CN107843200B - 一种透明薄膜厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种透明薄膜厚度测量方法，包括：白光光源发出的平行光经过三角棱镜组反射到数字微镜器件上呈条纹光，条纹光经过三角棱镜组透射到准直透镜组，通过准直透镜组进行光路准直后透射到扩束镜组进行扩束；分光镜将扩束后的条纹光透射到色散汇聚物镜组上，色散汇聚物镜组将不同颜色的光汇聚在透明薄膜的上下表面，透明薄膜的上下表面将不同颜色的光反射回到分光镜；分光镜反射回来的光经过色散棱镜，色散棱镜将光按照不同波长色散开并经过汇聚目镜汇聚到视觉传感器的不同位置，根据视觉传感器中图像不同列的光强中心之间的距离，计算出透明薄膜的上下表面的距离，即可获得透明薄膜的厚度；该测量方法能有效的提高测量精度和效率。

Description

一种透明薄膜厚度测量方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其是涉及一种透明薄膜厚度测量系统以及方法，特别是一种用于透明薄膜厚度快速高精度测量的传感测量技术和方法。

背景技术

目前，透明薄膜主要有金属膜系、氧化物膜系、其他化合物膜系、高分子膜系、复合膜系等。广泛应用在太阳能、半导体、汽车、航空航天、军工等行业，而透明薄膜的厚度是其主要质量参数，是影响产品性能的主要指标，因此透明薄膜的厚度快速高精度检测对于工业生产及产品的合理使用有着极其重要的意义，尤其是对于航空航天、太阳能、半导体和武器工业，它直接影响产品的使用性能。

目前，国内外透明薄膜的厚度测量采用较多的方法有：激光三角法、干涉法、摩尔条纹法等，但测量效率和精度都存在一定缺陷。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透明薄膜厚度测量系统以及方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种透明薄膜厚度测量系统，其包括：信号发送镜筒和信号接收镜筒；所述信号发送镜筒自右向左依次设置有色散汇聚物镜组、分光镜、扩束镜组、准直透镜组、三角棱镜组、数字微镜器件，在所述信号发送镜筒对应所述三角棱镜组的侧壁上设置有白光光源，在所述信号发送镜筒对应所述分光镜的侧壁上连接有所述信号接收镜筒，所述信号接收镜筒自下而上依次设置有色散棱镜、汇聚目镜和视觉传感器。

作为一种进一步的技术方案，在所述信号发送镜筒对应所述三角棱镜组的侧壁上设置有第一开口，所述白光光源安装于所述第一开口。

作为一种进一步的技术方案，在所述信号发送镜筒对应所述分光镜的侧壁上设置有第二开口；所述信号接收镜筒连接于所述信号发送镜筒的第二开口。

作为一种进一步的技术方案，所述白光光源为LED白光光源。

作为一种进一步的技术方案，所述信号发送镜筒靠近所述数字微镜器件的端部设置有端盖。

作为一种进一步的技术方案，所述三角棱镜组包括两个三角棱镜，其中一个所述三角棱镜为直角三角棱镜，另一个所述三角棱镜为等边三角棱镜。

第一方面，本发明还提供一种根据所述的透明薄膜厚度测量系统的方法，其包括如下步骤：

白光光源发出的平行光经过三角棱镜组反射到数字微镜器件上呈条纹光，条纹光经过三角棱镜组透射到准直透镜组，通过准直透镜组进行光路准直后透射到扩束镜组进行扩束；

分光镜将扩束后的条纹光透射到色散汇聚物镜组上，色散汇聚物镜组将不同颜色的光汇聚在透明薄膜的上下表面，透明薄膜的上下表面将不同颜色的光反射回到分光镜；

分光镜反射回来的光经过色散棱镜，色散棱镜将光按照不同波长色散开并经过汇聚目镜汇聚到视觉传感器的不同位置，根据视觉传感器中图像不同列的光强中心之间的距离，计算出透明薄膜的上下表面的距离，即可获得透明薄膜的厚度。

作为一种进一步的技术方案，在计算出透明薄膜的上下表面的距离时，按照如下计算公式进行运算：S＝KD+B；

其中，S为透明薄膜的厚度，D为视觉传感器两个不同位置之间的距离，K为斜率，B为截距值。

作为一种进一步的技术方案，所述计算公式通过如下步骤获得，包括：通过所述透明薄膜厚度测量系统对一系列厚度为S1至Sn的标准透明薄膜进行检测，对视觉传感器测量的图像进行预处理后获得一系列的不同列光强中心之间的距离D1至Dn，利用最小二乘法得到计算公式：S＝KD+B。

