光在第2测量探头(305)外表面反射光(343)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，获得对向安装的两探头之间的光程H；

(2)将不透明待测薄膜(390)插入第1测量探头(304)与第3测量探头(307)及第2测量探头(305)与第4测量探头(308)的中间，使不透明待测薄膜(390)分别与第1测量探头(304)、第2测量探头(305)、第3测量探头(307)及第4探头(308)的出射光线垂直；驱动光程扫描装置(404)进行光程扫描，使第1测量探头(304)内部反射光(314)与第1测量探头(304)出射光在不透明待测薄膜前表面(390a)反射光(315)进行光程匹配、第2测量探头(305)内部反射光(324)与第2测量探头(305)出射光在不透明待测薄膜前表面(390a)反射光(325)进行光程匹配、第3测量探头(307)内部反射光(334)与第3测量探头(307)出射光在不透明待测薄膜后表面(390b)反射光(335)进行光程匹配、第4测量探头(308)内部反射光(344)与第4测量探头(308)出射光在不透明待测薄膜后表面(390b)反射光(345)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(304)与不透明待测薄膜前表面(390a)的光程H1、第2测量探头(305)与不透明待测薄膜前表面(390a)的光程H2、第3测量探头(307)与不透明待测薄膜后表面(390b)的光程H3、第4测量探头(308)与不透明待测薄膜后表面(390b)的光程H4；

(3)当H1≠H3且H2≠H4时，说明不透明待测薄膜(390)未完全与第1测量探头(304)、第2测量探头(305)、第3测量探头(307)、第4测量探头(308)的输出光线相垂直，需要重新对待测薄膜的角度进行调整，重复步骤(2)，直至H1＝H3且H2＝H4；

(4)不透明待测薄膜(390)厚度d1可由上述的两次测量值所决定，即d1＝[H‑(H1+H2)]＝[H‑(H3+H4)]。

7.基于权利要求5所述的具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量装置的薄膜厚度与折射率同时测量的方法，其特征在于：待测薄膜为透明待测薄膜，(1)在不插入透明待测薄膜(391)时，驱动光程扫描装置(404)进行光程扫描，使第1测量探头(304)内部反射光(312)与第1测量探头(304)出射光在第3测量探头(307)外表面反射光(313)进行光程匹配、第2测量探头(305)内部反射光(322)与第2测量探头(305)出射光第4测量探头(308)外表面反射光(323)进行光程匹配、第3测量探头(307)内部反射光(332)与第3测量探头(307)出射光在第1测量探头(304)外表面反射光(333)进行光程匹配、第4测量探头(308)内部反射光(342)与第4测量探头(308)出射光在第2测量探头(305)外表面反射光(343)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，获得对向安装的两测量探头之间的光程H；

(2)将透明待测薄膜(391)插入第1测量探头(304)与第3测量探头(307)及第2测量探头(305)与第4测量探头(308)的中间，使透明待测薄膜(391)分别与第1测量探头(304)、第2测量探头(305)、第3测量探头(307)及第4探头(308)的出射光线垂直；驱动光程扫描装置(404)进行光程扫描，使第1测量探头(304)内部反射光(316)分别与第1测量探头(304)出射光在透明待测薄膜前表面(391a)反射光(317)和透明待测薄膜后表面(391b)反射光(318)进行光程匹配、第2测量探头(305)内部反射光(326)分别与第2测量探头(305)出射光在透明待测薄膜前表面(391a)反射光(327)及透明待测薄膜后表面(391b)反射光(328)进行光程匹配、第3测量探头(307)内部反射光(336)分别与第3测量探头(307)出射光在透明待测薄膜后表面(391b)反射光(337)及透明待测薄膜前表面(391a)反射光(338)进行光程匹配、第4测量探头(308)内部反射光(346)分别与第4测量探头(308)出射光在透明待测薄膜后表面(391b)反射光(347)及透明待测薄膜前表面(391a)反射光(348)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(304)与透明待测薄膜前表面(391a)的光程H7、第1测量探头(304)与透明待测薄膜后表面(391b)的光程H5、第2测量探头(305)与透明待测薄膜前表面(391a)的光程H11、第2测量探头(305)与透明待测薄膜后表面(391b)的光程H9、第3测量探头(307)与透明待测薄膜后表面(391b)的光程H8、第3测量探头(307)与透明待测薄膜前表面(391a)的光程H6、第4测量探头(308)与透明待测薄膜后表面(391b)的光程H12、第4测量探头(308)与透明待测薄膜前表面(391a)的光程H10；

(3)当H7≠H11且H8≠H12时，说明透明待测薄膜(391)未完全与第1测量探头(304)、第2测量探头(305)、第3测量探头(307)、第4测量探头(308)的输出光线相垂直，需要重新对待测薄膜的角度进行调整，重复步骤(2)，直至H7＝H11且H8＝H12；

