CN101213418A - 用于测量工件厚度的衍射方法 - Google Patents

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Abstract

本发明通过使相干光束(20)穿过工件(10)内的孔(16)高度精确地测量工件(10)的厚度。作为选择，孔(16’)可设于工件(10)的边缘和外部参考板(30)之间。使光衍射于在工件(10)的远侧，其衍射图样由CCD相机(22)捕获。所捕获的图像经计算机(24)与所存储的参考值比较进行分析，以确定工件(10)的厚度是否在合格范围内。本方法能够获得微米或亚微米级分辨率的测量结果，操作过程稳健，且适于大批量生产质量控制应用。

Description

用于测量工件厚度的衍射方法
技术领域
本发明涉及一种通过使相干光束穿过孔或绕过边缘产生衍射并将获得的衍射图样与参考衍射图样进行比较来测量物体厚度的方法。
背景技术
在制造环境下，常常需要高度精确地测量加工元件或工件的厚度。在某些应用中，甚至需要进行微米或亚微米级分辨率的厚度测量。
在需要进行高分辨率厚度测量的情况下，建议采用激光三角法技术，该技术基于表面对多个激光束的反射来计算测量结果。采用光学测量方法存在的问题是由多余的光反射造成的所谓“噪声”带来的。这些噪声会产生错误的正和/或负测量结果。在大批量生产制造过程中，质量控制标准常要求次品量低于每百万件中1或2件次品。当合格产品和不合格产品之间的差别是几个微米的厚度测量结果时，实现和保持产品质量的稳定性将是一个挑战。
因此，需要一种高度精确、稳健、对多余反射带来的光噪声不敏感并适于批量生产设置的厚度测量技术。
发明内容
本发明包括一种测量工件厚度的方法，该方法包括下列步骤：形成穿过工件的孔；使光束穿过所述孔在所述工件的远侧形成光衍射图样；捕获所述衍射图样；以及测量所捕获的衍射图样以确定工件的厚度。该衍射图样的测量值指示所述工件的厚度，使得合格的衍射图样测量结果可与合格范围内的工件厚度相适应。
根据本发明的另一方面，提供一种测量工件厚度的方法，该方法包括下列步骤：提供具有已知厚度的试样；形成穿过所述试样的孔；使光束穿过所述孔在所述试样的远侧形成光衍射图样；捕获该衍射图样；测量所捕获的衍射图样以建立一参考衍射图样；并将该参考衍射图样与所述试样的已知厚度相适应。然后，形成穿过未知厚度的工件的孔并使光束穿过该工件上的孔在该工件的远侧形成光衍射图样。捕获该衍射图样，而后将该衍射图样与所述参考衍射图样相比较，以确定所述工件的厚度是否等于所述试样的已知厚度。
根据本发明的又一方面，提供一种检测沿预定路径行进的多个工件的厚度的方法，该方法包括下列步骤：沿预定路径传送多个工件，其中该多个工件的厚度是未知的，且各工件设有尺寸相同且穿过该工件的孔。该方法接着将光束依次对准所述多个工件，使得该光束穿过各工件的孔后将各工件产生的独特光衍射图样投射到该工件的远侧。捕获该衍射图样并对其进行测量，以确定所述工件的厚度。
本发明基于分析穿过孔的光而非表面反射的光的原理操作，能够提供更高的信噪比，从而使得厚度测量更为稳健。
附图说明
为便于理解本发明的特征及优点，以下结合附图对本发明进行详细描述，其中：
图1展示了相干光束如何穿过工件内的孔，由CCD相机捕获，最后经计算机处理；
图2是具有相干光束可穿过的孔的示例性工件的立体图；
图3是沿图2中3-3线的工件的剖视图；
图4A-4C展示了CCD相机捕获的一组示范性衍射图样，其中图4B所示与图4A所示有10微米厚度变化，图4C所示与图4B所示有10微米厚度变化；
图5是图4A-4C所示各图像的强度值随距衍射图样中心的距离变化的比较图；
图6是大批量生产设置中检查连续加工工件厚度的方法的简示图；以及
图7是本发明的可选实施例的示意图。
具体实施例
参照附图，其中相似数字始终指代相似或相应零部件。根据该主题发明的工件10可包括任何加工物品，但优选在测量区域具有通常刨平的、截面厚度一致的那类物品。该工件10也是那类必须以精确公差测量尺寸厚度的工件。本发明的方法非常适于测量几个微米甚至更小等级的工件厚度。
仅为了举例的目的，而并非以任何方式进行限制，工件10可包括设于曲轴和主轴承或连接杆之间的那类发动曲轴承。发动曲轴承是本发明工件的一个很好的示例，因为这种发动曲轴承必须以精确公差制造。而且，发送曲轴承，类似很多工件，是作为由上部材料层12和下部基层14构成的组合件进行制造。通常，在工件制造过程中，需要精确控制应用上部材料层12的技术。众多参数变化中的任一个参数变化都会导致上部材料层12沉积或太厚或太薄。以粉末喷涂为例，如果喷涂设备或其他处理或后处理步骤没有精确进行，那么得到的上部材料层12将具有不合格的沉积厚度。这将导致工件成品的厚度超出公差范围。
根据要测量工件10的特殊类型，通常具有在需要进行厚度测量的某一位置形成穿过工件10的孔16的机会。在本发明的一个优选实施例中，该孔16必须完全穿透要测量的工件10的厚度。因此，如果工件10由多个层例如上部材料层12和基层14组成，那么孔16必须形成完全贯穿孔，完全从一表面通向另一表面。孔16可为任何适合形状，包括圆形或其他形状，如图所示则采用衍射光学领域通常认可的细长缝形式。此外，不必通过工件10的余下部分将孔16的所有侧面完全限定，该孔16也可采用从工件10的边缘向内延伸的凹口或切口的形式。在某些应用中，孔16甚至可以采用凸出的障碍物的形式。这是因为设置孔16的目的是为了与光波相互作用产生衍射效果。而且，众所周知，当入射光波与限定尺寸的障碍物或孔相互作用，就会发生衍射现象。当光波绕过障碍物或从孔16传播出去，波向外传播产生可供分析的衍射图样。
