氧化鋅薄膜的光學(xué)相干層析檢測方法研究

秦玉偉

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，渭南714000）

氧化鋅薄膜的光學(xué)相干層析檢測方法研究

秦玉偉

（渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，渭南714000）

為了實現(xiàn)對氧化鋅薄膜的厚度測量，采用光學(xué)相干層析成像的方法進(jìn)行了理論分析和實驗驗證，獲得了含厚度信息的1維深度圖像和含內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的2維層析圖像。結(jié)果表明，該方法測得的薄膜厚度值與理論值一致。該研究說明譜域光學(xué)相干層析成像技術(shù)的測量結(jié)果真實有效，可以用于薄膜的厚度測量和質(zhì)量檢測。

測量與計量；薄膜；檢測；光學(xué)相干層析成像

引 言

氧化鋅薄膜是一種應(yīng)用廣泛的材料，具有優(yōu)異的光電性能，主要用作太陽能電池的透明電極。氧化鋅作為玻璃窗的熱反射涂層，可以增加建筑物的能量利用率；也可用作紫外光阻擋層有害紫外線輻射。此外，氧化鋅薄膜具有良好的壓電性能，可以作為壓電薄膜，應(yīng)用于壓電傳感器領(lǐng)域［1］。氧化鋅薄膜的厚度直接影響氧化鋅薄膜材料的性能。目前，薄膜厚度的測量方法有很多，但都存在諸多缺陷。光學(xué)測量方法具有高精度、無損傷的優(yōu)勢，在薄膜的精密測量方面得到了廣泛應(yīng)用。

光學(xué)相干層析成像（optical coherence tomography，OCT）是一種非接觸、非侵入、無損傷的高分辨率光學(xué)成像技術(shù)［2］。自1991年HUANG等人在Science發(fā)表了“Optical coherence tomography”一文以來，OCT技術(shù)得到了迅速發(fā)展，成功應(yīng)用于眼科學(xué)的臨床診斷，并拓寬至珠寶以及其它材料檢測等諸多工業(yè)領(lǐng)域［2-7］。OCT利用低相干干涉儀，通過分析來自物體內(nèi)部不同位置處的后向散射光，實現(xiàn)對物體結(jié)構(gòu)圖像重構(gòu)［1，4］。與傳統(tǒng)時域OCT（timedomain OCT，TD-OCT）相比，譜域OCT（spectral-domain OCT，SD-OCT）具有較高的靈敏度和成像速度，因而得到了更為廣泛的應(yīng)用［8-9］。譜域OCT光譜儀采集干涉信號，并通過傅里葉逆變換獲取深度信息，因而可以顯著提高成像速度和信噪比［7］。本文中介紹了基于一種光纖結(jié)構(gòu)的譜域OCT系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于氧化鋅薄膜檢測。

1 譜域OCT的理論基礎(chǔ)

譜域OCT基于頻譜干涉原理［3，6］，邁克爾遜干涉儀輸出的干涉光譜信號I（k）表示為：

式中，S（k）為光源的光譜密度；R（h）為散射勢；k＝2π／λ為光源波數(shù)；n為樣品的平均折射率?？梢钥闯?，I（k）由3項組成：第1項是常數(shù)，即光源光譜；第2項為參考光和樣品光互相關(guān)，包含樣品的結(jié)構(gòu)信息，它是余弦函數(shù)的和，每個余弦函數(shù)的幅值與對應(yīng)深度上樣品的后向散射系數(shù)的大小成比例；第3項為自相關(guān)項，為樣品后向散射的所有子波之間的干涉。本質(zhì)上，（1）式表示參考光發(fā)出的每一個波數(shù)為k的單色平面光波，與樣品散射的波數(shù)為k的單色平面光波之間發(fā)生干涉的結(jié)果。對（1）式作傅里葉逆變換得：

式中，?表示卷積，δ（h）為直流噪聲，A為自相關(guān)噪聲，F(xiàn)－1［S（k）］為光源光譜的傅里葉逆變換；R（h）表示物體散射勢，含樣品的結(jié)構(gòu)信息；R*（－h(huán)）表示樣品的鏡像，可以對樣品臂和參考臂增加固定光程差偏移，將該信號與樣品圖像分開。對于散射極弱的物體，自相關(guān)噪聲可以忽略。

2 實驗設(shè)計

譜域OCT系統(tǒng)的核心部分為低相干光源、邁克爾遜干涉儀和光譜儀。為提高探測靈活性，降低實驗成本，采用光纖結(jié)構(gòu)的譜域OCT系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示［10-11］。

