CN103175478A - 一种基于红外成像的薄膜测厚仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于红外成像的薄膜测厚仪，包括光源、准直透镜、分光棱镜、参考路散射玻璃、参考路红外滤光片、参考路反射镜、测量路散射玻璃、测量路红外滤光片、测量路反射镜、半透半反分光镜、成像透镜、CCD；测量时参考物经反射镜、分光镜和成像透镜成像到CCD光敏面，被测物经反射镜和成像透镜也成像到CCD光敏面，CCD将图像传送至计算机，经图像处理后根据图像的灰度值求得被测物的厚度；如此形成双光路测量系统，避免了光源光强变化的影响；使用散射光透射成像的测量体系，避免了传统红外测厚装置中存在的干涉影响；设置具有多个局部标准厚度的参考物，该装置可以获取参考物各个局部标准厚度，从而能够更加精确地测量薄膜厚度。

Description

一种基于红外成像的薄膜测厚仪

技术领域

本发明属于在线测厚技术领域，具体涉及一种薄膜红外透射成像在线测厚装置，适用于测量透明和半透明薄膜的厚度。

背景技术

薄膜种类繁多，广泛的应用于社会生产和科学研究的各个领域。薄膜的厚度在很大的程度上决定了薄膜的力学性能和光学性能，因此精确测量薄膜厚度的技术日益重要。

薄膜在线测厚技术主要有：电容式测厚、激光三角法测厚、激光干涉法测厚、射线测厚、红外测厚。薄膜在线测厚的方法虽然很多，但是各类方法普遍有其自身的局限性。电容式测厚易受外界磁场干扰；激光三角法测量透明材料效果不佳；激光干涉法要求稳定的测量条件；射线测厚方法简单、响应率快、精确、非接触、无损，应用最广泛，但是存在放射性污染隐患，设备昂贵；而红外测厚使用红外光源，非放射性，安全保障，受环境温度的影响小，受被测材料波动的影响小，对比其他在线测厚方法，有着明显的优势。

红外透射测厚的基本原理是朗伯定律，即当光在介质中传播时，随着传播距离的增加，光强逐渐减弱，具体公式为：

$T=\frac{I}{I_0}=e^{-\mathrm{\αt}}$

其中，T为透射比，I₀为初始光强，I为透射光强，α为吸收系数，t是传播距离，即膜厚度。

朗伯定律的本质来源于物质分子对于光的吸收。分子吸收红外辐射(光子或能量)后会引起构成分子中各化学键的振动，这些化学键的振动方式类似于双原子振动。当入射光的频率与分子中化学键的基频、倍频(约等于基频的倍数)或组合频率(多个基频之和)相等的时候，就引起共振，该能量就会被分子吸收，其振幅将增强。这就表现为材料对特定波长的光能的强烈吸收。大部分红外吸收是由X-H键(如O-H、N-H、C-H)伸缩和弯曲振动的倍频和组合频产生的。

红外测厚仪的典型结构如图1所示。光源22产生的光经准直后入射到调制盘23上，调制盘上面装有两块单色光带通滤光片，由马达21驱动旋转，用以产生波长为λ_M的测量光和波长为λ_R的参考光，被测薄膜24对波长λ_M的测量光吸收较强，对波长为λ_R的参考光吸收较弱；单色光透射材料后，分别经由光波导25、红外传感器26、信号放大27，最后由微机系统28采集；对应两个不同的波长，材料有相应的两个吸收系数α_M和α_R，假设两单色光的入射光强分别为I₀(λ_M)和I₀(λ_R)，由朗伯定律，透射光强分别为：I_M＝I₀(λ_R)EXP(-α_Rt)和I_R＝I₀(λ_M)EXP(-α_Rt)，如果I₀(λ_M)＝I₀(λ_R)，则ln(I_M/I_R)＝(α_R-α_M)t，那么厚度t就可以被计算出来。

