CN106198568A - 一种具有透明基底的薄膜的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有透明基底的薄膜的测量装置，依次包括：形成光路连接的光源、准直镜头、滤波器、起偏器、分光元件、物镜、具有透明基底的薄膜，所述具有透明基底的薄膜位于承载台上，所述分光元件依次连接有面阵探测器与处理器，根据透明基底厚度、物镜视场大小、照明视场大小并根据相关计算公式计算出相应直径型号的遮挡光阑来遮挡在小角度范围内受到透明基底反射的干扰光，将剩余区域的反射光形成图像发送至数据处理器，计算出薄膜的相关数据。因此这种装置可根据不同的薄膜来设计不同的遮挡光阑，具有操作简单，测量精准的特点。

Description

一种具有透明基底的薄膜的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜的测量装置及其使用方法，特别涉及一种具有透明基底的薄膜的测量装置及其使用方法。

背景技术

薄膜是一种薄而软的透明薄片，其主要用塑料、胶粘剂、橡胶或其他材料制成。薄膜被广泛用于电子电器，机械、包装、印刷等行业。在薄膜的实际生产过程中，诸如无尘室的不洁净、生产线滚轮等因素都会影响薄膜的质量，若不能及时发现并处理这些问题，将会影响到薄膜的品质，同时也会给其它应用薄膜的行业带来相应的损失。随着国内薄膜市场竞争的日趋激烈、国内对薄膜质量的日益提高，传统的人眼检测已经不能满足现在高速的生产工艺以及过高的质量要求，在这样的背景下以机器视觉代替人眼检测的薄膜表面瑕疵是一种工业发展需要的潮流。

现有设备对不透明基底薄膜检测的技术非常成熟，常用的检测手段有反射仪测量或者椭偏仪测量。但是，对透明基底薄膜检测还存在困难，现有技术中揭示了了一种薄膜检测装置，依次包括形成光路连接的光源、光学元件、分光元件、物镜、待测物体以及放置待测物体的承载台，在分光元件上依次连接光学接收元件、视觉检测器，并且设置处理器与视觉检测器和光学元件连接。这种装置测量交铺面，光源提供的照明光入射面变化范围为360°，光学元件中采用二维面阵CCD进行反射光强的探测，将探测结果输送至处理器中，从而处理器中计算出待测物体的检测结果。但是在待测物体的基底是透明的情况下，由于无法去除透明基底反射光的影响，会对测量造成干扰，如图1所示，图中由于透明基底82反射的光81与透明薄膜83反射的光一起反射至物镜85，一同被物镜85折射至物镜后焦面86，若是不将这部分透明基底82反射的光81去除，则会保留至后续图像与数据的传输，导致对于透明薄膜83的测量不准确。因此这种装置不能进行具有透明基底的薄膜的膜厚测量。

现有技术中还揭示了一种照明光采用小角度入射的形式，减少由于透明基底产生的干扰反射光，此外还有一种采用照明光斜入射的形式，测量角谱面，可以对单一波长光同时测量多个入射角和方位角的反射率，如此取平均值，计算出待测量薄膜的相关参数，但是以上几种方法均无法彻底根除由于透明基底反射的光对测量造成的干扰，导致测量结果不准确。

因此，如何对具有透明基底的薄膜进行准确的厚度和光学常数的测量成为人们亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种具有透明基底的薄膜的测量装置及测量方法，能够排除由于透明基底反射的干扰光，以实现对具有透明基底的薄膜的准确测量。

为达到上述目的，本发明提供一种具有透明基底的薄膜的测量装置，依次包括：形成光路连接的光源、准直镜头、滤波器、起偏器、分光元件、物镜以及具有透明基底的薄膜，所述据由透明基底的薄膜放置于承载台上，所述分光元件依次连接的面阵探测器与处理器，还包括遮挡光阑，用于去除在测量过程中因所述透明基底而产生的对测量造成干扰的反射光。

作为优选，所述遮挡光阑的直径为L3，其计算公式为：

其中NA_interferece＝sinθ₁＝n×sinθ₁，NA_interferece为受到干扰的透明薄膜反射光的最大数值孔径，NA_objective为所述物镜的最大数值孔径，L4为所述物镜后焦面直径，n为所述透明基底折射率，h为所述透明基底的厚度，θ₁为测量光在所述透明基底中的折射角，L1为所述物镜最大视场直径，L为所述光源在测量过程中的照明视场的直径。

