CN106403829A - 基于双光路红外反射法的涂层测厚仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光路红外反射法的涂层测厚仪，包括暗盒、红外激光光源、凸透镜、2.32μm滤光片、2.23μm滤光片、平面反射镜、第一次检测器、分光棱镜、凹面镜、第二主检测器、第二次检测器、导光管、第一主检测器；测厚时光线经滤光片、分光棱镜传送至次检测器，或经滤光片、分光棱镜、待测图层、凹面镜/凸透镜后传送至主检测器，经主/次检测器数据处理后可求得涂层厚度。使用双光路结构，可实现该系统对涂层厚度的实时测量。该装置可以获取参考物各局部标准厚度，从而能够更加精确地测量涂层厚度。

Description

基于双光路红外反射法的涂层测厚仪

技术领域

本发明涉及一种基于双光路红外反射法的涂层测厚仪。

背景技术

自17世纪初F.W.Herschel发现红外辐射原理以来，红外技术在许多领域内得到了越来越多的应用。有一段时间红外技术在在线测厚的应用中受到了条纹干涉现象的技术瓶颈而没有什么发展，但是如今红外技术很好地解决了这个问题，从而可以对超薄薄膜厚度进行精确测量。运用红外技术进行测量可以不受环境的湿度、缝隙间温度变化和空气压力等因素的影响，以保证测量精度。信号源没有放射性，成本不高，设备维护难度也相对较低，红外技术还可以用于双向拉伸薄膜、流延膜和多层共挤薄膜等生产检测中。因为红外测厚技术应用范围广泛、无放射性使用安全而且成本低，所以其是当今最具发展潜力的薄膜在线检测技术。

国内研究机构对红外厚度测量技术的研究始于上世纪80年代。目前己经将红外测厚技术应用到了广泛的领域，例如纸张厚度、无损厚度检测、圆筒壁厚、涂层厚度、纸币真伪检测等。

华中科技大学发明的一种单镜头激光三角法厚度测量仪。工作时，同轴对准的上下激光器发出两束准直光线，由激光器前端透镜聚焦到被测物表面，被测物表面的漫反射光线经过孔径光阑、平面玻璃后由组合成像透镜汇聚到图像探测器上，再将图像数据传输至图像处理器进行图像处理，进而由两光斑之间的间距计算得出被测物的实际厚度，最后显示测量厚度这是一种激光测量的方法。

同样也是华中科技大学发明的一种基于红外成像的薄膜测厚仪，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。但是此装置结构比较复杂，设计难度大，且利用的是透射法测量，对于本发明来说由于测量的是金属表面的涂层厚度，光线透不过金属表面，因此不能运用此方法来进行测量。

广东省测试分析研究所的林瑞国、刘青等人研制的IM-C型红外水份/薄膜厚度测试仪其测量原理与本专利极其类似，不同的是IM-C型红外水份/薄膜厚度测试仪光源经过透镜后直接经过滤光片进行滤光，这种方法在高速薄膜生产在线不适用因为调制盘旋转一定的角度时，涂层薄板已经行进一段距离，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从而测量结果不准确，而本专利光源经过透镜、滤光片后分为两条光路，测量涂层厚度的光路直接向照射到涂层上，待反射后分别有各自的信号处理单元对光信号进行处理，从而消除了时间差带来的测量误差。

国外的美国NDC公司是世界领先的在线检测及红外技术应用的制造商。其测厚仪能够保持对厚度测量的高精度，即使薄膜在传感器间隙内来回抖动，它是采用不同物质具有不同吸收波长的原理来可测量薄膜的厚度。它的近红外传感器具有测量精度高，不受环境温度影响，测量稳定，响应速度快和分辨率高的特点。但是在国内NDC公司的产品价格非常的昂贵，约是国产仪器的10倍以上。

英国SENCON公司的SC8800型号的在线测量装置能实现在线测量，其工作原理也是利用电机转动产生两个波长的光照射到涂层后再经过反射，对反射回来的型号在进行处理从而得到厚度值。此装置响应速度块工作效率高；测量精准，产品的质量得到保证；同时也是一种非接触式的在线测量方法；安装时比较方便拆卸也容易；可以通过网络远程监控，也内置多种国家的语言使用方便。但是价格昂贵，并且在他的生产在线只是在金属薄板上方的两侧固定安装了传感装置，因此只能测量整个金属薄板固定两条线的在线厚度值，所以其应用有局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作效果好的基于双光路红外反射法的涂层测厚仪。