(4)透明待测薄膜(391)厚度d2可由上述的两次测量值所决定，即d2＝[H‑(H7+H8)]＝[H‑(H11+H12)]；透明待测薄膜(391)的折射率n可由上述的两次测量值所决定：

说明书

具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置及方法，属于光学测量领域。

背景技术

[0002] 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，更决定着其在力学、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。

[0003] 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 Evaluating 
the Thickness of Thin Films and Substrate Surface Roughness,”in Transactions 
of the Eighth Vacuum Symposium and Second International Congress(Pergamon,New 
York,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。

[0004] 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。

[0005] 光学测量法具有高精度的优势，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。

[0006] 作为光学测量法的一部分，宽谱光干涉法由于具有绝对量的测量优势，在膜厚测量领域逐渐开始发展起来。宽谱光干涉法的基本原理是：在宽谱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 
film thickness and surface measurements,US Patent 7448799)，该方法采用宽谱光干
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
膜厚度的系统(中国专利申请号：201410290494.1)，该系统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。

[0007] 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(中国发明专利号：201710277954.0)，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；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(中国发明专利
号：201710537207.6)，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；2018年，本发明申请人所在课题组提出了一种薄膜厚度与折射率从同时测量的装置及
测量方法(中国发明专利申请号20181008244.3)及消除透射光的共光路自校准薄膜厚度与
折射率的测量方法(中国发明专利申请号201810084488.9)，与2017年申请发明专利相比，
上述两种方法实现对了对透射光影响的消除，实现了测量稳定性的提升。但是上述的测量
方法均未实现对待测薄膜的角度进行监测与校正，无法为测量结果的准确性提供有效的保
障。

[0008] 本发明提供了一种具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置及方法，利用双面多探头的测量结构，在对薄膜厚度及折射率的非接触测量时实现对待测薄膜的偏转
角度进行监测及校正，进而保证了薄膜厚度与折射率测量结果的准确性，同时可对薄膜厚
度的均匀性进行评价；本发明基于偏振复用技术，在同侧以及对向测量探头中均使用不同
偏振态的测量光，避免了不同测量探头光信号之间的相互干涉，降低了特征干涉信号峰识
别的难度。本发明可广泛用于薄膜生产以及其他需对薄膜的厚度和折射率进行高精度测量
的领域。

发明内容

[0009] 本发明的目的是为了提供一种具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置及方法，在实现对薄膜的厚度以及折射率进行测量的同时，对待测薄膜的角度进行监测
及校正，同时可实现待测薄膜性能的均匀性的评价。本发明具有薄膜厚度与折射率测量准
确性高、评价结果丰富、自校准、自标定、可溯源以及测量系统稳定性高等优点，可广泛用于
薄膜生产以及其他需对薄膜的厚度与折射率进行高精度测量的领域。

[0010] 本发明的目的是这样实现的：包括宽谱光输出模块1、窄线宽激光输出模块2、薄膜测量模块3、解调干涉仪模块4以及采集与控制模块5；宽谱光输出模块1的输出光经过第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11进入薄膜测量模块3中实现与薄
膜偏转角度、薄膜厚度及折射率相关的特征光信号的获取；薄膜测量模块3的返回光再次分
别经过第1环形器10与第2环形器11分别进入到第1波分复用器8的第1端口8a中和第2波分
复用器9的第2端口9b中；窄线宽激光输出模块2的输出光经过第2分束耦合器7被分为两路
分别进入第1波分复用器8的第2端口8b中和第2波分复用器9的第1端口9a中；经过第1波分
复用器8和第2波分复用器9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中的光程扫描装置404进行光程扫描实现宽谱光干涉信号与激光干涉信号的获取；解调
干涉仪模块4中的第1解调干涉仪4A输出光注入到第1偏振分光棱镜12中将具有不同偏振态
的第1测量探头304和第2测量探头305的测量光分离，分离后两束光分别输入到第3波分复
用器14和第4波分复用器15中将具有不同波长的窄线宽激光干涉信号和宽谱光干涉信号分
离，然后输入到采集与控制模块5中；解调干涉仪模块4中第2解调干涉仪4B输出光注入到第
2偏振分光棱镜13中将具有不同偏振态的第3测量探头307与第4测量探头308的测量光分
离，分离后两束光分别输入到第5波分复用器16和第6波分复用器17中将不同具有波长的窄
线宽激光干涉信号与宽谱光干涉信号的分离，然后输入到采集与控制模块5中。

[0011] 本发明还包括这样一些结构特征：

[0012] 1.宽谱光输出模块1包括宽谱光源101与第1隔离器102；窄线宽激光输出模块2包括窄线宽激光光源201，第2隔离器202，45°起偏器203；宽谱光源101的半谱宽度大于45nm；
窄线宽激光光源201的半谱宽度小于1pm；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。

