CN104180762A

CN104180762A - 基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法

Info

Publication number: CN104180762A
Application number: CN201410454944.6A
Authority: CN
Inventors: 凌东雄
Original assignee: Dongguan University of Technology
Current assignee: Dongguan University of Technology
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2014-12-03

Abstract

本发明提供了一种基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，该方法在利用现有的探测和计算方法得出待检测物品的估算厚度值L后，进一步的利用该估算厚度值L提取主回波的折射率n₀和一级回波的折射率n₁，由于提取到的折射率n₀和折射率n₁受到估算厚度值L和实际厚度值L₀的差值（即误差值）影响而存在数值差，因此利用折射率n₀和折射率n₁之间的差值即可推算出估算厚度值L和实际厚度值L₀的差值，以此作为厚度修正值来对估算厚度值L进行修正，从而获得更高精度的检测结果。

Description

基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法

技术领域

本发明涉及太赫兹光谱技术应用领域，特别涉及一种基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法。

背景技术

在许多行业，需要准确物体的厚度，如半导体、药片、纸张等等，目前，药片、纸张的厚度的在线监测主要由核子仪来完成，核子仪会产生电离，不满足环保要求，同时由于安全等因素，核子仪的使用受到约束。

另一方面，太赫兹光谱技术在现阶段取得长足进步，利用太赫兹波来探测进行物体探测时，不会产生有害的光致电离，是一种有效的无损检测手段；太赫兹波脉冲宽度为皮秒量级，可有效用于进行时间分辨的研究；非极性物质对太赫兹电磁辐射是透明的，更重要的是：太赫兹波对厚度很敏感，可以把它用于物体厚度的测量，因此，技术界越来越多的利用太赫兹光谱技术来探测物体厚度。

在太赫兹光谱技术中，时域光谱技术（TDS）是最成熟的也是最有可能在工业应用中采用的太赫兹技术。太赫兹时域光谱仪一般由光源、光学系统、太赫兹发射极、太赫兹探测器、光谱扫描系统和信息处理软件平台等组成，光源为飞秒激光振荡器，用以泵浦太赫兹发射极产生太赫兹波，而后经由光谱扫描系统，在太赫兹探测器上与参考信号会合，最终在信息处理软件平台上显示出太赫兹光谱。

然而，在利用太赫兹光谱技术探测物体厚度时，由于探测器的探测精度、光信号传播存在损耗等原因，直接利用探测器探测到的光谱并简单依据时域光谱技术计算出来的物体厚度与实际的物体厚度之间存在一定的误差。而目前的探测技术中，缺乏对该误差的有效的修正手段。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种能够对探测误差进行修正，从而有效提高检测精度的基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法。

本发明的设计思路是：由于简单计算出来的待测物体的估算厚度与待测物体的实际厚度存在厚度误差，该误差会引起提取到的探测信号的折射率产生误差，而由于探测信号的主回波和一级回波在待测物体中的路径是不同的，也就是说厚度误差对主回波的折射率计算和一级回波的折射率计算存在不同程度的影响，因此，利用估算厚度提取到的主回波的折射率n₀和一级回波的折射率n₁是不相同的，两者存在数值差，而且该数值差是由于厚度误差导致的，因此可以采取利用估算厚度提取主回波的折射率n₀和一级回波的折射率n₁，然后在利用折射率n₀和一级回波的折射率n₁推算出厚度误差值，从而能够修正估算厚度，提高检测精度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供了基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，包括：

初步检测步骤：利用太赫兹时域光谱技术检测待测物体，依检测原理计算获得待测物体的估算厚度值L；

折射率提取步骤：记探测信号第一次透过待测物体的脉冲信号为主回波，记探测信号经待测物体内部反射两次后的第二个透射信号为一级回波，利用待测物体的估算厚度值L计算提取主回波的折射率n₀和一级回波的折射率n₁；

误差补偿步骤：根据主回波的折射率n₀和一级回波的折射率n₁的差值来计算待测物体的实际厚度值L₀与估算厚度值L之差值，即厚度修正值；利用厚度修正值补偿修正估算厚度值L仪获得实际厚度值L₀。

