CN107339944B - 一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统及测量方法 - Google Patents
一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统及测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统及测量方法，主要解决现有测量系统测量速度慢，测量精度低，抗环境干扰性能较差的问题。本发明通过采用一包括宽谱光源，所述宽谱光源输出的激光经过扩束准直透镜后变为平行光输出，该输出光经起偏器起偏后变为一线偏振光，该线偏振光入射进一迈克尔逊干涉仪中，所述迈克尔逊干涉仪由分束器、待测薄膜、反射镜和会聚透镜组成，所述待测薄膜通过磁控溅射等镀膜装置沉积在钕铁硼表面，待测薄膜表面的反射光和反射镜的反射光经过分束器后通过会聚透镜会聚到光纤中，该光信号通过光谱仪进行采集并通过计算机进行数据处理的技术方案，较好地解决了该问题，可用于色散光纤的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统及其测量方法。
背景技术
由于钕铁硼磁体材料的抗腐性较差，所以在其使用时必须要进行表面防护。常用的方法是通过物理气象沉积、离子镀膜或磁控溅射的方法在钕铁硼材料的表面形成一层保护膜。薄膜的厚度一般为几百个纳米，且要求表面平整无缺陷。在钕铁硼的生产过程中，薄膜的厚度控制至关重要，是必不可少的关键技术。目前，国内外测厚方面的主要技术有：1.射线法测量厚度。根据同种金属不同厚度的薄膜与射线的作用程度不同可测量出薄膜的厚度。由于不同金属与射线的作用程度(吸收、色散)各不相同，因此测量时对每种金属都要用各自的标准片进行标定(多重标定)，实际应用中比较复杂，而且射线应用过程中危险程度较高限制了它的广泛使用。2.应用电涡流效应测量厚度。这是一种较广泛使用的技术，安全、方便，但由于电涡流效应与金属种类有关，该方法对一部分金属失效，对那些有效的金属，被测对象厚度不能太薄，另外也存在多重标定问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有测量系统测量速度慢，测量精度低，抗环境干扰性能较差的问题，提供一种新的稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统。使用该稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统具备测量速度快，测量精度高，并且不受环境因素的影响等优点。本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的测量方法。
为解决上述技术问题本发明采用的技术方案如下：一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统，其特征在于：包括宽谱光源(101)、扩束准直透镜(102)、起偏器(103)、分束器(104)、待测薄膜(105)、钕铁硼(106)、反射镜(107)、会聚透镜(108)、光谱仪(109)、计算机(201)和电动平移台(202)，所述宽谱光源(101)输出的激光经过扩束准直透镜(102)后变为平行光输出，该输出光经起偏器(103)起偏后变为一线偏振光，该线偏振光入射进一迈克尔逊干涉仪中，所述迈克尔逊干涉仪由分束器(104)、待测薄膜(105)、反射镜(107)和会聚透镜(108)组成，所述待测薄膜(105)通过磁控溅射等镀膜装置沉积在钕铁硼(106)表面，待测薄膜(105)表面的反射光和反射镜(107)的反射光经过分束器(104)后通过会聚透镜(108)会聚到光纤中，该光信号通过光谱仪(109)进行采集并通过计算机(201)进行数据处理。
所述反射镜(107)可通过电动平移台(202)实现干涉仪光程差的调节，该电动平移台通过计算机(201)来实现控制。
测量原理如下：
光经过起偏器(103)后变为一线偏振光，假设起偏器(103)输出的线偏振光为Io(ω)，经过待测薄膜(105)的表面和反射镜反射的两路光可表示为Ix(ω)和Iy(ω)。由于光源为宽谱光源，而待测薄膜厚度一般为几百纳米，则两路反射光将发射干涉，该干涉光谱信号通过光谱仪(108)接收。光谱仪得到的光谱强度可表示为：
其中为两反射光之间的相位差，可表示为：
d为待测薄膜厚度，n为待测薄膜的折射率，λ为光源中心波长。假设光源光谱密度G(ω)为一光谱半高宽为Δω的高斯函数，则G(ω)可表示为：
Δω为光谱半高宽，由此可得光谱仪接收到的干涉条纹为：
ΔωR为光谱仪响应函数的半高宽。上式转化为波长域时，可表示为：