本发明的技术解决方案是：

一种基于双光路红外反射法的涂层测厚仪，其特征是：包括暗盒，暗盒下方设置待测涂层，暗盒中设置水平光通道；水平光通道后分成二个支通道，其中一个支通道为水平支通道，另一个支通道为水平段后接通向待测涂层的斜向通道；水平支通道与一个伞形光通道相通，伞形光通道的尖端通向待测涂层；在暗盒中另设置一个菱形光通道，菱形光通道的一端通向待测涂层；在暗盒中设有一个与所述另一个支通道相通的、放置第一次检测器的光通道，且在所述另一个支通道与所述放置第一次检测器的光通道交接处，设置第一分光棱镜；在所述水平光通道中设置红外激光光源，红外激光光源后设置第一凸透镜，在水平支通道的前端设置2.32μm滤光片滤光片，在所述另一个支通道的前端设置2.23μm滤光片，且在所述另一个支通道的水平段与斜向通道交接处设置平面反射镜；在所述另一个支通道的斜向通道中、第一分光棱镜后，设置第二凸透镜；在菱形光通道的末端设置第一主检测器，在菱形光通道中设置第三凸透镜；在伞形光通道的弧面端设置凹面镜，在伞形光通道中设置第二主检测器，第二主检测器的下端面上设置第二次检测器，在第二次检测器的下端面上设置导光管，导光管下端成斜面，且斜面向着所述另一个支通道方向，在斜面上设置第二分光棱镜，在第二分光棱镜下方设置第四凸透镜；

所述红外激光光源、第一凸透镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上；所述2.32μm滤光片、第二分光棱镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上，凹面镜、第二主检测器、第二次检测器、导光管、第二分光棱镜、第四凸透镜、待测图层的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，组成参考光路；所述2.23μm滤光片、平面反射镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上，平面反射镜与入射光15°夹角放置，平面反射镜、第一分光棱镜、第二凸透镜、待测图层的几何中心在150°方向位于同一轴线上，待测图层、第三凸透镜、第一主检测器的几何中心在30°方向位于同一轴线上，组成测量光路；第一次检测器在第一分光棱镜的反射光路上；第二凸透镜、第三凸透镜、第四凸透镜各自与待测图层之间的距离分别为相应各凸透镜的焦距；凹面镜与第二主检测器之间的距离为凹透镜的焦距；第三凸透镜与第一主检测器之间的距离为第三凸透镜的焦距；2.32μm滤光片、2.23μm滤光片的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，且它们组成的整体的几何中心位于第一凸透镜的几何中心水平轴线上。

光线经2.23μm滤光片在经过平面反射镜然后经过第一分光棱镜后一部分光被第一次检测器监测，另外一部分经过第二凸透镜经被测涂层反射后被第一主检测器监测；另一路光线经过2.32μm滤光片经第二分光棱镜，一部分光经导光管进入第二次检测器，另外一部分光线经过被测涂层反射后经过凹面镜后聚焦于第二主检测器，经过主/次检测器数据处理后得到涂层厚度。

第一主检测器接收到的光信号为M，第一次检测器检测到的光信号为m，第二主检测器检测到的光信号为R、第二次检测器检测到的光信号为r，利用公式A∝(R/M)×(m/r)，可得到吸光度的数值，进一步利用朗伯定律：

其中bc代表厚度t，A为涂层吸光度，k为涂层的系数，I₀为入射光强度，I_t为透射光强度；

从而计算出待测涂层的厚度值。

本发明结构合理，工作效果好。利用光的折射、干涉以及反射定律，对金属表面涂层厚度进行非接触式的测量。红外反射法测量系统响应的速度快，可用于金属表面涂层湿膜的在线测量与监控。测量方式采用了比值测量，具有了光学自补偿性能,使仪器获得良好的稳定性和准确度。由于光源是首先经过涂层反射之后再经过滤光片进行滤光的，消除了因时间差而带来的误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1中局部放大图。