作为优选，在所述准直镜头与所述滤波片之间设置所述遮挡光阑，使得所述光源照明方式为环形照明。

作为优选，所述遮挡光阑的直径与位置为可调整的，使得所述光源照明方式为可调整环形照明。

作为优选，所述光源为卤素灯或者氙灯。

作为优选，所述滤波片为窄带滤光片。

作为优选，所述起偏器为偏振片或者偏振棱镜。

作为优选，所述分光元件为直角分光棱镜或者半透半反镜。

作为优选，所述面阵探测器为电荷耦合元件或者互补金属氧化物半导体。

作为优选，所述遮挡光阑设置在所述物镜后焦面处。

本发明还提供一种使用如上述的具有透明基底的薄膜的测量装置的薄膜测量方法，包括如下步骤：

步骤S1:将具有透明基底的薄膜，放置在所述承载台上；

步骤S2:由所述光源提供照明光，依次经过所述准直镜头、滤波片和起偏器，然后经由所述分光元件反射；

步骤S3:步骤S2产生的反射光通过所述物镜聚焦到所述具有透明基底的薄膜；

步骤S4:所述具有透明基底的薄膜在同一角度所反射的光汇聚在所述物镜的后焦面处，并且由所述遮挡光阑遮挡掉由所述透明基底所反射的干扰光，有用的反射光由所述分光元件反射至所述面阵探测器并且成像，将成像信号反馈至所述处理器。

步骤S5:所述处理器将所述面阵探测器的反馈的成像信号进行处理，计算出所述待测对象膜层的厚度和光学常数。

作为优选，根据所述透明基底的厚度、所述物镜视场大小、所述光源在测量过程中照明视场的大小以及所述遮挡光阑的直径大小，从而滤除薄膜散射光中受到透明基底反射光干扰的角谱信号，完成对透明基底薄膜膜厚的测量。

作为优选，所述遮挡光阑的直径为L3，其计算公式为：

其中NA_interferece＝sinθ₁＝n×sinθ₁，NA_interferece为受到干扰的透明薄膜反射光的最大数值孔径，NA_objective为所述物镜的最大数值孔径，L4为所述物镜后焦面直径，n为所述透明基底折射率，h为所述透明基底的厚度，θ₁为测量光在所述透明基底中的折射角，L1为所述物镜最大视场直径，L为所述光源在测量过程中的照明视场的直径。

作为优选，所述遮挡光阑在所述光源的照明光路瞳面共轭位置。

本发明还提供一种使用上述的具有透明基底的薄膜的测量装置的薄膜测量方法，包括如下步骤：

步骤S1:提供具有透明基底的薄膜，放置在所述承载台上；

步骤S2:由所述光源提供照明光，经过所述遮挡光阑挡住小角度入射光后，使用大角度的入射光通过，形成了环形照明的方式，并依次经过所述准直镜头、滤波片和起偏器，然后由所述分光元件将所述照明光反射；

步骤S3:步骤S2产生的反射光通过所述物镜聚焦到所述具有透明基底的薄膜，以使聚焦到所述薄膜的反射光为有用的光信号，避免了小角度入射光反射后的干扰光信号的聚焦；

步骤S4:所述具有透明基底的薄膜在同一角度所反射的光透过所述物镜到达所述分光元件，并且由分光元件反射至所述面阵探测器，由所述面阵探测器成像，并且将成像信号反馈至所述处理器。

步骤S5:所述处理器将所述面阵探测器的反馈的成像信号进行处理，计算出所述薄膜的厚度和光学常数。

作为优选，根据所述透明基底的厚度、所述物镜视场大小、所述光源在测量过程中照明视场的大小以及所述遮挡光阑直径大小，从而滤除入射光反射后受到透明基底反射光干扰的角谱信号对薄膜的影响，完成对透明基底薄膜膜厚的测量。

作为优选，所述遮挡光阑的直径为k1×L3，其计算公式为：

其中NA_interferece＝sinθ₁＝n×sinθ₁，NA_interferece为受到干扰的透明薄膜反射光的最大数值孔径，NA_objective为所述物镜的最大数值孔径，L4为所述物镜后焦面直径，n为所述透明基底折射率，h为所述透明基底的厚度，θ₁为测量光在所述透明基底中的折射角，L1为所述物镜最大视场直径，L为所述光源在测量过程中的照明视场的直径，k1为倍率关系。