上式ΔλR中为光谱仪响应函数的波长半高宽，c为光速。上述公式表明，当干涉仪两臂光程差为pi的整数倍时，会出现两个峰值强度相等的双峰干涉条纹。在该光程差处，干涉仪输出的光谱干涉条纹与干涉仪两臂光程差的变化具有最大的灵敏度，干涉仪两臂光程差的纳米级变化都将导致干涉光谱条纹两峰值波长的移动。当待测薄膜d发生变化时，干涉仪输出的光谱条纹的峰值波长将发生变化，通过光谱仪测量得到峰值波长的移动量，就可以得到待测薄膜的厚度。由于式(4)中光谱仪接收到的干涉条纹IM(d,ω)只与待测薄膜d有关，因此可以根据式(4)通过IM(d,ω)来得到待测薄膜d。通过对式(4)的计算仿真可以得到干涉光谱峰值波长的移动量有如下关系：
(λo-λpeak)/λo＝kd (5)
其中λpeak为峰值波长，k为比例系数，d为薄膜厚度。比例系数k可以根据式(4)的计
算结果来确定。
一种基于稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、测量光源的中心波长和光谱宽度。
步骤二、移动电动平移台(202)，使得光谱仪输出的干涉条纹出现两个干涉峰，并且两
个干涉峰的强度大致相等。
步骤三、记录两个峰值所对应的波长大小。
步骤四、在镀膜过程中由于薄膜厚度的增加，这将导致干涉光谱峰值波长发生移动，持
续采集得到的干涉条纹并记录干涉条纹的峰值波长。
步骤五、计算峰值波长的移动量，并根据公式5就可得到待测薄膜厚度。
本发明提出的基于激光器相对强度噪声来实现窄线宽激光器线宽的测量，采用低频频谱分析仪和光电探测器来实现对信号的分析。本发明采用迈克尔逊干涉仪，这种干涉系统的最后输出信号只与薄膜的厚度有关，这样仪器既有干涉测量的高精度、高灵敏度，又具有较强的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统示意框图。
图2为本发明的光谱变化规律示意图。
附图中：
101、宽谱光源 102、扩束准直透镜 103、起偏器
104、分束器 105、待测薄膜 106、钕铁硼
107、反射镜 108、会聚透镜 109、光谱仪
201、计算机 202、电动平移台
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统，包括宽谱光源101、扩束准直透镜102、起偏器103、分束器104、待测薄膜105、钕铁硼106、反射镜107、会聚透镜108、光谱仪109、计算机201和电动平移台202，所述宽谱光源101输出的激光经过扩束准直透镜102后变为平行光输出，该输出光经起偏器103起偏后变为一线偏振光，该线偏振光入射进一迈克尔逊干涉仪中，所述迈克尔逊干涉仪由分束器104、待测薄膜105、反射镜107和会聚透镜108组成，所述待测薄膜105通过磁控溅射等镀膜装置沉积在钕铁硼106表面，待测薄膜105表面的反射光和反射镜107的反射光经过分束器104后通过会聚透镜108会聚到光纤中，该光信号通过光谱仪109进行采集并通过计算机201进行数据处理。所述反射镜107可通过电动平移台202实现干涉仪光程差的调节，该电动平移台通过计算机201来实现控制。本发明提出的薄膜厚度的测量原理如下所示：
光经过起偏器103后变为一线偏振光，假设起偏器103输出的线偏振光为Io(ω)，经过待测薄膜105的表面和反射镜反射的两路光可表示为Ix(ω)和Iy(ω)。由于光源为宽谱光源，而待测薄膜厚度一般为几百纳米，则两路反射光将发射干涉，该干涉光谱信号通过光谱仪108接收。光谱仪得到的光谱强度可表示为：
其中为两反射光之间的相位差，可表示为：
d为待测薄膜厚度，n为待测薄膜的折射率，λ为光源中心波长。假设光源光谱密度G(ω)为一光谱半高宽为Δω的高斯函数，则G(ω)可表示为：
Δω为光谱半高宽，由此可得光谱仪接收到的干涉条纹为：
ΔωR为光谱仪响应函数的半高宽。上式转化为波长域时，可表示为：
上式ΔλR中为光谱仪响应函数的波长半高宽，c为光速。上述公式表明，当干涉仪两臂光程差为pi的整数倍时，会出现两个峰值强度相等的双峰干涉条纹。在该光程差处，干涉仪输出的光谱干涉条纹与干涉仪两臂光程差的变化具有最大的灵敏度，干涉仪两臂光程差的纳米级变化都将导致干涉光谱条纹两峰值波长的移动。当待测薄膜d发生变化时，干涉仪输出的光谱条纹的峰值波长将发生变化，通过光谱仪测量得到峰值波长的移动量，就可以得到待测薄膜的厚度。由于式(4)中光谱仪接收到的干涉条纹IM(d,ω)只与待测薄膜d有关，因此可以根据式(4)通过IM(d,ω)来得到待测薄膜d。通过对式(4)的计算仿真可以得到干涉光谱峰值波长的移动量有如下关系：
(λo-λpeak)/λo＝kd (5)
其中λpeak为峰值波长，k为比例系数，d为薄膜厚度。比例系数k可以根据式(4)的计
算结果来确定。比如，当光源中心波长为1310nm，谱宽为36nm时，干涉仪两臂光程差为
4.5微米时，可以得到比例系数k＝-0.15μm-1。
