CN107643051A - 大口径基底表面膜层厚度在线检测装置及其检测方法 - Google Patents

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高劲松
王笑夷
杨海贵
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Abstract

大口径基底表面膜层厚度在线检测装置及检测方法，属于薄膜检测技术领域。解决了如何提供一种对大口径基底表面膜层厚度进行简单、快速测量的检测装置及检测方法的问题。本发明的检测装置，包括PC机、第一光纤、光纤光谱仪、第二光纤、角度调节装置和旋转平台；PC机接收光纤光谱仪的光谱信息，并计算待测膜层厚度，且控制旋转平台的转动；旋转平台承载待测件；角度调节装置调节第二光纤的角度；第二光纤将光纤光谱仪的光入射到待测膜层并将反射光传输回光纤光谱仪；光纤光谱仪将接收的光转化为光谱信息传输至PC机。该检测装置能够保证膜层不受损伤，测量精度高，操作简单，稳定性好，尤其适用于大口径RB‑SiC表面改性层厚度的在线检测。

Description

大口径基底表面膜层厚度在线检测装置及其检测方法
技术领域
本发明属于薄膜检测技术领域，具体涉及一种大口径基底表面膜层厚度在线检测装置及检测方法，尤其适用于RB-SiC表面改性层厚度的在线检测。
背景技术
碳化硅(SiC)由于具有比刚度大，热导率大，热膨胀系数小，密度小等优异特性，是一种理想的空间用反射镜材料，被广泛用于各种空间项目中。通常空间大口径反射镜采用的是RB-SiC陶瓷材料。由于RB-SiC中存在Si和SiC两种成分，导致其直接抛光后获得的光学表面质量并不是很高，无法满足高精度空间光学系统的要求。这就需要对RB-SiC表面进行改性，以满足空间光学系统的迫切要求。目前国际上较为流行的是在RB-SiC表面制备Si改性层或SiC改性层进行改性，改性层表面不够光滑，因此需要对改性层进行抛光，这就要求改性层具有一定的厚度，通常要求达到十几或几十微米的厚度，因此，改性层镀制过程中需要对膜层厚度进行检测。另外，为了确保抛光后改性层的均匀性，抛光的过程中需要对膜层厚度进行检测。
薄膜厚度的测量方法很多，通常可以分为非光学法和光学法两类。非光学法主要有探针法、涡流法、电阻法、电磁法、电容法等。探针法拥有量程范围大、分辨率高、稳定性好等优点，应用最为广泛，而其他几种方法则多用于测量金属薄膜厚度。但是用探针法测量通常需要在膜层表面制作一个台阶，探针在测量时在膜层表面移动会对薄膜造成一定损伤。用这种方法测量时还需要制作台阶，这就需要对薄膜进行二次加工，并且测量范围通常只有不到1mm，只适用于很小的样品。对于4m量级的大口径基底来说，使用这种方法就很难实现精确、快速、直接的测量。光学法主要有光谱法、棱镜耦合导模法和椭圆偏振法等。棱镜耦合导模法原理是通过测量波导内传播模式的耦合角来得到膜厚及折射率，其测量精度与耦合模数目相关。椭圆偏振法则对膜厚的均匀性有较高要求，并且测量、计算过程复杂。因此，本发明基于光谱法提供一种对大口径基底表面膜层进行简单、快速测量的方法。
发明内容
本发明的目的是如何提供一种对大口径基底表面膜层厚度进行简单、快速测量的大口径基底表面膜层厚度在线检测装置及检测方法。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。
大口径基底表面膜层厚度在线检测装置，包括PC机、第一光纤、光纤光谱仪、第二光纤、角度调节装置和旋转平台；
所述PC机通过第一光纤与光纤光谱仪连接，实时接收光纤光谱仪的光谱信息，并通过接收的光谱信息计算待测件的表面膜层厚度；所述PC机还通过电线与旋转平台连接，控制旋转平台的转动；
所述旋转平台承载待测件，通过转动带动待测件转动；
所述角度调节装置包括立柱、斜拉杆、滑轨和滑块，立柱固定在固定面上，斜拉杆的一端旋转固定在立柱的顶部，滑轨的一端旋转固定在立柱的中部，斜拉杆和滑轨的另一端旋转固定在一起，滑块设置在滑轨上；
所述第二光纤的一端与光纤光谱仪连接连接，另一端固定在滑块上，光纤光谱仪的光经的第二光纤入射到待测件的表面膜层上，待测件的表面膜层将光反射回第二光纤中，经第二光纤传输至光纤光谱仪；