[0013] 2.薄膜测量模块3包括第3分束耦合器301、第一0°起偏器302、第1测量探头304、第一90°起偏器303、第2测量探头305、第二90°起偏器309第3测量探头307、第二0°起偏器310、
第4膜厚测量探头308以及第4分束耦合器311；第1测量探头304、第2测量探头305、第3测量
探头307以及第4测量探头308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304与第3测量探头307输出光线互相重合，第2测量探头
305与第4测量探头308输出光线互相重合；第1测量探头304与第2测量探头305输出光线相
互平行，第3测量探头307与第4测量探头308输出光线相互平行；第1测量探头304的外端面
与第2测量探头的外端面在同一平面上，第3测量探头307的外端面与第4测量探头308外端
面在同一平面上；待测薄膜306放置测量时，分别与第1测量探头304、第2测量探头305、第3
测量探头307以及第4测量探头308输出光线垂直。

[0014] 3.解调干涉模块4包括第1解调干涉仪4A、第2解调干涉仪4B以及光程扫描装置404；第1解调干涉仪4A包括第1解调干涉仪耦合器401、第1准直镜402、第1法拉第旋镜403以
及正向可移动光学反射镜404a；第2解调干涉仪4B包括第2解调干涉仪耦合器407，第2准直
镜405，第2法拉第旋镜406以及反向可移动光学反射镜404b；第1解调干涉仪耦合器401的第
1端口4a与第1波分复用器8的第3端口8c相连接，第1解调干涉仪耦合器401的第3端口4c与
第1准直镜402相连接，第1解调干涉仪耦合器401的第4端口4d与第1法拉第旋镜403相连接，
第1解调干涉仪耦合器401的第2端口4b与第1偏振分光棱镜12的第1端口12a相连接；第2解
调干涉仪耦合器407的第1端口4g与第2波分复用器9的第3端口9c相连接，第2解调干涉仪耦
合器407的第3端口4e与第2准直镜405相连接，第2解调干涉仪耦合器407的第4端口4f与第2
法拉第旋镜406相连接，第2解调干涉仪耦合器407的第2端口4h与第2偏振分光棱镜13的第1
端口13a相连接；第1准直镜402输出光线垂直于正向可移动光学反射镜404a，第2准直镜405
输出光线垂直于反向可移动光学反射镜404B；第1准直镜402与第2光学准直镜405的光学参
数相一致，第1法拉第旋镜403与第2法拉第旋镜406光学参数相一致，正向可移动光学反射
镜404a与反向可移动光学反射镜404b光学参数相一致。

[0015] 4.光程扫描装置404台面的扫描范围能够满足薄膜测量模块3中不插入待测薄膜306时，第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B均能实现由两个不同探头反射光的光程匹配；
第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B共用同一光程扫描装置404；当正向可移动光学反射
镜404a位于零点位置时，反向可移动光学反射镜404b具有最大位移；当正向可移动光学反
射镜404a移动到最大位移时，反向可移动光学反射镜404b处于零点位置；扫描过程中，正向
可移动光学反射镜404a与反向光学反射镜404b具有相同的位移。

[0016] 6.待测薄膜为不透明待测薄膜时，测量方法为：

[0017] (1)在未插入不透明待测薄膜390时，驱动光程扫描装置404进行光程扫描，使第1测量探头304内部反射光312与第1测量探头304出射光在第3测量探头307外表面反射光313
进行光程匹配、第2测量探头305内部反射光322与第2测量探头305出射光第4测量探头308
外表面反射光323进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光332与第3测量探头307出射光
在第1测量探头304外表面反射光333进行光程匹配、使第4测量探头308内部反射光342与第
4测量探头308出射光在第2测量探头305外表面反射光343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，获得对向安装的两探头之间的光程H；

[0018] (2)将不透明待测薄膜390插入第1测量探头304与第3测量探头307及第2测量探头305与第4测量探头308的中间，使不透明待测薄膜390分别与第1测量探头304、第2测量探头
305、第3测量探头307及第4探头308的出射光线垂直；驱动光程扫描装置404进行光程扫描，
使第1测量探头304内部反射光314与第1测量探头304出射光在不透明待测薄膜前表面390a
反射光315进行光程匹配、第2测量探头305内部反射光324与第2测量探头305出射光在不透
明待测薄膜前表面303a反射光325进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光334与第3测
量探头307出射光在不透明待测薄膜后表面390b反射光335进行光程匹配、第4测量探头308
内部反射光344与第4测量探头308出射光在不透明待测薄膜后表面390b反射光345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304与不透
明待测薄膜前表面390a的光程H1、第2测量探头305与不透明待测薄膜前表面390a的光程
H2、第3测量探头307与不透明待测薄膜后表面390b的光程H3、第4测量探头308与不透明待
测薄膜后表面390b的光程H4；

[0019] (3)当H1≠H3且H2≠H4时，说明不透明待测薄膜390未完全与第1测量探头304、第2测量探头305、第3测量探头307、第4测量探头308的输出光线相垂直，需要重新对待测薄膜
的角度进行调整，重复步骤2，直至H1＝H3且H2＝H4；