其中，所述初步检测步骤包括：

光谱检测步骤：将待测物体设置于太赫兹时域光谱仪的检测位置上，启动检测并获取太赫兹时域光谱仪探测到的参考信号时域光谱和太赫兹时域光谱仪的探测信号时域光谱；

数据提取步骤：根据参考信号时域光谱和探测信号时域光谱获取探测信号的主回波相对于参考信号的延迟时间和一级回波相对于参考信号的延迟时间；

厚度值估算步骤：依主回波和一级回波的光路传播原理，利用延迟时间和延迟时间计算待测物体的估算厚度值L。

其中，所述厚度值估算步骤中：估算厚度值，其中N为参考信号在空气中的折射率，c为光速。

其中，所述折射率提取步骤包括：

光谱检测步骤：将待测物体设置于太赫兹时域光谱仪的检测位置上，启动检测并获取太赫兹时域光谱仪探测到的参考信号时域光谱和探测信号时域光谱；

相位差提取步骤：根据参考信号时域光谱和太赫兹时域光谱仪的探测信号时域光谱获取探测信号的主回波与参考信号之间的相位差和一级回波与参考信号的相位差；

折射率提取步骤：利用估算厚度值L与相位差计算提取主回波的折射率n₀，利用估算厚度值L与相位差计算提取一级回波的折射率n₁。

其中，所述折射率提取步骤中：；；其中是探测信号的角频率，c是光速。

优选的，本方法还包括初步判断步骤：判断待测物体厚度是否大于预设阈值，如果是，则采用本厚度检测方法；如果否，则采用迭代法或者图像处理法检测物体厚度。

其中，所述误差补偿步骤中，。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，该方法在利用现有的探测和计算方法得出待检测物品的估算厚度值L后，进一步的利用该估算厚度值L提取主回波的折射率n₀和一级回波的折射率n₁，由于提取到的折射率n₀和折射率n₁受到估算厚度值L和实际厚度值L₀的差值（即误差值）影响而存在数值差，因此利用折射率n₀和折射率n₁之间的差值即可推算出估算厚度值L和实际厚度值L₀的差值，以此作为厚度修正值来对估算厚度值L进行修正，从而获得更高精度的检测结果。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的实施例所采用的太赫兹时域光谱仪结构示意图。

图2为本发明的实施例获取到的参考信号时域光谱和太赫兹时域光谱仪结构示意图。

图3为探测太赫兹波透过待测物体的传输过程示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

本发明基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法的具体实施方式，包括步骤：

A．判断待测物体厚度是否大于预设阈值0.2mm，如果初步估算待测物体厚度小于0.2mm，说明探测信号的各级回波会叠加在一起，因此可采用迭代法或者图像处理法检测物体厚度，相反的，如果初步估算待测物体的厚度大于0.2mm，则采用本发明的检测方法进一步测量；具体的，在该步骤中对物体厚度的估算可以采用一些比较传统的测量手段进行估算，毕竟此处对精度的要求不高；另外，预设阈值可以根据实际测试仪的结构等进行灵活调整，只要能够确保在待测物体厚度大于预设阈值时各级回波不会叠加在一起即可。

B．将待测物体设置于如图1所示的太赫兹时域光谱仪的检测位置上，启动太赫兹时域光谱仪进行检测，并获取探测模块探测到的参考信号时域光谱和太赫兹时域光谱仪的探测信号时域光谱，参考信号时域光谱和太赫兹时域光谱仪的探测信号时域光谱如图2所示。

C．根据图2所示的参考信号时域光谱和探测信号时域光谱分别计算获取探测信号的主回波相对于参考信号的延迟时间、一级回波相对于参考信号的延迟时间、主回波与参考信号之间的相位差和一级回波与参考信号的相位差。

D．利用延迟时间和延迟时间计算待测物体的估算厚度值L，设N为参考信号在空气中的折射率，c为光速根据光学原理，延迟时间由光程差决定，有（1）

考虑主回波直接穿过物体，而一级回波在物体内部反射两次，主回波与1级回波的光程差为：（2）

由（1）（2）式，消去后得到厚度估计值：

（3）

需要说明的是，本实施例中对于厚度估计值L的计算是采用计算主回波和一级回波的延迟时间来加以计算的，而实际计算过程中，本领域技术人员也可以采用其他方法来计算厚度估计值L，此处属于现有技术，不再赘述。