传统红外测厚方法尚存在很多问题。传统的红外测厚仪多使用了滤光片调制盘，是旋转运动部件，可靠性差，测量噪声大，且不适用于高速薄膜生产线上(调制盘旋转半周，薄膜已经行进一段距离，导致测量光和参考光两束光照射到被测薄膜上的不同区域)；部分未使用调制盘的传统红外测厚仪，多是开环的系统，光源光强的变化会带来测量的误差；使用传统红外测厚方法，如果被测薄膜很薄，在薄膜内多次反射后再透射的光线与直接透射的光线就会产生干涉，干涉条纹将对最后的厚度测量造成干扰；最后，此类红外测厚方法最后对于数据的处理过于简单，仅仅使用简单的公式就将光强信息转换成厚度，朗伯定律是建立在理想的环境下的，实际情况下，特别是被测物表面或内部对光的散射，会造成系统对朗伯定律的偏离。

使用透射成像的测量系统，可以测得被测物表面的局部厚度和微观形貌。典型的透射成像的测量系统如图2所示，由灯箱31产生的光透过散射玻璃32和被测薄膜33，CCD34对被测薄膜上表面成像，采集到的图像的灰度值大小就反映了光强的大小，继而可依此获得薄膜的局部厚度信息。国外已经有人使用类似的系统测量菲涅尔棱镜表面形貌(Proc.of SPIE Vol.8169816910-1)、岩石截面表面形貌(Earth and Planetary Science Letters191(2001)267-282)和PET薄膜的局部厚度(20May2010/Vol.49，No.15/APPLIED OPTICS)。

发明内容

为解决传统红外测厚仪尚存在的几个问题：受光源稳定性影响、受干涉影响、存在调制盘这一不稳定结构，本发明提供一种基于红外成像的薄膜测厚仪，它具有稳定可靠、实用方便的特点。

为解决上述的技术问题，本发明提供的一种基于红外成像的薄膜测厚仪，其特征在于，它包括光源、准直透镜、分光棱镜、参考路散射玻璃、参考路视场光阑、参考路红外滤光片、参考路反射镜、测量路散射玻璃、测量路视场光阑、测量路红外滤光片、测量路反射镜、半透半反分光镜、成像透镜和CCD；

所述准直透镜、分光棱镜、参考路散射玻璃、参考路视场光阑、参考路红外滤光片、参考路反射镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上，组成参考光路；所述分光棱镜、测量路散射玻璃、测量路视场光阑、测量路红外滤光片和测量路反射镜的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，组成测量光路；所述参考路反射镜的反射镜与入射光呈45°夹角放置，所述测量路反射镜的反射镜与入射光45°夹角放置；两光路各光学元件相对分光棱镜(3)呈对称布置，相互对称的光学元件相同；半透半反分光镜的反射面与测量路反射镜的反射面相同；

所述半透半反分光镜同时位于测量路反射镜和参考路反射镜的反射光路上；成像透镜和CCD依次位于半透半反分光镜之后，光轴水平。

本发明是一种采用散射光透射成像双光路的测量系统，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

测量膜厚时，同一光源发出的光被分为两束：水平方向的参考光路和垂直方向的测量光路。在成像时，将参考物和被测物成像到同一CCD的光敏面上；如若光源光强发生变化，则两路光的光强发生同样比例的变化，从而克服了光源不稳定带来的影响；

测量路和参考路都使用了散射玻璃来产生散射光，使用散射光透射成像的测量技术，由于散射光在各个角度上均衡地透过被测物，而以不同入射角透过薄膜的光线具有不同的干涉强度，从而总体上的干涉强度被中和，克服了干涉的影响。

由于采用成像的测量方式，设计具有多个局部标准厚度的参考物，便可获知参考物上的各个标准厚度对应的灰度值，换句话说，相当于系统具有多个不同厚度的标准参考物，从而能够更加精确的测量薄膜厚度。