[0020] (4)不透明待测薄膜390厚度d1可由上述的两次测量值所决定，即d1＝[H‑(H1+H2)]＝[H‑(H3+H4)]。

[0021] 7.待测薄膜为透明待测薄膜时，

[0022] (1)在不插入透明待测薄膜391时，驱动光程扫描装置404进行光程扫描，使第1测量探头304内部反射光312与第1测量探头304出射光在第3测量探头307外表面反射光313进
行光程匹配、第2测量探头305内部反射光322与第2测量探头305出射光第4测量探头308外
表面反射光323进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光332与第3测量探头307出射光在
第1测量探头304外表面反射光333进行光程匹配、第4测量探头308内部反射光342与第4测
量探头308出射光在第2测量探头305外表面反射光343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，获得对向安装的两测量探头之间的光程H；

[0023] (2)将透明待测薄膜391插入第1测量探头304与第3测量探头307及第2测量探头305与第4测量探头308的中间，使透明待测薄膜391分别与第1测量探头304、第2测量探头
305、第3测量探头307及第4探头308的出射光线垂直；驱动光程扫描装置404进行光程扫描，
使第1测量探头304内部反射光316分别与第1测量探头304出射光在透明待测薄膜前表面
391a反射光317和透明待测薄膜后表面391b反射光318进行光程匹配、第2测量探头305内部
反射光326分别与第2测量探头305出射光在透明待测薄膜前表面391a反射光327及透明待
测薄膜后表面391b反射光328进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光336分别与第3测
量探头307出射光在透明待测薄膜后表面391b反射光337及透明待测薄膜前表面391a反射
光338进行光程匹配、第4测量探头308内部反射光346分别与第4测量探头308出射光在透明
待测薄膜后表面391b反射光347及透明待测薄膜前表面391a反射光348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304与透明待测薄膜前
表面391a的光程H7、第1测量探头304与透明待测薄膜后表面391b的光程H5、第2测量探头
305与透明待测薄膜前表面391a的光程H11、第2测量探头305与透明待测薄膜后表面391b的
光程H9、第3测量探头307与透明待测薄膜后表面391b的光程H8、第3测量探头307与透明待
测薄膜前表面391a的光程H6、第4测量探头308与透明待测薄膜后表面391b的光程H12、第4
测量探头308与透明待测薄膜前表面391a的光程H10；

[0024] (3)当H7≠H11且H8≠H12时，说明透明待测薄膜391未完全与第1测量探头304、第2测量探头305、第3测量探头307、第4测量探头308的输出光线相垂直，需要重新对待测薄膜
的角度进行调整，重复步骤2，直至H7＝H11且H8＝H12；

[0025] (4)透明待测薄膜391厚度d2可由上述的两次测量值所决定，即d2＝[H‑(H7+H8)]＝[H‑(H11+H12)]；透明待测薄膜391的折射率n可由上述的两次测量值所决定：

[0026]

[0027] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用双面多探头的测量结构，在实现对待测薄膜的厚度及折射率测量的时候，对待测薄膜的角度进行监测及校正，保证
测量结果的准确性；(2)双探头的测量结构可实现待测薄膜厚度均匀性的评价，拓展薄膜测
量性能评价应用面；(3)基于偏振复用原理，同侧及对向的测量探头均使用不同偏振态的测
量光，避免了不同探头光信号之间的干涉，降低了特征干涉信号峰识别的难度，进一步提高
了特征信号识别的准确性。

附图说明

[0028] 图1是具有角度校正的薄膜厚度与折射率同时测量的装置结构示意图；

[0029] 图2是未加载待测薄膜时薄膜测量模块内部光路图；

[0030] 图3是加载待测不透明待测薄膜时薄膜测量模块内部光路图；

[0031] 图4是加载待测不透明待测薄膜且薄膜存在偏角时薄膜测量模块内部光路图；

[0032] 图5是加载待测透明待测薄膜时薄膜测量模块内部光路图；

[0033] 图6是激光干涉信号溯源原理示意图；

[0034] 图7是未加载待测薄膜时基于宽谱光干涉原理的距离测量方法示意图。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

[0036] 结合图1至图7，本发明的具有角度监测的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、薄膜测量模块3、解调干涉仪模块4以及采集与控制
模块5等五个主要部分组成；各模块的组成分别是：

[0037] (1)宽谱光输出模块1由宽谱光源101、第1隔离器102所组成。

[0038] (2)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、45°起偏器203所组成。

[0039] (3)薄膜测量模块3由第3分束耦合器301、第一0°起偏器302，第一90°起偏器303、第1测量探头304、第2测量探头305、第3测量探头307、第4测量探头308、第二90°起偏器309、
第二0°起偏器310、第4分束耦合器311所组成。

[0040] (4)解调干涉模块4由第1解调干涉仪4A，第2解调干涉仪4B，光程扫描装置404所组成；第1解调干涉仪4A由第1解调干涉仪耦合器401、第1准直镜402、第1法拉第旋镜403以及
正向可移动光学反射镜404a所组成；第2解调干涉仪4B由第2解调干涉仪耦合器407、第2准
直镜405、第2法拉第旋镜406以及反向可移动光学反射镜404b所组成。