作为一种进一步的技术方案，对视觉传感器测量的图像进行预处理包括但不限于对比度增加和滤波处理。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1)、本发明利用不同波长光汇聚的离散性和色散性实现透明薄膜的厚度高精度测量，有效的提高了测量精度。

2)、本发明结合数字微镜实现条纹光照明结合离散组件和色散组件实现多点厚度同时测量提高了测量效率；

3)、本发明利用不同波长的光获得厚度的信息，有效利用了光波长稳定性，消除了环境的影响，有效提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的透明薄膜厚度测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的透明薄膜厚度测量方法的原理示意图。

图标：1-数字微镜器件；2-白光光源；3-三角棱镜组；4-准直透镜组；5-扩束镜组；6-分光镜；7-色散汇聚物镜组；9-色散棱镜；10-汇聚目镜；11-视觉传感器；12-信号接收镜筒；13-信号发送镜筒；14-端盖。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

结合图1所示，本实施例一提供一种透明薄膜厚度测量系统，其包括：信号发送镜筒13和信号接收镜筒12；所述信号发送镜筒13自右向左依次设置有色散汇聚物镜组7、分光镜6、扩束镜组5、准直透镜组4、三角棱镜组3、数字微镜器件1，在所述信号发送镜筒13对应所述三角棱镜组3的侧壁上设置有白光光源2，在所述信号发送镜筒13对应所述分光镜6的侧壁上连接有所述信号接收镜筒12，所述信号接收镜筒12自下而上依次设置有色散棱镜9、汇聚目镜10和视觉传感器11。可见，本发明利用不同波长光的汇聚的离散性和色散性实现透明薄膜的厚度高精度测量，有效的提高了测量精度。本发明结合数字微镜实现条纹光照明结合离散组件和色散组件实现多点厚度同时测量提高了测量效率；本发明利用不同波长的光获得厚度的信息，有效利用了光波长稳定性，消除了环境的影响，有效提高了测量精度。

本实施例中的透明薄膜厚度测量系统的工作原理如下：

白光光源2发出的平行光经过三角棱镜组3反射到数字微镜器件1上呈条纹光，条纹光经过三角棱镜组3透射到准直透镜组4，通过准直透镜组4进行光路准直后透射到扩束镜组5进行扩束；

分光镜6将扩束后的条纹光透射到色散汇聚物镜组7上，色散汇聚物镜组7将不同颜色的光汇聚在透明薄膜的上下表面，透明薄膜的上下表面将不同颜色的光反射回到分光镜6；

分光镜6反射回来的光经过色散棱镜9，色散棱镜9将光按照不同波长色散开并经过汇聚目镜10汇聚到视觉传感器11的不同位置，根据视觉传感器11中图像不同列的光强中心之间的距离，计算出透明薄膜的上下表面的距离，即可获得透明薄膜的厚度。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，在所述信号发送镜筒13对应所述三角棱镜组3的侧壁上设置有第一开口，所述白光光源2安装于所述第一开口。

优选的，所述白光光源2为LED白光光源。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，在所述信号发送镜筒13对应所述分光镜6的侧壁上设置有第二开口；所述信号接收镜筒12连接于所述信号发送镜筒13的第二开口。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述信号发送镜筒13靠近所述数字微镜器件1的端部设置有端盖14。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述三角棱镜组3包括两个三角棱镜，其中一个所述三角棱镜为直角三角棱镜，另一个所述三角棱镜为等边三角棱镜。

具体而言，直角三角棱镜的一个直角边正对第一开口，另一个直角边正对数字微镜器件1，等边三角棱镜的一边与所述直角三角棱镜的斜边接触。

综上，采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1)、本发明利用不同波长光汇聚的离散性和色散性实现透明薄膜的厚度高精度测量，有效的提高了测量精度。

2)、本发明结合数字微镜实现条纹光照明结合离散组件和色散组件实现多点厚度同时测量提高了测量效率；

3)、本发明利用不同波长的光获得厚度的信息，有效利用了光波长稳定性，消除了环境的影响，有效提高了测量精度。

实施例二

结合图1至图2所示，本实施例二还提供一种根据所述的透明薄膜厚度测量系统的方法，对于透明薄膜厚度测量系统而言，其包括：信号发送镜筒13和信号接收镜筒12；所述信号发送镜筒13自右向左依次设置有色散汇聚物镜组7、分光镜6、扩束镜组5、准直透镜组4、三角棱镜组3、数字微镜器件1，在所述信号发送镜筒13对应所述三角棱镜组3的侧壁上设置有白光光源2，在所述信号发送镜筒13对应所述分光镜6的侧壁上连接有所述信号接收镜筒12，所述信号接收镜筒12自下而上依次设置有色散棱镜9、汇聚目镜10和视觉传感器11。