具体实施方式

一种基于双光路红外反射法的涂层测厚仪，包括暗盒1，暗盒下方设置待测涂层10，暗盒中设置水平光通道；水平光通道后分成二个支通道，其中一个支通道为水平支通道，另一个支通道为水平段后接通向待测涂层的斜向通道；水平支通道与一个伞形光通道相通，伞形光通道的尖端通向待测涂层；在暗盒中另设置一个菱形光通道，菱形光通道的一端通向待测涂层；在暗盒中设有一个与所述另一个支通道相通的、放置第一次检测器7的光通道，且在所述另一个支通道与所述放置第一次检测器的光通道交接处，设置第一分光棱镜8；在所述水平光通道中设置红外激光光源2，红外激光光源后设置第一凸透镜3，在水平支通道的前端设置2.32μm滤光片滤光片4，在所述另一个支通道的前端设置2.23μm滤光片5，且在所述另一个支通道的水平段与斜向通道交接处设置平面反射镜6；在所述另一个支通道的斜向通道中、第一分光棱镜后，设置第二凸透镜9；在菱形光通道的末端设置第一主检测器17，在菱形光通道中设置第三凸透镜18；在伞形光通道的弧面端设置凹面镜11，在伞形光通道中设置第二主检测器12，第二主检测器的下端面上设置第二次检测器13，在第二次检测器的下端面上设置导光管14，导光管下端成斜面，且斜面向着所述另一个支通道方向，在斜面上设置第二分光棱镜15，在第二分光棱镜下方设置第四凸透镜16；

所述红外激光光源、第一凸透镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上；所述2.32μm滤光片、第二分光棱镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上，凹面镜、第二主检测器、第二次检测器、导光管、第二分光棱镜、第四凸透镜、待测图层的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，组成参考光路；所述2.23μm滤光片、平面反射镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上，平面反射镜与入射光15°夹角放置，平面反射镜、第一分光棱镜、第二凸透镜、待测图层的几何中心在150°方向位于同一轴线上，待测图层、第三凸透镜、第一主检测器的几何中心在30°方向位于同一轴线上，组成测量光路；第一次检测器在分光棱镜的反射光路上；第二凸透镜、第三凸透镜、第四凸透镜各自与待测图层之间的距离分别为相应各凸透镜的焦距；凹面镜与第二主检测器之间的距离为凹透镜的焦距；第三凸透镜与第一主检测器之间的距离为第三凸透镜的焦距；2.32μm滤光片、2.23μm滤光片的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，且它们组成的整体的几何中心位于第一凸透镜的几何中心水平轴线上。

光源采用红外激光光源。在进行测量时，被测涂层置于暗箱外。光源产生的光线经2.23μm滤光片在经过平面反射镜然后经过第一分光棱镜后一部分光被第一次检测器监测，另外一部分经过第二凸透镜经被测涂层反射后被第一主检测器监测；另一路光线经过2.32μm滤光片经第二分光棱镜，一部分光经导光管进入第二次检测器，另外一部分光线经过被测涂层反射后经过凹面镜后聚焦于第二主检测器，经过主/次检测器数据处理后得到涂层厚度。

本发明采用双光路结构，其中，设M为第一主检测器检测到的光信号,m为第一次检测器检测到的光信号；又设R为第二主检测器检测到的光信号,r为第二次检测器检测到的光信号；可以证明,被测物的吸光度A与主检测光信号和次检测光信号的比值成比例关系,即有A∝(R/M)×(m/r)，此关系称为“真比值”测量。由上式可见,由于信号M和m、R和r都是由同一光源发出,各自又通过同一滤光片(2.23μm和2.32μm),投射到PbS检测器；显然当诸如光源,近红外干涉滤光片等光学元件老化引起漂移,硫化铅性能随环境温度变化时,M和m、R和r变化率是相同的,因而由上式决定的吸光度并没有变化。只当待测涂层的吸光度发生变化时,由于待测涂层吸收掉部分光信号后反射的光携带了待测涂层吸光度的信息,使投射到主检测器的漫反射光信号M发生了变化,从而吸光度A发生变化。这样比值测量就具有了光学自补偿性能,使仪器获得良好的稳定性和准确度。