[0041] (5)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、第4光电探测器506、第5光电探测器507、第6光电探测器
508、第7光电探测器509以及第8光电探测器510所组成。

[0042] 本发明的目的是这样实现的：

[0043] 宽谱光输出模块1的输出光经过第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11进入薄膜测量模块3中实现与薄膜偏转角度、薄膜厚度及折射率相关的特
征光信号的获取；薄膜测量模块3的返回光再次分别经过第1环形器10与第2环形器11分别
进入到第1波分复用器8的第1端口8a中和第2波分复用器9的第2端口9b中；窄线宽激光输出
模块2的输出光经过第2分束耦合器7被分为两路分别进入第1波分复用器8的第2端口8b中
和第2波分复用器9的第1端口9a中；经过第1波分复用器8和第2波分复用器9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中的光程扫描装置404进行光程扫描
实现宽谱光干涉信号与激光干涉信号的获取；解调干涉仪模块4中的第1解调干涉仪4A输出
光注入到第1偏振分光棱镜12中将具有不同偏振态的第1测量探头304和第2测量探头305的
测量光分离，分离后两束光分别输入到第3波分复用器14和第4波分复用器15中将具有不同
波长的窄线宽激光干涉信号和宽谱光干涉信号分离，然后输入到采集与控制模块5中；解调
干涉仪模块4中第2解调干涉仪4B输出光注入到第2偏振分光棱镜13中将具有不同偏振态的
第3测量探头307与第4测量探头308的测量光分离，分离后两束光分别输入到第5波分复用
器16和第6波分复用器17中将不同具有波长的窄线宽激光干涉信号与宽谱光干涉信号的分
离，然后输入到采集与控制模块5中；

[0044] 薄膜测量模块3由第3分束耦合器301、第一0°起偏器302、第1测量探头304、第一90°起偏器303、第2测量探头305、第二90°起偏器309第3测量探头307第二0°起偏器310、第4
膜厚测量探头308以及第4分束耦合器311所组成；第1测量探头304、第2测量探头305、第3测
量探头307以及第4测量探头308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304与第3测量探头307输出光线互相重合，第2测量探头
305与第4测量探头308输出光线互相重合；第1测量探头304与第2测量探头305输出光线相
互平行，第3测量探头307与第4测量探头308输出光线相互平行；第1测量探头304的外端面
与第2测量探头的外端面在同一平面上，第3测量探头307的外端面与第4测量探头308外端
面在同一平面上；待测薄膜306放置测量时，分别与第1测量探头304、第2测量探头305、第3
测量探头307以及第4测量探头308输出光线垂直；

[0045] 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；

[0046] 解调干涉仪模块4中第1解调干涉仪耦合器401的第1端口4a与第1波分复用器8的第3端口8c相连接，第1解调干涉仪耦合器401的第3端口4c与第1准直镜402相连接，第1解调
干涉仪耦合器401的第4端口4d与第1法拉第旋镜403相连接，第1解调干涉仪耦合器401的第
2端口4b与第1偏振分光棱镜12的第1端口12a相连接；第2解调干涉仪耦合器407的第1端口
4g与第2波分复用器9的第3端口9c相连接，第2解调干涉仪耦合器407的第3端口4e与第2准
直镜405相连接，第2解调干涉仪耦合器407的第4端口4f与第2法拉第旋镜406相连接，第2解
调干涉仪耦合器407的第2端口4h与第2偏振分光棱镜13的第1端口13a相连接；第1准直镜
402输出光线垂直于正向可移动光学反射镜404a，第2准直镜405输出光线垂直于反向可移
动光学反射镜404b；第1准直镜402与第2准直镜405的光学参数相一致，第1法拉第旋镜403
与第2法拉第旋镜406光学参数相一致，正向可移动光学反射镜404a与反向可移动光学反射
镜404b光学参数相一致；

[0047] 光程扫描装置404台面的扫描范围能够满足薄膜测量模块3中不插入待测薄膜306时，第1解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B均能实现由两个不同探头反射光的光程匹配；第1
解调干涉仪4A与第2解调干涉仪4B共用同一光程扫描装置404；当正向可移动光学反射镜
404a位于零点位置时，反向可移动光学反射镜404b具有最大位移；当正向可移动光学反射
镜404a移动到最大位移时，反向可移动光学反射镜404b处于零点位置；扫描过程中，正向可
移动光学反射镜404a与反向光学反射镜404b具有相同的位移。

[0048] 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14的14a端口连接，第2光电探测器504与第3波分复用器14的14b端口连接，第3光电探测器505与第4波分复用器15的
15a端口连接，第4光电探测器506与第4波分复用器15的15b端口连接，第5光电探测器507与
第5波分复用器16的16a端口连接，第6光电探测器508与第5波分复用器16的16b端口连接，
第7光电探测器509与第6波分复用器17的17a端口连接，第8光电探测器510与第6波分复用
器17的17b端口连接。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404的驱动以完成光程扫描。