所述光纤光谱仪将接收的光转化为光谱信息传输至PC机。
进一步的，所述立柱为长度固定或可调节的柱状结构。
进一步的，所述PC机通过电线与滑块连接，控制滑块在滑轨上的移动。
进一步的，所述角度调节装置还包括固定座，固定座与滑块转动连接，第二光纤一端与光纤光谱仪连接，另一端固定在固定座上。
上述大口径基底表面膜层厚度在线检测装置的检测方法，步骤如下：
步骤一、将待测件放置或固定在转动平台上；
步骤二、在PC机中设置转动平台的转动速度和采样频率；
步骤三、选择待测件表面膜层上的任意一处位置，令经第二光纤射出的光射到该点上，调节角度调节装置，直至该位置的反射光的光强到达极值，停止调节角度调节装置；
步骤四、PC机控制转动平台转动，实时接收光纤光谱仪的光谱信息，并根据采样频率计算采样点厚度，直至该位置所在圆周检测结束；
步骤五、移动滑块至待测件膜层上的另一位置，该位置所在圆周的半径与上一检测位置不同，重复步骤三～步骤五，直至待测件表面膜层厚度测试结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的大口径基底表面膜层厚度在线检测装置和检测方法能够完好的保证膜层不受损伤，测量精度高，操作简单，稳定性好，适用于各种大尺寸膜层的厚度测量，尤其适用于大口径RB-SiC表面改性层厚度的在线检测。
附图说明
图1为本发明的大口径基底表面膜层厚度在线检测装置的结构示意图；
图2为本发明的角度调节装置的结构示意图；
图3为图2的俯视图(图中省略斜拉杆)；
图中，1、PC机，2、第一光纤，3、光纤光谱仪，4、第二光纤、5、角度调节装置，51、立柱，52、斜拉杆，53、滑轨，54、滑块，55、固定座，6、待测件。
具体实施方式
以下结合附图1～3对本发明作进一步说明。
如图1所示，大口径基底表面膜层厚度在线检测装置包括PC机1、第一光纤2、光纤光谱仪3、第二光纤4、角度调节装置5和旋转平台。
其中，PC机1通过第一光纤2与光纤光谱仪3连接，实时接收光纤光谱仪 3的光谱信息，并通过接收的光谱信息计算待测膜层的厚度，最终获得膜层厚度分布图；PC机1还通过电线与旋转平台连接，控制旋转平台的转动。
旋转平台为本领域技术人员常用件，没有特殊限制，待测件6放置在旋转平台上，通过旋转平台的转动带动待测件6转动。
角度调节装置5包括立柱51、斜拉杆52、滑轨53和滑块54。立柱51固定固定平面上，立柱51可以为长度固定柱状结构，也可以为长度可调节的柱状结构。斜拉杆51的一端旋转固定在立柱51的顶部，滑轨53的一端旋转固定在立柱51立柱的中部，斜拉杆52和滑轨53的另一端旋转固定在一起。滑块54设置在滑轨53上。为了方便控制，PC机1还可以通过电线与与滑块54连接，控制滑块54在滑轨53上的移动。
第二光纤4的一端与光纤光谱仪3连接连接，另一端通常固定在滑块54上，但为方便调节第二光纤4的角度，角度调节装置5还可以包括固定座55，固定座55与滑块54转动连接，此时第二光纤4固定在固定座55上。光纤光谱仪3 的光经的第二光纤4入射到待测膜层上，再经待测膜层反射回第二光纤4中，再传输回光纤光谱仪3。
光纤光谱仪3没有特殊限制，可以通过商购获得，光纤光谱仪3将接收的光进行处理，得到光谱信息传输至PC机1。
上述大口径基底表面膜层厚度在线检测装置的检测方法，步骤如下：
步骤一、将待测件6放置或固定在转动平台上；
步骤二、在PC机1中设置采样频率和转动平台的转动速度，还可以设置滑块54的步长；
步骤三、选择待测膜层上的任意一处位置，使第二光纤4的出射光打到该点上，调节角度调节装置5，通常旋转斜拉杆52和滑轨53，当含有固定座55 时，也可以适度调节固定座55，直至待测位置的反射光的光强到达极值时认为入射待测膜层的光与待测膜层表面垂直，此时停止调节角度调节装置5；
步骤四、PC机1控制转动平台转动，实时接收光纤光谱仪3的光谱信息，并将根据采样频率计算采样点厚度，通常取采样频率内的平均值，直至该位置所在圆周检测结束；
步骤五、移动滑块54至待测膜层上的另一位置，该位置所在圆周的半径与上一检测位置不同，重复步骤三～步骤五，直至待测膜层测试结束，得到膜层表面厚度分布图。