作为优选，步骤S2中所述遮挡光阑为可调整遮挡光阑。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据透明基底厚度、物镜视场大小、照明视场大小并根据相关计算公式计算出相应直径型号的遮挡光阑来遮挡在小角度范围内受到透明基底反射的干扰光，将剩余区域的反射光形成图像发送至数据处理器，计算出薄膜的厚度与相关光学数据。因此这种装置可根据不同的薄膜来设计不同的遮挡光阑，具有操作简单，测量精准的特点。

附图说明

图1为现有技术中透明基底薄膜反射光的原理图；

图2为本发明实施例一装置结构示意图；

图3为本发明的原理图；

图4为本发明实施例二装置结构示意图；

图5为本发明实施例三装置结构示意图；

图6为本发明实施例三遮挡光阑平面图。

现有技术图示：80-入射光、81-基底反射光、82-透明基底、83-透明薄膜、84-透明薄膜反射光、85-物镜、86-物镜后焦面、

本发明图示：1-光源、2-准直镜头、3-滤波片、4-起偏器、5-分光元件、6-一号遮挡光阑、7-物镜、8-待测物体、9-承载台、10a-入射光、10b-反射光、11-面阵探测器、12-物镜后焦面、13-处理器、14-照明光路瞳面共轭位置、15-二号遮挡光阑、16-三号遮挡光阑、91-待测薄膜层、92-测量系统物镜的视场、93-光学系统照明视场、94-基底层、95-特定入射角基底反射光、96-物镜后焦面、97-物镜、θ1-折射角。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

图2为本发明所提供的一种具有透明基底的薄膜的测量装置，依次包括：形成光路连接的光源1、准直镜头2、滤波器3、起偏器4、分光元件5、物镜7、待测物体8，所述待测物体8为具有透明基底的薄膜，位于承载台9上，所述分光元件5依次连接的面阵探测器11与处理器13，还包括一号遮挡光阑6，用于遮挡在测量过程中因所述透明基底而产生的对测量造成干扰的反射光。

较佳地，请参照图3，基底层94的厚度为h，n为基底层94折射率，L为光学系统照明视场93的直径，L1为测量系统物镜的最大视场92的直径，L4为所述物镜后焦面96的直径，从图中可以看出，折射角θ₁可表示为：

${\mathrm{\θ}}_1=\arctan \left(\frac{L1+L}{4h}\right);$

而能被物镜97接收的最大数值孔径范围可以表示为：

$\mathrm{NA}\_\mathrm{interferec\; e}=\sin {\mathrm{\θ}}_1=n\×\sin {\mathrm{\θ}}_1=n\×\sin \left[\arctan \left(\frac{L1+L}{4h}\right)\right]$

所述一号遮挡光阑6的直径L3计算公式为：

其中NA_interferec e为受到干扰的透明薄膜反射光的最大数值孔径，即能被物镜97接收的最大数值孔径范围，NA_objective为所述物镜97的最大数值孔径，因此在实际使用过程中，根据不同厚度的基底层94和光学系统照明视场93的直径L，以及其它数据，来配置不同的一号遮挡光阑6的尺寸。另外，通过对光源1照明的档位切换也可以实现一号遮挡光阑6的尺寸改变。

较佳地，所述光源1为卤素灯或者氙灯。

较佳地，所述滤波片3为窄带滤光片，如波长为780nm、633nm、550nm、441nm或者360nm等。

较佳地，所述起偏器4为偏振片或者偏振棱镜。

较佳地，所述分光元件5为直角分光棱镜或者半透半反镜。

较佳地，所述面阵探测器11为电荷耦合元件或者互补金属氧化物半导体，对于滤波器3的透明波长均具有良好的响应。

较佳地，所述一号遮挡光阑6设置在所述物镜后焦面12处。

本发明还提供一种上述的具有透明基底的薄膜的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1:提供一个待测物体8，即具有透明基底的薄膜，放置在所述承载台9上；