E．利用待测物体的估算厚度值L计算提取主回波的折射率n₀和一级回波的折射率n₁，考虑待测物体放置于空气中，探测太赫兹波（探测信号）垂直入射到物体表面，物体的复折射率为，其中，n为实折射率、k为消光系数，物体前后介质为空气，折射率为1，探测太赫兹波透过待测物体的传输过程如图3所示。根据 Fresnel 公式，探测太赫兹波透过物体前后表面的透射系数分别为：

（4）

（5）

同理，探测太赫兹波在物体内前后表面的反射系数分别为：

（6）

（7）

探测太赫兹波在待测物体中传输距离L₀后，产生的电场强度变化即传输因子表示为

（8）

其中，c为真空中光速，。参见图5，透过物体的m级回波的电场强度表示为：

（9）

另一方面，参考太赫兹波（即参考信号）在空气中传输距离后的电场强度为

（10）

根据公式（4）—（10），透过物体的m级回波的电场强度与在空气中传输的探测波电场强度的比值表示为

（11）其中，和分别表示m级回波和参考信号，为m级回波与参考信号的相位差，为复振幅，为待测物体厚度，为角频率。由（11）式推出复振幅和相位分别为：

（12）（13）

由于主回波（）与参考信号的相位差和一级回波（）与参考信号的相位差不同，对式（3）得到的厚度估计值L，在弱吸收近似条件下，取，由（13）式可以得到两个不同的折射率，即主回波提取的折射率与1级回波提取的折射率：

（14）

（15）

其中，、分别为主回波与参考信号的相位差和1级回波与参考信号的相位差，由（11）式表示为：

（16）

（17）

其中，、和分别表示主回波、1级回波和参考信号，表示复角。

F．计算厚度修正值，对，由（13）式可以得到：

（18）

利用（18）式，对折射率n进行台劳（泰勒）展开并取1阶近似得到：

（19）

此时，。令由p级回波（）提取的折射率为，而q级回波（）提取的折射率为，由（19）得到：

（20）

令，对应1级回波，，对应主回波，由（20）得到：

（21）

从而可以得到待测物体的实际厚度值（22）

综上可见，通过利用主回波和一级回波提取出的折射率的数值差即可算出厚度修正值，从而能够修正估算厚度值L进行修正，获得更高精度的检测结果。

为了更加简洁的描述本实施例的实际操作过程，以下以一个实际的探测过程为例：

（1）将待测物体（如半导体Si片）放置于太赫兹时域光谱仪的检测位置上，获取参考信号（在光路中未放置物体的太赫兹波）的时域光谱信号以及探测信号（光路中放置有待测物体后的太赫兹波）的时域光谱信号，如图2；

（2）截取主回波和一级回波后，读取主回波对参考信号的延迟时间=4.4922ps和一级回波对主回波的延迟时间=12.3047ps；

（3）取光速m/s，利用公式（3）估算待测物体的厚度，得到L=0.49757mm；

（4）将L=0.49757mm代入公式（14）（15），得到两个折射率n₀=3.6781和n₁=3.6959；

（5）将上述数据代入公式（21）得到厚度修正值为=-0.013656mm，由（22）式得到物体的厚度为=0.51123mm。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，包括：

其特征在于还包括：

2.如权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，其特征在于所述初步检测步骤包括：

3.如权利要求2所述的基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，其特征在于所述厚度值估算步骤中：估算厚度值，其中N为参考信号在空气中的折射率，c为光速。

4.如权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，其特征在于所述折射率提取步骤包括：

5.如权利要求4所述的基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，其特征在于所述折射率提取步骤中：；；其中是探测信号的角频率，c是光速。

6.如权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，其特征在于还包括初步判断步骤：判断待测物体厚度是否大于预设阈值，如果是，则采用本厚度检测方法；如果否，则采用迭代法或者图像处理法检测物体厚度。

7.如权利要求1所述的基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，其特征在于：所述误差补偿步骤中，。