结合上述结构，下面介绍一下本实施例二提供的方法具体包括如下步骤：

白光光源2发出的平行光经过三角棱镜组3反射到数字微镜器件1上呈条纹光，条纹光经过三角棱镜组3透射到准直透镜组4，通过准直透镜组4进行光路准直后透射到扩束镜组5进行扩束；

分光镜6将扩束后的条纹光透射到色散汇聚物镜组7上，色散汇聚物镜组7将不同颜色的光汇聚在透明薄膜的上下表面(得到一列不同颜色的点阵)，透明薄膜的上下表面将不同颜色的光(不同颜色的点阵光)反射回到分光镜6；

分光镜6反射回来的光经过色散棱镜9，色散棱镜9将光按照不同波长色散开并经过汇聚目镜10汇聚到视觉传感器11的不同位置(不同列的两个不同位置)，根据视觉传感器11中图像不同列的光强中心之间的距离，计算出透明薄膜的上下表面的距离，即可获得透明薄膜的厚度。

本实施例中，作为一种进一步的技术方案，在计算出透明薄膜的上下表面的距离时，按照如下计算公式进行运算：S＝KD+B；

其中，S为透明薄膜的厚度，D为视觉传感器11两个不同位置之间的距离，K为斜率(可根据多组实验获得，其可以理解为预定值)，B为截距值(可根据多组实验获得，其可以理解为预定值)。

作为一种进一步的技术方案，所述计算公式通过如下步骤获得，包括：通过所述透明薄膜厚度测量系统对一系列厚度为S1至Sn的标准透明薄膜进行检测，对视觉传感器11测量的图像进行预处理后获得一系列的不同列光强中心之间的距离D1至Dn，利用最小二乘法得到计算公式：S＝KD+B，其中K值可以确定，B值也可以确定。

作为一种进一步的技术方案，对视觉传感器11测量的图像进行预处理包括但不限于对比度增加和滤波处理。

更加具体而言，为了更加准确地获得透明薄膜的厚度和视觉传感器11的不同列的两个不同位置的关系，核心的问题是获得视觉传感器11不同列的光强中心的距离与透明薄膜的厚度的对应关系。为此，本实施例拟采取如图2所示的技术，首先对一系列厚度为S1…Sn的标准透明薄膜进行检测，对视觉传感器11测量的图像进行预处理(包括对比度增强、滤波处理等)后获得一系里的距离D1…Dn，利用通用的最小二乘法得到视觉传感器1111不同列的不同位置的距离D和透明薄膜的厚度S之间的关系S＝KD+B。

综上，本发明的这种基于不同波长光的汇聚的离散性和色散性结合数字微镜技术实现透明薄膜的厚度快速高精度测量传感技术，优点是利用不同波长的光获得厚度的信息，有效利用了光波长稳定性，消除了环境的影响，有效提高了测量精度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种透明薄膜厚度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

白光光源发出的平行光经过三角棱镜组反射到数字微镜器件上呈条纹光，条纹光经过三角棱镜组透射到准直透镜组，通过准直透镜组进行光路准直后透射到扩束镜组进行扩束；

分光镜将扩束后的条纹光透射到色散汇聚物镜组上，色散汇聚物镜组将不同颜色的光汇聚在透明薄膜的上下表面，透明薄膜的上下表面将不同颜色的光反射回到分光镜；

分光镜反射回来的光经过色散棱镜，色散棱镜将光按照不同波长色散开并经过汇聚目镜汇聚到视觉传感器的不同位置，根据视觉传感器中图像不同列的光强中心之间的距离，计算出透明薄膜的上下表面的距离，即可获得透明薄膜的厚度；

其中，所述色散汇聚物镜组、分光镜、扩束镜组、准直透镜组、三角棱镜组、数字微镜器件自右向左依次设置形成信号发送镜筒，所述色散棱镜、汇聚目镜和视觉传感器自下而上依次设置形成信号接收镜筒，所述白光光源设置在所述信号发送镜筒对应所述三角棱镜组的侧壁上，所述信号发送镜筒对应所述分光镜的侧壁上连接有所述信号接收镜筒。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，

在计算出透明薄膜的上下表面的距离时，按照如下计算公式进行运算：S＝KD+B；

其中，S为透明薄膜的厚度，D为视觉传感器两个不同位置之间的距离，K为斜率，B为截距值。

3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，所述计算公式通过如下步骤获得，包括：

通过对一系列厚度为S1至Sn的标准透明薄膜进行检测，对视觉传感器测量的图像进行预处理后获得一系列的不同列光强中心之间的距离D1至Dn，利用最小二乘法得到计算公式：S＝KD+B。

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