如图2所示，干涉仪两臂光程差变化80nm时，干涉仪输出光谱条纹的变化。图中峰值波长移动了12nm，而光谱仪的波长分辨率一般能达到0.1nm，所以，本发明提出的测试系统完全能实现纳米级薄膜厚度的测试。
本发明的稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、测量光源的中心波长和光谱宽度。
步骤二、移动电动平移台202，使得光谱仪输出的干涉条纹出现两个干涉峰，并且两个干涉峰的强度大致相等。
步骤三、记录两个峰值所对应的波长大小。
步骤四、在镀膜过程中由于薄膜厚度的增加，这将导致干涉光谱峰值波长发生移动，持续采集得到的干涉条纹并记录干涉条纹的峰值波长。
步骤五、计算峰值波长的移动量，并根据公式5就可得到待测薄膜厚度。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种稀土钕铁硼表面镀膜厚度在线检测系统，其特征在于：包括宽谱光源(101)、扩束准直透镜(102)、起偏器(103)、分束器(104)、待测薄膜(105)、钕铁硼(106)、反射镜(107)、会聚透镜(108)、光谱仪(109)、计算机(201)和电动平移台(202)，所述宽谱光源(101)输出的激光经过扩束准直透镜(102)后变为平行光输出，该输出光经起偏器(103)起偏后变为一线偏振光，该线偏振光入射进一迈克尔逊干涉仪中，所述迈克尔逊干涉仪由分束器(104)、待测薄膜(105)、反射镜(107)和会聚透镜(108)组成，所述待测薄膜(105)通过磁控溅射等镀膜装置沉积在钕铁硼(106)表面，待测薄膜(105)表面的反射光和反射镜(107)的反射光经过分束器(104)后通过会聚透镜(108)会聚到光纤中，该光信号通过光谱仪(109)进行采集并通过计算机(201)进行数据处理，所述反射镜(107)可通过电动平移台(202)实现干涉仪光程差的调节，该电动平移台通过计算机(201)来实现控制，薄膜厚度测量原理如下所示：
光经过起偏器(103)后变为一线偏振光，假设起偏器(103)输出的线偏振光为Io(ω)，经过待测薄膜(105)的表面和反射镜反射的两路光可表示为Ix(ω)和Iy(ω)，由于光源为宽谱光源，而待测薄膜厚度一般为几百纳米，则两路反射光将发射干涉，该干涉光谱信号通过光谱仪(108)接收，光谱仪得到的光谱强度可表示为：
其中为两反射光之间的相位差，可表示为：
d为待测薄膜厚度，n为待测薄膜的折射率，λ为光源中心波长，假设光源光谱密度G(ω)为一光谱半高宽为Δω的高斯函数，则G(ω)可表示为：
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上述公式表明，当干涉仪两臂光程差为π的整数倍时，会出现两个峰值强度相等的双峰干涉条纹，在该光程差处，干涉仪输出的光谱干涉条纹与干涉仪两臂光程差的变化具有最大的灵敏度，干涉仪两臂光程差的纳米级变化都将导致干涉光谱条纹两峰值波长的移动，通过光谱仪测量得到峰值波长的移动量，就可以得到待测薄膜的厚度，并且干涉光谱峰值波长的移动量有如下关系：
(λo-λpeak)/λo＝kd (5)
其中λpeak为峰值波长，k为比例系数，d为薄膜厚度，比例系数k可以根据式(4)计算结果来确定。
2.一种基于如权利要求1所述的稀土钕铁硼表面镀膜厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、测量光源的中心波长和光谱宽度；
步骤二、移动电动平移台(202)，使得光谱仪输出的干涉条纹出现两个干涉峰，并且两个干涉峰的强度大致相等；
步骤三、记录两个峰值所对应的波长大小；
步骤四、在镀膜过程中由于薄膜厚度的增加，这将导致干涉光谱峰值波长发生移动，持续采集得到的干涉条纹并记录干涉条纹的峰值波长；
步骤五、计算峰值波长的移动量，并根据公式(5)就可得到待测薄膜厚度。
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Denomination of invention: An On line Measurement System and Method for the Coating Thickness of Rare Earth NdFeB Surface Effective date of registration: 20221206 Granted publication date: 20180508 Pledgee: Ganzhou Bank Co.,Ltd. Xinfeng Sub branch Pledgor: XINFENG BAOGANG XINLI RARE EARTH Co.,Ltd. Registration number: Y2022980025196 |
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