附图说明

图1是典型的红外测厚仪基本结构；

图2是典型的透射成像的测量系统；

图3是本发明提供的薄膜测厚仪的结构示意图；

图4(a)是本发明提供的薄膜测厚仪的光路成像示意图，4(b)为4(a)中部位I的局部放大图；

图5(a)是本发明提供的薄膜测厚仪光路结构示意图，5(b)为图5(a)中部位II的局部放大图；5(c)为图5(a)中部位III的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图3所示，本发明提供的薄膜测厚仪包括光源1、准直透镜2、分光棱镜3、参考路散射玻璃4、参考路视场光阑6、参考路红外滤光片7、参考路反射镜8、测量路散射玻璃9、测量路视场光阑11、测量路红外滤光片12、测量路反射镜13、半透半反分光镜14、成像透镜15、CCD16。

所述准直透镜2、分光棱镜3、参考路散射玻璃4、参考路视场光阑6、参考路红外滤光片7和参考路反射镜8的几何中心在水平方向位于同一轴线上，组成参考光路；所述分光棱镜3、测量路散射玻璃9、测量路视场光阑11、测量路红外滤光片12和测量路反射镜13的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，组成测量光路；所述参考路反射镜8的反射镜与入射光呈45°夹角放置，所述测量路反射镜13的反射镜与入射光45°夹角放置；两光路各光学元件相对分光棱镜3呈对称布置，同名光学元件相同，即参考路散射玻璃4和测量路散射玻璃9相同，参考路视场光阑6和测量路视场光阑11相同，参考路红外滤光片7和测量路红外滤光片12相同，参考路反射镜8和测量路反射镜13相同。

参考物5可以具有多个局部标准厚度，图中设置的参考物就具有三个不同的局部厚度，可以看到，参考物的上部分、中间部分和下部分的厚度不同，因为使用成像的测量方式，可以获取被成像物体的局部的灰度值，所以设置参考物具有多个局部标准厚度相当于系统具有多个不同的参考物。

光源可选用钨卤灯或红外LED。如图4所示，在进行测量时，被测物10放置于测量路散射玻璃9与测量路视场光阑11之间，参考物5放置于参考路散射玻璃4和参考路视场光阑6之间。从图4中看，光源产生的光首先经由准直透镜3准直，然后由分光棱镜4分为测量路和参考路两路；在测量路，光依次透过测量路散射玻璃9、被测物10、测量路视场光阑11和测量路红外滤光片12，经测量路反射镜13反射后透过半透半反分光镜14，最后透过成像透镜15打到CCD16的光敏面上；在参考路，光依次透过参考路散射玻璃4、参考物5、参考路视场光阑6和参考路红外滤光片7，经参考路反射镜8反射后再经半透半反分光镜14反射，最后透过成像透镜15打到CCD16的光敏面上。

如图4所示，半透半反分光镜初试角度为45°，即它与测量路反射镜13平行放置，且其反射面与测量路反射镜13的反射面相同，测量时，被测物10经测量路反射镜13成像为A′，参考物5依次经参考路反射镜8和半透半反分光镜14成像为B″，两光路呈对称布置，此时A′和B″重合；如图5局部放大图III所示，调整半透半反分光镜14在45°初始角度下逆时针旋转一个微小角度β，以使A′和B″上下分开，且无重叠，如使A′和B″上下分开1/2个像大小。

如图4所示，最后A′和B″通过成像透镜15成像到同一CCD16的光敏面上，如图4(b)所示，A′和B″分别成像为A″和B″′，CCD和成像透镜的光轴水平且通过A′和B″连线的中心。CCD16再将摄得的图像传输到计算机，经图像处理后计算出被测物和参考物之间平均灰度级的比值K，然后由标定方程将K转化为被测物厚度值。具体说明如下：