Fig.1 Schematic of fiber-based spectral-domain OCT

低相干光源的出射光經(jīng)光纖耦合后被單模光纖耦合器（分光比為50∶50）分成兩束：一束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器平行照射在平面鏡上，另一束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器平行出射后，又被透鏡聚焦到氧化鋅薄膜上。氧化鋅薄膜內(nèi)部的后向散射光和參考鏡返回的反射光經(jīng)光纖耦合器后重新會合，然后發(fā)生干涉。干涉光譜由光譜儀采集，并最終傳輸進(jìn)計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)圖像構(gòu)建。2維微位移平臺的位移控制通過軟件實現(xiàn)，用來調(diào)整參考光路光程，并對氧化鋅薄膜進(jìn)行橫向掃描，獲取2維層析圖像。實驗樣品為實驗室內(nèi)采用溶膠旋涂法制備的氧化鋅薄膜。

3 結(jié)果分析

將氧化鋅薄膜固定在微位移平臺上，對光路進(jìn)行調(diào)整，直至參考鏡位置至參考臂與樣品臂的光程差小于相干長度，樣品光和參考光發(fā)生干涉。近紅外光譜儀AvaSpec-NIR512-1.7TEC采集干涉光譜，并用MATLAB將得到的干涉光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如圖2a所示。根據(jù)譜域OCT的原理可知，在樣品的圖像重構(gòu)過程中，需要對干涉光譜的進(jìn)行傅里葉逆變換獲取物體散射勢。該干涉光譜信號必須是波數(shù)的函數(shù)，實際上，光譜儀采集的是在均勻波長空間分布的干涉光譜信號，在波數(shù)空間并非均勻分布。如果對采集到的非均勻波數(shù)空間分布的干涉光譜數(shù)據(jù)直接進(jìn)行傅里葉變換，將造成系統(tǒng)的軸向分辨率和測量精度的下降。因此，在對干涉光譜信號進(jìn)行傅里葉逆變換的圖像重構(gòu)算法之前，必須先得到各個采樣點均勻分布于波數(shù)空間的干涉光譜信號。由于波長和波數(shù)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系是非線性關(guān)系，需要對以波長為變量的干涉光譜做線性標(biāo)定，將光譜儀采集的均勻波長空間分布的干涉光譜信號映射到波數(shù)空間，然后進(jìn)行重采樣，通過3次樣條插值的方法，將其轉(zhuǎn)換為均勻波數(shù)空間分布的干涉光譜信號，如圖2b所示。

Fig.2 Interference spectrum

對該干涉光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉逆變換，得到如圖3a所示的散射勢曲線，即1維深度（axial-scan）圖像?？梢钥闯?，圖3a中含有明顯的峰值，其中橫坐標(biāo)0右側(cè)的散射勢的主峰值和最小峰值分別表示氧化鋅薄膜的表面以及薄膜與基片的界面，而坐標(biāo)0左側(cè)的峰值為它們的鏡像。通過峰值坐標(biāo)可以得到薄膜的厚度約為10.2μm，該測量結(jié)果與理論尺寸10μm基本一致?？刂屏硪晃⑽灰破脚_，對氧化鋅薄膜進(jìn)行橫向掃描（x-scan），得到橫向位置x相鄰的多個干涉光譜，分別對這些干涉光譜做傅里葉逆變換，得到多個1維深度圖像，分別對其賦灰度值，得到如圖3b所示的2維層析圖像。由2維層析圖像可以看出氧化鋅薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，譜域OCT技術(shù)可以對氧化鋅薄膜質(zhì)量進(jìn)行檢測。

Fig.3 OCT image

4 結(jié) 論

通過譜域OCT對氧化鋅薄膜的檢測，得到了氧化鋅薄膜的1維深度和2維層析圖像。通過1維深度圖像的分析，得到了氧化鋅薄膜的厚度，測量結(jié)果與理論值基本相同，表明譜域OCT測量值準(zhǔn)確有效。通過2維層析圖像，可以清晰地看出薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表明譜域OCT技術(shù)可以為薄膜的質(zhì)量檢測提供技術(shù)支撐。

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Study on optical coherence tomography detection of ZnO film

QIN Yuwei
（School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714000，China）

In order to measure the thickness of ZnO film，optical coherence tomography（OCT）technique was used for theoretic analysis and experimental verification.The 1-D depth image including thickness information and the 2-D crosssectional image including structure information were obtained simultaneously.The results show that the measuring result is almost as same as the theoretical value.It is illustrated that the measurement of the spectral-domain OCT is real and effective.It can be used for the measurement of thickness and quality of the film.

measurement and metrology；film；detection；optical coherence tomography

TN247

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.026

1001-3806（2014）06-0845-03

陜西省軍民融合研究基金資助項目（13JMR18）；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃資助項目（12JK0672）；陜西省科技廳國際交流合作資助項目（2013KW04-03）

秦玉偉（1979-），男，講師，博士，主要研究方向為傳感器與光電檢測技術(shù)。

E-mail：qinyuwei＠163.com

2013-11-06；

2013-11-11