步骤2:由所述光源1提供照明光，依次经过所述准直镜头2、滤波片3和起偏器4，然后由所述分光元件5将所述照明光反射；

步骤3:步骤2产生的反射光通过所述物镜7到达所述待测物体8，入射光为10a，其中物镜7具有大数值孔径，将入射光束以一定夹角汇聚到待测物体8上，形成小尺寸照明光斑；

步骤4:所述待测物体8在同一角度所反射的光10b汇聚在所述物镜7的后焦面12处，并且由所述一号遮挡光阑6遮挡掉由所述待测物体8透明基底的所散射的干扰光，剩余的反射光由所述分光元件5反射至所述面阵探测器11并且成像，将成像信号反馈至所述处理器13。

根据不同厚度的基底层94和光学系统照明视场93的直径L，以及下述公式，来配置不同的一号遮挡光阑6的尺寸：

其中NA_interferece＝sinθ₁＝n×sinθ₁，其中L3为所述一号遮挡光阑6的尺寸，h为基底层94的厚度，n为基底层94折射率，L为光学系统照明视场93的直径，L1为测量系统物镜的最大视场92的直径，L4为所述物镜后焦面96的直径。

步骤5:所述处理器13将所述面阵探测器11的反馈的成像信号进行处理，所述处理器13将剩余反射光的角谱信号与仿真数据进行对比，从而逆向求解获得待测物体8的薄膜厚度的信息。

实施例二

如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于将物镜7后焦面位置上放置的一号遮挡光阑6去除，在照明光路瞳面共轭位置23处设置二号遮挡光阑15，所述二号遮挡光阑15直径为k1×L3，其中k1为倍率关系，所述二号遮挡光阑15可以去除小角度的入射光，从而使得照明方式形成环形照明方式，最终物镜7收集到的信号都是没有被待测物体8中透明基底背景光干扰过的光信号，并且有利于光路终杂散光的控制，提高信噪比。

实施例三

如图5所示，本实施例与实施例一的区别在于将物镜7后焦面位置上放置的一号遮挡光阑6去除，在准直镜头2的瞳面共轭位置23处设置三号遮挡光阑16，所述三号遮挡光阑16为可调整遮挡光阑，直径为k1×L3，从而在实际操作中可以根据测量配置选择合适的遮挡光阑或者设置合适的遮挡位置，请参考图6，图中黑色部分为三号遮挡光阑16的遮挡部分，白色部分为透光部分，根据实际情况，旋转三号遮挡光阑16或者调整黑色遮光部分，因此光源1的照明方式也随着三号遮挡光阑16的调整而改变，呈现出照明范围不同的环形照明方式，这样可以根据实际操作环境直接排除小角度的入射光，最终物镜7收集到的信号没有被待测物体8的透明基底反射光干扰，完成对待测物体8的测量。

显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (19)

1.一种具有透明基底的薄膜的测量装置，依次包括：形成光路连接的光源、准直镜头、滤波器、起偏器、分光元件、物镜以及具有透明基底的薄膜，所述具有透明基底的薄膜放置于承载台上，所述分光元件依次连接有面阵探测器与处理器，其特征在于，还包括遮挡光阑，用于去除在测量过程中因所述透明基底而产生的对测量造成干扰的反射光。

2.如权利要求1中所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述遮挡光阑设置在所述物镜后焦面处。

3.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述遮挡光阑在所述光源的照明光路瞳面共轭位置。

4.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述遮挡光阑为可调整的遮挡光阑。

5.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述遮挡光阑的直径为L3，其计算公式为：

其中NA_interferece＝sinθ₁＝n×sinθ₁，NA_interferece为受到干扰的透明薄膜反射光的最大数值孔径，NA_objective为所述物镜的最大数值孔径，L4为所述物镜后焦面直径，n为所述透明基底折射率，h为所述透明基底的厚度，θ₁为测量光在所述透明基底中的折射角，L1为所述物镜最大视场直径，L为所述光源在测量过程中的照明视场的直径。

6.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，在所述准直镜头与所述滤波片之间设置所述遮挡光阑，使得所述光源照明方式为环形照明。

7.如权利要求6所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述遮挡光阑的直径与位置为可调整的，使得所述光源照明方式为可调整环形照明。