对于图像的数据处理由计算机完成，CCD16将摄得的图像传输到计算机，计算机将得到一张具有两个亮光斑的图像，两个光斑也即是A″和B″′，分别计算两光斑的平均灰度值，其比值也就是被测物和参考物的亮度比值K，最后将K代入标定方程即求得被测物的厚度值。

标定方程由标定实验得到，标定实验是取一系列已知厚度的薄膜，得到相应的被测物和参考物之间灰度值的比值K，然后拟合比值K和被测物厚度之间的函数关系式作为标定方程。

两光路的红外滤光片的通带属性一致，属于红外带通窄带滤光片，用以产生单色红外光，从图3可以看出，测量路红外滤光片还可以阻止外界环境光进入系统。

由于测量路和参考路成像次数不完全一致，在放置上同样厚度的薄膜时，测量路和参考路的成像光强并不相等，但是由于系统具有较强的鲁棒性和测量重复性，因此放置上相同厚度d的薄膜时，两路光光强比可以用函数f(d)来描述，标定拟合f(d)就可以消除这些影响。而实际上，在标定拟合平均灰度级的比值K和被测物厚度之间的函数关系式的时，f(d)就已经蕴含在标定方程中了，所以无须单独将f(d)拟合出来。

如果需要更加精确有效的厚度监控，可以设计参考物具有多个局部标准厚度，如图4局部放大图III所示，此参考物就具有三个不同的局部厚度，成像后即得到三个不同的平均灰度值，相当于系统中有了三个不同的参考物，所以我们可以根据需要设计具有多个局部厚度的参考物，从而实现了对多个厚度的精确监控。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于红外成像的薄膜测厚仪，其特征在于，它包括光源(1)、准直透镜(2)、分光棱镜(3)、参考路散射玻璃(4)、参考路视场光阑(6)、参考路红外滤光片(7)、参考路反射镜(8)、测量路散射玻璃(9)、测量路视场光阑(11)、测量路红外滤光片(12)、测量路反射镜(13)、半透半反分光镜(14)、成像透镜(15)和CCD(16)；

所述准直透镜(2)、分光棱镜(3)、参考路散射玻璃(4)、参考路视场光阑(6)参考路红外滤光片(7)、参考路反射镜(8)的几何中心在水平方向位于同一轴线上，组成参考光路；所述分光棱镜(3)、测量路散射玻璃(9)、测量路视场光阑(11)、测量路红外滤光片(12)和测量路反射镜(13)的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，组成测量光路；所述参考路反射镜(8)的反射镜与入射光45°夹角放置，所述测量路反射镜(13)的反射镜与入射光45°夹角放置；两光路各光学元件相对分光棱镜(3)呈对称布置，相互对称的光学元件相同；半透半反分光镜(14)的反射面与测量路反射镜(13)的反射面相同；

所述半透半反分光镜(14)同时位于测量路反射镜(13)和参考路反射镜(8)的反射光路上；成像透镜(15)和CCD(16)依次位于半透半反分光镜(14)之后，光轴水平。

2.根据权利要求1所述的薄膜测厚仪，其特征在于，光源(1)选用钨卤灯或红外LED。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜测厚仪，其特征在于，该薄膜测厚仪所使用的参考物(5)具有多个局部标准厚度，构成多个标准参考物。

4.根据权利要求3所述的薄膜测厚仪，其特征在于，参考物(5)测量时布置在参考路散射玻璃(4)和参考路视场光阑(6)之间，被测物(10)布置在测量路散射玻璃(9)和测量路视场光阑(11)之间；半透半反分光镜(14)初始时与测量路反射镜(13)平行布置，被测物(10)经测量路反射镜(13)成像为A′，参考物(5)依次经参考路反射镜(8)和半透半反分光镜(14)成像为B″，旋转半透半反分光镜(14)使像A′和像B″上下分开且无重叠，像A′和像B″通过成像透镜(15)成像到CCD(16)上，利用CCD(16)获得的图像计算获得被测物的厚度值。

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