Claims (5)

1.大口径基底表面膜层厚度在线检测装置，其特征在于，包括PC机(1)、第一光纤(2)、光纤光谱仪(3)、第二光纤(4)、角度调节装置(5)和旋转平台；
所述PC机(1)通过第一光纤(2)与光纤光谱仪(3)连接，实时接收光纤光谱仪(3)的光谱信息，并通过接收的光谱信息计算待测件(6)的表面膜层厚度；所述PC机(1)还通过电线与旋转平台连接，控制旋转平台的转动；
所述旋转平台承载待测件(6)，通过转动带动待测件(6)转动；
所述角度调节装置(5)包括立柱(51)、斜拉杆(52)、滑轨(53)和滑块(54)，立柱(51)固定在固定面上，斜拉杆(51)的一端旋转固定在立柱(51)的顶部，滑轨(53)的一端旋转固定在立柱(51)的中部，斜拉杆(52)和滑轨(53)的另一端旋转固定在一起，滑块(54)设置在滑轨(53)上；
所述第二光纤(4)的一端与光纤光谱仪(3)连接连接，另一端固定在滑块(54)上，光纤光谱仪(3)的光经的第二光纤(4)入射到待测件(6)的表面膜层上，待测件(6)的表面膜层将光反射回第二光纤(4)中，经第二光纤(4)传输至光纤光谱仪(3)；
所述光纤光谱仪(3)将接收的光转化为光谱信息传输至PC机(1)。
2.根据权利要求1所述的大口径基底表面膜层厚度在线检测装置，其特征在于，所述立柱(51)为长度固定或可调节的柱状结构。
3.根据权利要求1所述的大口径基底表面膜层厚度在线检测装置，其特征在于，所述PC机(1)通过电线与滑块(54)连接，控制滑块(54)在滑轨(53)上的移动。
4.根据权利要求1所述的大口径基底表面膜层厚度在线检测装置，其特征在于，所述角度调节装置(5)还包括固定座(55)，固定座(55)与滑块(54)转动连接，第二光纤(4)一端与光纤光谱仪(3)连接，另一端固定在固定座(55)上。
5.权利要求1～4任何一项所述的大口径基底表面膜层厚度在线检测装置的检测方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、将待测件(6)放置或固定在转动平台上；
步骤二、在PC机(1)中设置转动平台的转动速度和采样频率；
步骤三、选择待测件(6)表面膜层上的任意一处位置，令经第二光纤(4)射出的光射到该点上，调节角度调节装置(5)，直至该位置的反射光的光强到达极值，停止调节角度调节装置(5)；
步骤四、PC机(1)控制转动平台转动，实时接收光纤光谱仪(3)的光谱信息，并根据采样频率计算采样点厚度，直至该位置所在圆周检测结束；
步骤五、移动滑块(54)至待测件(6)膜层上的另一位置，该位置所在圆周的半径与上一检测位置不同，重复步骤三～步骤五，直至待测件(6)表面膜层厚度测试结束。
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