参照图1，产生光束的装置18优选由能够产生相干光的激光器或其他设备构成，所谓相干光也就是具有相同或大致相同波长的辐射电磁能量、在区域内不同点之间满足一定相位关系的光。激光器18通电后，对准工件10的孔16发射光束20。当光波和孔16相互作用时，光波以类似水波的形式从孔中传播出去，在工件10的远侧产生衍射效果。这种衍射效果通过图1中光波20的传播表现出来。
在衍射光束20的传播路径上设置装置，例如CCD相机22，以捕获衍射图样。在设有CCD相机的情况下，衍射图样由称为电荷藕合装置即CCD的硅片捕获。这种硅晶片是固态电子元件，通常经微加工制成，并划分光敏单元阵列。因此，CCD相机22通过每个光敏单元记录一指定空间位置处指定强度的光，来收集激光20穿过孔16产生的衍射信号。这些关系，也就是强度与位置的关系，易于用图表和图像表示出来。操作时可连接一装置至CCD相机22，以从捕获的衍射图样中获取、处理并显示强度和位置的对比数据。该装置可优选计算机，并随后给该计算机编制通过测量强度和位置值确定工件10的厚度的程序。由于衍射图样指示了工件10的厚度，故所测的衍射图样中的变化可用于推断工件10的厚度是否超出公差范围。
计算机24可通过将所捕获的衍射图样与记录式存储器中所包含的一个或多个参考图样进行比较来确定工件10的厚度，而非通过测量衍射图样本身来确定工件10的厚度。例如，图4A-4C展示了3个不同工件10的衍射图样，这3个不同的工件10设有同样尺寸的孔16。然而，图4A中工件10的厚度比图4B中工件10的厚度小10微米。与图4B相适应的工件10与图4C中的衍射图样相适应的工件10薄10微米。
通过比较图4A、4B和4C中的衍射图样，显然，导致产生图4A所示衍射图样的工件10的厚度比产生图4B所示衍射图样的工件10的厚度小10微米，比产生图4C所示衍射图样的工件10的厚度小20微米。通过以图表形式比较与图4A、4B和4C相应的图像的强度值，可获得其他有用信息。展现这些强度值比较结果随距离变化的图表如图5中所示。
计算机24采用比较技术或测量技术分析所捕获的由工件10产生的衍射图样，以确定工件10的厚度是在合格范围内还是超出合格范围。当然，合格范围的幅度由工件10的预期应用领域决定。
根据该确定工件10厚度的比较技术，提供具有已知厚度的试样。该试样优选在各方面均与工件10相同。该试样上设有穿过该试样的孔，该孔与工件10上的孔16尺寸相同。激光18发射的光束20穿过试样上的孔，在该试样的远侧形成光衍射图样。该光衍射图样由CCD相机22捕获，而后被测量，和/或存入计算机存储器中。所捕获的衍射图样(和/或测量特征)与试样的已知厚度相适应。因此，当采用衍射图样捕获技术测量实际工件10时，将所捕获的由工件10产生的衍射图样和试样产生的参考衍射图样进行比较，计算机即可确定工件10的厚度是否与试样的厚度相等。
现在参照图6，展示了检测沿预定路径行进的多个工件10的厚度的方法。该预定路径优选由材料搬运装置26构成，在图6所示实施例中，该材料搬运装置26为简易传送带。可选地，该材料搬运装置26可为旋转式传送带或可使工件10沿预知路径移动的任何其他类型的装置。在这种情况下，材料搬运装置26可从加工操作中直接引导工件10，从而可确定工件的厚度以进行质量控制。激光器18与材料搬运装置26相邻设置，使得其光束20对准经过的工件10队列。光束20聚焦并穿过所经过的每个工件10中的孔16，这样工件10的方位显得很重要。可选地，如果有足够多的厚度统计抽样，那么每千个工件10中仅需在给定数量的工件上设置孔16并根据该方法测量该给定数量的工件10。
CCD相机22设于材料搬运装置26的相对侧，准备在工件10经过光束20时接收自工件10远侧出现的衍射图样。计算机24迅速地分析每个工件10产生的独特的衍射图样，并得出关于工件10的厚度是否在合格范围内的测量结果。如果测量结果不在合格的范围内，那么计算机24可与剔除装置28相联，将对应工件10转移，离开材料搬运装置26的预定路径。
虽然图6所示的实施例建议使激光器18和光束20保持固定，而将工件10传送经过激光器18和光束20，但其他布置方式和结构配置也是可以的。例如，当工件10在其预定路径上行进时，激光器18和CCD相机22可随工件10移动；或者当工件10保持固定时，激光器18和CCD相机22可在预定路径上移动。
本领域的普通技术人员可知其他结构配置也是可行的。例如，在图7所示本发明的另一较佳实施例中，孔16’设于工件10的外边缘和参考板30之间。在该实施例中，参考板30保持固定，而工件沿材料搬运装置26’被传送。然而，相反的运动模式同样可行，当然，工件10和参考板30同时处于运动或静止状态也是可能的。无论在哪种情况下，光束20都对准孔16’上并因此在相对侧产生衍射图样。可采用任何已知的技术分析所捕获的衍射图样，以确定工件10的厚度是在合格范围内还是已超出合格范围。当不便在工件上形成孔或凹口时，该可选实施例具有无需在工件10上形成孔或凹口的优点。
以上通过举例说明的方式对本发明进行了描述，可以理解，以上采用的技术仅用于对本发明进行语言上的描述，而非用于限定本发明。很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。因此，可以理解，在所附权利要求的范围内，除上述特定实施例外，本发明可以采用其他方式实施，而不限于上述说明书中所描述。