[0049] 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。宽谱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，在宽谱光干
涉测量系统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6所示，在位置扫描装置扫描的过程中，同时记录宽谱光干涉信
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，同时为薄膜厚度的量值溯源提供保证。

[0050] 如图2所示，以不插入待测薄膜时，第1测量探头304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304内部反射光312和第3测量探头307外表
面反射光313被第1解调干涉仪耦合器401分为两路：一路进入第1准直镜402中，产生312’和
313’反射光；一路进入第1法拉第反射镜403中，产生312”和313”反射光。在计算机501的控
制下，位置扫描装置404带动正向可移动反射镜404a进行光程扫描，宽谱光干涉信号产生过
程如图7所示。

[0051] (1)当两臂光程差等于2H时，扫描臂中光312’与固定臂中光313”发生匹配，则产生第1次极大宽谱光干涉信号371。

[0052] (2)当两臂光程差等于0时，扫描臂与固定臂中，光312’与光312”、光313’与光313”发生匹配，则产生主极大宽谱光干涉信号372。

[0053] (3)当两臂光程差等于‑2H时，扫描臂中光313’与固定臂中光312”发生匹配，则产生第2次极大宽谱光干涉信号373。

[0054] (4)通过对宽谱光干涉信号中心条纹位置的提取，如图6所示，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304与第
3测量探头307之间的绝对光程。

[0055] 基于具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置，不透明待测薄膜390角度偏转及厚度测量方法是：

[0056] (1)在未插入不透明待测薄膜390时，驱动光程扫描装置404进行光程扫描，使第1测量探头304内部反射光312与第1测量探头304出射光在第3测量探头307外表面反射光313
进行光程匹配、第2测量探头305内部反射光322与第2测量探头305出射光第4测量探头308
外表面反射光323进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光332与第3测量探头307出射光
在第1测量探头304外表面反射光333进行光程匹配、使第4测量探头308内部反射光342与第
4测量探头308出射光在第2测量探头305外表面反射光343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，获得对向安装的两探头之间的光程H；

[0057] (2)将不透明待测薄膜390插入第1测量探头304与第3测量探头307及第2测量探头305与第4测量探头308的中间，使不透明待测薄膜390分别与第1测量探头304、第2测量探头
305、第3测量探头307及第4探头308的出射光线垂直；驱动光程扫描装置404进行光程扫描，
使第1测量探头304内部反射光314与第1测量探头304出射光在不透明待测薄膜前表面390a
反射光315进行光程匹配、第2测量探头305内部反射光324与第2测量探头305出射光在不透
明待测薄膜前表面390a反射光325进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光334与第3测
量探头307出射光在不透明待测薄膜后表面390b反射光335进行光程匹配、第4测量探头308
内部反射光344与第4测量探头308出射光在不透明待测薄膜后表面390b反射光345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304与不透
明待测薄膜前表面390a的光程H1、第2测量探头305与不透明待测薄膜前表面390a的光程
H2、第3测量探头307与不透明待测薄膜后表面390b的光程H3、第4测量探头308与不透明待
测薄膜后表面390b的光程H4；

[0058] (3)当H1≠H3且H2≠H4时，说明不透明待测薄膜390未完全与第1测量探头304、第2测量探头305、第3测量探头307、第4测量探头308的输出光线相垂直，需要重新对待测薄膜
的角度进行调整，重复步骤2，直至H1＝H3且H2＝H4；

[0059] (4)不透明待测薄膜390厚度d1可由上述的两次测量值所决定，即d1＝[H‑(H1+H2)]＝[H‑(H3+H4)]；

[0060] 基于一种具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置，透明待测薄膜391的角度偏转，厚度及折射率测量方法特征是：

[0061] (1)在不插入透明待测薄膜391时，驱动光程扫描装置404进行光程扫描，使第1测量探头304内部反射光312与第1测量探头304出射光在第3测量探头307外表面反射光313进
行光程匹配、第2测量探头305内部反射光322与第2测量探头305出射光第4测量探头308外
表面反射光323进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光332与第3测量探头307出射光在
第1测量探头304外表面反射光333进行光程匹配、第4测量探头308内部反射光342与第4测
量探头308出射光在第2测量探头305外表面反射光343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，获得对向安装的两测量探头之间的光程H；