本发明设计吸光度A与涂层厚度t的关系，根据朗伯定律：

后有比尔定律：

将两个定律整合得：

其中bc代表厚度t，A为涂层吸光度，k为涂层的系数，I₀、I_t分别为入射光、通过样品后的投射光的强度；

从而计算出待测涂层的厚度值。

本发明中的凸透镜具有聚光的作用，本发明中包含有四个检测器，两两一组，组成两组，可使实验数据更为精确。

Claims (4)

1.一种基于双光路红外反射法的涂层测厚仪，其特征是：包括暗盒，暗盒下方设置待测涂层，暗盒中设置水平光通道；水平光通道后分成二个支通道，其中一个支通道为水平支通道，另一个支通道为水平段后接通向待测涂层的斜向通道；水平支通道与一个伞形光通道相通，伞形光通道的尖端通向待测涂层；在暗盒中另设置一个菱形光通道，菱形光通道的一端通向待测涂层；在暗盒中设有一个与所述另一个支通道相通的、放置第一次检测器的光通道，且在所述另一个支通道与所述放置第一次检测器的光通道交接处，设置第一分光棱镜；在所述水平光通道中设置红外激光光源，红外激光光源后设置第一凸透镜，在水平支通道的前端设置2.32μm滤光片滤光片，在所述另一个支通道的前端设置2.23μm滤光片，且在所述另一个支通道的水平段与斜向通道交接处设置平面反射镜；在所述另一个支通道的斜向通道中、第一分光棱镜后，设置第二凸透镜；在菱形光通道的末端设置第一主检测器，在菱形光通道中设置第三凸透镜；在伞形光通道的弧面端设置凹面镜，在伞形光通道中设置第二主检测器，第二主检测器的下端面上设置第二次检测器，在第二次检测器的下端面上设置导光管，导光管下端成斜面，且斜面向着所述另一个支通道方向，在斜面上设置第二分光棱镜，在第二分光棱镜下方设置第四凸透镜；

所述红外激光光源、第一凸透镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上；所述2.32μm滤光片、第二分光棱镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上，凹面镜、第二主检测器、第二次检测器、导光管、第二分光棱镜、第四凸透镜、待测图层的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，组成参考光路；所述2.23μm滤光片、平面反射镜的几何中心在水平方向位于同一轴线上，平面反射镜与入射光15°夹角放置，平面反射镜、第一分光棱镜、第二凸透镜、待测图层的几何中心在150°方向位于同一轴线上，待测图层、第三凸透镜、第一主检测器的几何中心在30°方向位于同一轴线上，组成测量光路；第一次检测器在第一分光棱镜的反射光路上；第二凸透镜、第三凸透镜、第四凸透镜各自与待测图层之间的距离分别为相应各凸透镜的焦距；凹面镜与第二主检测器之间的距离为凹透镜的焦距；第三凸透镜与第一主检测器之间的距离为第三凸透镜的焦距；2.32μm滤光片、2.23μm滤光片的几何中心在竖直方向位于同一轴线上，且它们组成的整体的几何中心位于第一凸透镜的几何中心水平轴线上。

2.根据权利要求1所述的基于双光路红外反射法的涂层测厚仪，其特征是：光线经2.23μm滤光片在经过平面反射镜然后经过第一分光棱镜后一部分光被第一次检测器监测，另外一部分经过第二凸透镜经被测涂层反射后被第一主检测器监测；另一路光线经过2.32μm滤光片经第二分光棱镜，一部分光经导光管进入第二次检测器，另外一部分光线经过被测涂层反射后经过凹面镜后聚焦于第二主检测器，经过主/次检测器数据处理后得到涂层厚度。

3.根据权利要求1或2所述的基于双光路红外反射法的涂层测厚仪，其特征是：第一主检测器接收到的光信号为M，第一次检测器检测到的光信号为m，第二主检测器检测到的光信号为R、第二次检测器检测到的光信号为r，利用公式A∝(R/M)×(m/r)，可得到吸光度的数值，进一步利用朗伯定律：

其中bc代表厚度t，A为涂层吸光度，k为涂层的系数，I₀为入射光强度，I_t为透射光强度；

从而计算出待测涂层的厚度值。

4.根据权利要求1所述的基于双光路红外反射法的涂层测厚仪，其特征是：四个检测器，两两一组，组成两组。