Claims (27)

1.一种测量工件厚度的方法，包括下列步骤：
形成孔，该孔的至少一个侧面由所述工件形成；
使光束穿过所述孔在所述工件的远侧形成光衍射图样；
捕获所述衍射图样；以及
测量所捕获的衍射图样，以确定工件的厚度，其中，该衍射图样的测量值指示所述工件的厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将该工件形成具有设于基层上的上部材料层的复合结构的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，包括形成所述上部材料层，作为所述基层上的涂层。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述上部材料层通过粉末喷涂操作形成。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述形成孔的步骤包括同时形成穿过所述基层和所述上部材料层的开口。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使光束穿过所述孔的步骤包括产生相干光。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述产生相干光的步骤包括给激光器装置通电。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成孔的步骤包括形成非圆形孔。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量步骤包括用接收、处理并显示数据的装置分析所述衍射图样。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述捕获所述衍射图样的步骤包括在光穿过所述孔的路径上设置CCD相机。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成孔的步骤包括用固体材料限定所述孔的所有侧面。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成孔的步骤包括设置所述工件的参考板相邻边。
13.一种测量工件厚度的方法，包括下列步骤：
提供具有已知厚度的试样；
形成孔，其至少一个侧面由所述试样形成；
使光束穿过所述孔在所述试样的远侧形成光衍射图样；
捕获所述衍射图样；
将所捕获的衍射图样作为参考衍射图样存储；
将所述参考衍射图样与所述试样的已知厚度相适应；
形成孔，其至少一个侧面由未知厚度的所述工件形成；
使光束穿过所述工件的所述孔以在该工件的远侧形成光衍射图样；
捕获所述衍射图样；以及
将所捕获的由所述工件产生的衍射图样与所述参考衍射图样相比较，以确定所述工件的厚度是否等于所述试样的已知厚度。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括将该工件形成具有设于基层上的上部材料层的复合结构的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述工件中形成孔的步骤包括同时形成穿过所述基层和所述上部材料层的开口。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述使光束穿过孔的步骤包括产生相干光。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述工件中形成孔的步骤包括形成非圆形孔。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，捕获所述衍射图样的步骤包括在光穿过所述孔的路径上设置CCD相机。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述工件中形成孔的步骤包括设置所述工件的参考板相邻边。
20.一种检测沿预定路径行进的多个工件的厚度的方法，包括下列步骤：
沿预定路径传送多个未知厚度的工件；
将光束射向所述多个工件上，使得该光束穿过至少一个侧面由各工件形成的孔，将各工件产生的独特光衍射图样投射到该工件的远侧；
捕获所述衍射图样；以及
测量所捕获的衍射图样，以确定所述工件的厚度，其中，所述衍射图样指示所述工件的厚度。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述测量步骤包括将所捕获的由各工件产生的衍射图样与一参考衍射图样相比较，该参考衍射图样与一已知工件厚度相适应。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包括将该工件形成具有设于基层上的上部材料层的复合结构的步骤。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述将光束射向所述多个工件的步骤包括产生相干光。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述将光束射向所述多个工件的步骤包括当所述多个工件被传送经过所述光束时，使所述光束保持在一致的路径上。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，捕获所述衍射图样的步骤包括在光穿过所述各孔的路径上设置CCD相机。
26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包括如果工件的测量厚度偏离合格范围，则将该工件转移，离开所述预定路径。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包括所述传送步骤包括移动所述多个工件使其经过一参考板，从而在所述参考板和每个经过的工件之间形成一孔。
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