[0062] (2)将透明待测薄膜391插入第1测量探头304与第3测量探头307及第2测量探头305与第4测量探头308的中间，使透明待测薄膜391分别与第1测量探头304、第2测量探头
305、第3测量探头307及第4探头308的出射光线垂直；驱动光程扫描装置404进行光程扫描，
使第1测量探头304内部反射光316分别与第1测量探头304出射光在透明待测薄膜前表面
391a反射光317和透明待测薄膜后表面391b反射光318进行光程匹配、第2测量探头305内部
反射光326分别与第2测量探头305出射光在透明待测薄膜前表面391a反射光327及透明待
测薄膜后表面391b反射光328进行光程匹配、第3测量探头307内部反射光336分别与第3测
量探头307出射光在透明待测薄膜后表面391b反射光337及透明待测薄膜前表面391a反射
光338进行光程匹配、第4测量探头308内部反射光346分别与第4测量探头308出射光在透明
待测薄膜后表面391b反射光347及透明待测薄膜前表面391a反射光348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304与透明待测薄膜前
表面391a的光程H7、第1测量探头304与透明待测薄膜后表面391b的光程H5、第2测量探头
305与透明待测薄膜前表面391a的光程H11、第2测量探头305与透明待测薄膜后表面391b的
光程H9、第3测量探头307与透明待测薄膜后表面391b的光程H8、第3测量探头307与透明待
测薄膜前表面391a的光程H6、第4测量探头308与透明待测薄膜后表面391b的光程H12、第4
测量探头308与透明待测薄膜前表面391a的光程H10；

[0063] (3)当H7≠H11且H8≠H12时，说明透明待测薄膜391未完全与第1测量探头304、第2测量探头305、第3测量探头307、第4测量探头308的输出光线相垂直，需要重新对待测薄膜
的角度进行调整，重复步骤2，直至H7＝H11且H8＝H12；

[0064] (4)透明待测薄膜391厚度d2可由上述的两次测量值所决定，即d2＝[H‑(H7+H8)]＝[H‑(H11+H12)]；透明待测薄膜391的折射率n可由上述的两次测量值所决定：

[0065]

[0066] 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、45°起偏器203所组成，窄线宽激光光源201作为光路校正光
源，主要用于实现不同宽谱光干涉信号峰之间光程的测量。中心波长为1310nm的宽谱光源
101发出的光分别经过工作波长为1310nm的第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10和工作波长为1310nm的第2
环形器11进入到薄膜测量模块3中；经过工作波长为1310nm的第1环形器10传输的光信号由
第3分束耦合器301分为两束，一束经过工作波长为1310nm的第一0°起偏器302起偏后进入
到第1测量探头304中，另一束经过工作波长为1310nm的第一90°起偏器起偏后进入到第2测
量探头305中；经过工作波长为1310nm的第2环形器11传输的光信号由第3分束耦合器311分
为两束，一束经过工作波长为1310nm的第二90°起偏器起偏后进入到第3测量探头307中，另
一束经过工作波长为1310nm的第二0°起偏器起偏后进入第4测量探头308中。

[0067] 第1测量探头304、第2测量探头305、第3测量探头307以及第4测量探头308的透镜端面反射率与透射率的比为50:50。测量探头安装时，第1测量探头304与第3测量探头307输
出光线互相重合，第2测量探头305与第4测量探头308输出光线互相重合；第1测量探头304
与第2测量探头305输出光线相互平行，第3测量探头307与第4测量探头308输出光线相互平
行；第1测量探头304的外端面与第2测量探头的外端面在同一平面上，第3测量探头307的外
端面与第4测量探头308外端面在同一平面上；待测薄膜306放置测量时，分别与第1测量探
头304、第2测量探头305、第3测量探头307以及第4测量探头308输出光线垂直。

[0068] 薄膜测量模块3返回的测量光再分别经过工作波长为1310nm的第1环形器10和工作波长为1310nm第2环形器11进入到工作波长为1310nm和1550nm第1波分复用器8的第1端
口8a中和工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9的第2端口9b中；波长为1550nm的窄
线宽激光光源201的输出光通过工作波长为1550nm的第2隔离器202后再经过工作波长为
1550nm的45°起偏器203起偏后，被第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的第2端口8b和工作波长为1310nm和1550nm第2波分复用器9的第
1端口9a中；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；两解调干涉仪
的输出光分别经过第1偏振分光棱镜12以及第2偏振分光棱镜13的分束实现不同偏振态干
涉光信号之间的分离；经过偏振分束后的干涉光再分别通过工作波长为1310nm和1550nm第
3波分复用器14、工作波长为1310nm和1550nm第4波分复用器15、工作波长为1310nm和
1550nm第5波分复用器16以及工作波长为1310nm和1550nm第6波分复用器17将中心波长为
1310nm的宽谱光测量光束和波长为1550nm激光校正光束分离，然后分别被第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、第5光电探测器507、第6光
电探测器508、第7光电探测器509以及第8光电探测器510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同时负责对光程扫描
装置404进行驱动。

[0069] 如图2所示，以无膜时第1测量探头304测量光为例说明干涉信号的产生过程，由第1测量探头304自身透镜内表面反射光束312、第3测量探头307透镜的外表面反射光束313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的
第1端口8a中；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的第2端口8b中；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；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401中分为两束：一束经过第1准直镜402的准直投射到正
向可移动光学反射镜404a上进行反射，另一束输入到第1法拉第旋镜403中进行反射，当第1
正向光学扫描反射镜404a移动使反射光312与反射光313发生光程完全匹配，经过第1偏振
分光棱镜12分束，实现具有不同偏振态的第1测量探头304测量光与第2测量探头305测量光
的分开，由第1测量探头304返回光信号第3波分复用器14将不同波长的干涉光分离，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；经过对
宽谱光干涉信号的解调可以得到第1测量探头304与第2测量探头307之间的光程H。其他测
量探头的测量光信号具有类似的传输形式。