8.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述光源为卤素灯或者氙灯。

9.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述滤波片为窄带滤光片。

10.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述起偏器为偏振片或者偏振棱镜。

11.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述分光元件为直角分光棱镜或者半透半反镜。

12.如权利要求1所述的具有透明基底的薄膜的测量装置，其特征在于，所述面阵探测器为电荷耦合元件或者互补金属氧化物半导体。

13.一种使用如权利要求2所述的具有透明基底的薄膜的测量装置的薄膜测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(S1):将具有透明基底的薄膜，放置在所述承载台上；

步骤(S2):由所述光源提供照明光，依次经过所述准直镜头、滤波片和起偏器，然后经由所述分光元件反射；

步骤(S3):步骤(S2)产生的反射光通过所述物镜聚焦到所述具有透明基底的薄膜；

步骤(S4):所述具有透明基底的薄膜在同一角度所反射的光汇聚在所述物镜的后焦面处，并且由所述遮挡光阑遮挡掉由所述透明基底所反射的干扰光，有用的反射光由所述分光元件反射至所述面阵探测器并且成像，将成像信号反馈至所述处理器。

步骤(S5):所述处理器将所述面阵探测器的反馈的成像信号进行处理，计算出所述薄膜的厚度和光学常数。

14.如权利要求13所述的薄膜测量方法，其特征在于，根据所述透明基底的厚度、所述物镜视场大小、所述光源在测量过程中照明视场的大小以及所述遮挡光阑的直径大小，从而滤除薄膜散射光中受到透明基底反射光干扰的角谱信号，完成对透明基底薄膜膜厚的测量。

15.如权利要求14所述的薄膜测量方法，其特征在于，

所述遮挡光阑的直径为L3，其计算公式为：

其中NA_interferece＝sinθ₁＝n×sinθ₁，NA_interferece为受到干扰的透明薄膜反射光的最大数值孔径，NA_objective为所述物镜的最大数值孔径，L4为所述物镜后焦面直径，n为所述透明基底折射率，h为所述透明基底的厚度，θ₁为测量光在所述透明基底中的折射角，L1为所述物镜最大视场直径，L为所述光源在测量过程中的照明视场的直径。

16.一种使用如权利要求4所述的具有透明基底的薄膜的测量装置的薄膜测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(S1):提供具有透明基底的薄膜，放置在所述承载台上；

步骤(S2):由所述光源提供照明光，经过所述遮挡光阑挡住小角度入射光后，使用大角度的入射光通过，形成了环形照明的方式，并依次经过所述准直镜头、滤波片和起偏器，然后由所述分光元件将所述照明光反射；

步骤(S3):步骤(S2)产生的反射光通过所述物镜聚焦到所述具有透明基底的薄膜，以使聚焦到所述薄膜的反射光为有用的光信号，避免了小角度入射光反射后的干扰光信号的聚焦；

步骤(S4):所述具有透明基底的薄膜在同一角度所反射的光透过所述物镜到达所述分光元件，并且由分光元件反射至所述面阵探测器，由所述面阵探测器成像，并且将成像信号反馈至所述处理器。

步骤(S5):所述处理器将所述面阵探测器的反馈的成像信号进行处理，计算出所述薄膜的厚度和光学常数。

17.如权利要求16所述的薄膜测量方法，其特征在于，根据所述透明基底的厚度、所述物镜视场大小、所述光源在测量过程中照明视场的大小以及所述遮挡光阑直径大小，从而滤除入射光反射后受到透明基底反射光干扰的角谱信号对薄膜的影响，完成对透明基底薄膜膜厚的测量。

18.如权利要求17所述的薄膜测量方法，其特征在于，

所述遮挡光阑的直径为k1×L3计算公式为：

其中NA_interferece＝sinθ₁＝n×sinθ₁，NA_interferece为受到干扰的透明薄膜反射光的最大数值孔径，NA_objective为所述物镜的最大数值孔径，L4为所述物镜后焦面直径，n为所述透明基底折射率，h为所述透明基底的厚度，θ₁为测量光在所述透明基底中的折射角，L1为所述物镜最大视场直径，L为所述光源在测量过程中的照明视场的直径，k1为倍率关系。

19.一种使用如权利要求16所述的具有透明基底的薄膜的测量装置的薄膜测量方法，其特征在于，步骤(S2)中所述遮挡光阑为可调整遮挡光阑。