[0070] 不透明待测薄膜390进行测量时，如图3所示，由第1测量探头304透镜内表面反射光束314、不透明待测薄膜前表面390a反射光束315以及第2测量探头305透镜内表面反射光
束324、不透明待测薄膜前表面390a反射光束325输入到第1解调干涉仪4A中，第3测量探头
307透镜内表面反射光束334、不透明待测薄膜后表面390b反射光束335以及第4测量探头
308透镜内表面反射光束344、不透明待测薄膜后表面390b反射光束345输入到第2解调干涉
仪4B中；各探头的测量光束在第1解调干涉仪4A以及第2解调干涉仪4B中分别进行干涉解
调，分别获得第1测量探头304距离不透明待测薄膜前表面390a的光程H1、第2测量探头305
距离不透明待测薄膜前表面390a的光程H3、第3测量探头307距离不透明待测薄膜后表面
390b的光程H2、第4测量探头308距离不透明待测薄膜后表面390b的光程H4。

[0071] 如图4所示，当待测不透明待测薄膜390倾斜时有H1≠H3且H2≠H4。调整薄膜的角度，再次测量第1测量探头304距离不透明待测薄膜前表面390a的光程H1、第2测量探头305
距离不透明待测薄膜前表面390a的光程H3、第3测量探头307距离不透明待测薄膜后表面
390b的光程H2、第4测量探头308距离不透明待测薄膜后表面390b的光程H4，直至H1＝H3且
H2＝H4。这时则有，不透明待测薄膜390的厚度为：d1＝[H‑(H1+H2)]＝[H‑(H3+H4)]

[0072] 透明待测薄膜391测量时，如图5所示，由第1测量探头304透镜内表面反射光束316、透明待测薄膜前表面391a反射光束317、透明待测薄膜后表面391b反射光束318以及由
第2测量探头305透镜内表面反射光束326、透明待测薄膜前表面391a反射光束327、透明待
测薄膜后表面391b反射光束328输入到第1解调干涉仪4A中；由第3测量探头307透镜内表面
反射光束336、透明待测薄膜后表面391b反射光束337、透明待测薄膜前表面391a反射光束
388以及由第4测量探头308透镜内表面反射光束346、透明待测薄膜后表面391b反射光束
347、透明待测薄膜前表面391a反射光束348输入到第2解调干涉仪4B中，各探头的测量光束
在第1解调干涉仪4A以及第2解调干涉仪4B中分别进行干涉解调，获得第1测量探头304距离
透明待测薄膜前表面391a的光程H7、第1测量探头304距离透明待测薄膜后表面391b的光程
H5、第2测量探头305距离透明待测薄膜前表面391a的光程H11、第2测量探头305距离透明待
测薄膜后表面391a的光程H9、第3测量探头307距离透明待测薄膜后表面391b的光程H8、第3
测量探头307距离透明待测薄膜前表面391a的光程H6、第4测量探头308距离透明待测薄膜
后表面391b的光程H12以及第4测量探头308距离透明待测薄膜前表面391a的光程H10。

[0073] 当待测透明薄膜391倾斜时有H7≠H11且H8≠H12。调整薄膜的角度，再次测量第1测量探头304距离透明待测薄膜前表面391a的光程H7、第2测量探头305距离透明待测薄膜
前表面391a的光程H11、第3测量探头307距离透明待测薄膜后表面391b的光程H8、第4测量
探头308距离透明待测薄膜后表面391b的光程H12，直至H7＝H11且H8＝H12。这时，透明待测
薄膜391的厚度为d2＝[H‑(H7+H8)]＝[H‑(H11+H12)]，透明待测薄膜391的折射率n为：

[0074]

[0075] 综上，本发明属于光学测量领域，涉及到一种具有角度监测的薄膜厚度与折射率同时测量的装置及方法，包括宽谱光输出模块、窄线宽激光输出模块、薄膜测量模块、解调
干涉仪模块以及采集与控制模块等五个主要部分。本发明基于偏振复用的原理，利用双面
四探头的测量结构，在对薄膜厚度及折射率测量的基础上，实现对其角度偏移进行监测及
校正，提升厚度测量准确性的同时可对薄膜厚度均匀性的评价。偏振复用技术的采用消除
了透射光影响，降低特征干涉峰的识别难度。本发明实现不需要额外的装置即可实现对薄
膜的偏转角度进行测量，具有薄膜厚度与折射率测量准确性高、评价结果丰富、自校准、自
标定、可溯源以及测量系统稳定性高等优点。