CN108426531A - 一种复合膜厚度在线测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合膜厚度在线测量系统，能够实时、高精度的获取复合膜同一探测区域的各层厚度。其中复合膜包括不透明基底层和透明涂层。通过激光三角法测量模块获取不透明基底的厚度参数，通过红外测量模块获取透明涂层的厚度参数，两个测量模块共用主要光路通道，保证内部结构紧凑；同时把两个测量模块的被测区域限定在同一位置处，实现复合膜同一区域参数的同时、高精度、在线测量。

Description

一种复合膜厚度在线测量系统

技术领域

本发明涉及一种复合膜厚度测量系统，具体涉及一种复合膜厚度在线测量系统，属于工业测量领域。

背景技术

在膜类产品的制备过程中，其中如厚度、克重等参数是影响产品性能的参数指标。传统的测量仪器，有采用X射线、β射线的射线类测量方式，也有采用涡流或者超声波的测量方式。在光学领域，有利用激光三角法测量薄膜厚度，也有利用红外吸收原理进行厚度测量的仪器。

但上述测量仪器均存在一定的缺陷：射线类仪器的稳定性好，精度高，适用范围大，但是其放射源处理复杂，存在安全隐患，且无法同时区分复合膜的多种组分参数。而利用电涡流原理的仪器则要求测量对象有一定的导电性，同时，其与利用超声波原理进行测量的设备都普遍存在精度低、测量时间长的问题。而利用激光测距仪器只能测量不透明的物体，同时无法获取复合膜的多层参数信息。传统的红外吸收测厚设备，虽然具有同时测量复合膜多层参数的能力，但是也仅限于部分有机物对象的测量，对于一些不吸收或吸收较大的成分，亦无法高精度测量，因而其应用也受到较大的限制。

膜类产品的制造技术在不断地进步，成分较为简单的复合膜的参数测量问题可以通过上述传统测量仪器得到解决，但是对于成分复杂的测量对象，一些有机和无机结合的特种膜，如含有涂层的功能性复合薄膜，则遇到较大的问题。目前红外吸收技术所使用的红外探测光无法透过无机膜和金属膜，而激光三角法对于有一定透射性的有机膜测量，又无法提供满意的测量结果，也无法获取其复杂成分的参数信息。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种复合膜厚度在线测量系统，能够实时、高精度的获取复合膜同一探测区域的各层厚度。

所述复合膜包括不透明基底层和透明涂层；所述的复合膜厚度在线测量系统包括：激光三角法测量模块、红外测量模块以及处理模块；其中所述红外测量模块设置在所述复合膜透明涂层所在侧，用于测量透明涂层的厚度；所述激光三角法测量模块用于测量不透明基底层的厚度。

所述激光三角法测量模块和红外测量模块对准待测量的复合膜的同一位置，测量所述复合膜同一位置处的透明涂层和不透明基底层的厚度。

2、如权利要求1所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，涂层-不透明基底层-透明涂层复合膜时：在所述多层膜的两侧各设置一套包括激光三角法测量模块和红外测量模块的测量单元，两个测量单元对准待测量的复合膜的同一位置。

当所述复合膜为透明涂层-不透明基底层复合膜时：在透明涂层所在侧布置由激光三角法测量模块和红外测量模块组成的测量单元，在不透明基底层所在侧仅布置由激光三角法测量模块组成的测量单元；两个测量单元对准待测量的复合膜的同一位置。

所述红外测量模块包括：用于发出设定波段红外光的红外光源；用于将所述红外光调整为准直光束的光束调整装置；用于将所述准直光束筛选为测量光束的波长筛选装置，所述测量光束仅包含透明涂层吸收波段和设定的参考波段；用于将所述测量光束分成参考光路和测量光路的分束装置；用于收集参考光路的光束并投射在探测器A上的光束收集装置A，所述探测器A用于获得参考光路的光强，并发送给处理模块；用于收集透过透明涂层后依次被所述不透明基底和分束装置反射后的测量光路光束，并投射在探测器B上的光束收集装置B,所述探测器B用于获得测量光路的光强，并发送给处理模块；所述处理模块依据所接收到的参考光路的光强和测量光路的光强计算得到透明涂层的厚度。

所述激光三角法测量模块包括：用于发出准直探测光束的激光光源，所述激光光源对准所述复合膜上红外测量模块所测量的区域；用于收集经不透明基底层反射后的探测光束并投射在探测器C上的光学采集装置；所述探测器C将测量到的不透明基底层上像点的位置信息发送给处理模块；所述处理模块依据其内部预设的激光三角法测量模块的初始位置信息，包括准直探测光束的入射的位置和角度，结合接收到的探测器C所测量的不透明基底层上像点的位置，通过三角法测距算法得到激光三角法测量模块到与之对应侧的不透明基底层表面的距离，进而计算得到不透明基底层的厚度。

有益效果：

(1)针对由不透明基底和透明涂层组成的复合膜，通过激光三角法测量模块获取不透明基底的厚度参数，通过红外测量模块获取透明涂层的厚度，在保证内部结构紧凑的基础上，把两个测量模块的被测区域限定在同一位置处，实现复合膜同一区域参数的同时、高精度、在线测量。

(2)激光三角法测量模块使用可见光探测器，红外测量模块使用红外探测器，两测量模块之间不会出现测量串扰；两测量模块同时投射到复合膜的同一区域，得到关于复合膜同一区域的各层厚度。

(3)由于该测量系统中光学测头的检测时间短，两测量模块通过检测对象关联起来的潜在干扰被降至最小。

附图说明

图1为涂层-基底-涂层结构复合膜的厚度测量方案示意图；

图2为实施例2中涂层-基底结构复合膜的厚度测量方案示意图；

图3为实施例3中涂层-基底结构复合膜的厚度测量示意图；

图4为测量仪器的两种安装方案示意图；

图5为三角法测量厚度参数的示意图；

图6为光谱法测量厚度参数的示意图。

其中：10/20-红外光源、11/21-抛物面反射镜、12/22-滤光片、15/25-分光镜、16/26-激光光源、17/27-光束收集装置、18/28-探测器C、131/231-透镜A、141/241-探测器A、30/40-光强参考光路、32/42-测量光路、132/232-透镜B、142/242-探测器B、33/43-探测光束

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种涂层-基底-涂层结构复合膜的厚度在线测量系统，用于透明涂层-不透明基底层-透明涂层复合膜的高精度在线厚度测量。其中不透明层，可为无机物，如无机氧化物或金属；透明层可为有机物层，如PE或PP。

该测量系统针对涂层-基底-涂层的复合膜，采用上下侧同时安装测量设备的方案，如图1所示。上测量单元和下测量单元结构形式相同，均由激光三角法测量模块(即三角测头)和红外测量模块(即红外测头)组成，上测量单元和下测量单元对准复合膜的同一位置，其中通过三角测头测量该位置处不透明基底层的厚度，通过红外测头测量该位置处透明涂层的厚度。

红外测量模块的测量原理为：由红外光源，发出宽波段的红外光，经过波长筛选装置，选出对于特定成分吸收的测量波段和不吸收的参考波段(即通过波长筛选装置筛选出两个不同范围的波段，分别作为吸收波段和参考波段)，然后通过分束装置分为内部参考光路和外部测量光路，内部参考光路获取光强信息后用于调整探测光光强和调制特性，而外部测量光路通过光束整形和导向装置，投射在待测物体上，在光源的同一侧，通过光束收集装置，收集反射光。然后通过后续的电路得到测量结果，并通过对应的计算算法得到所需的参数。红外测量模块的优选方案为通过滤光轮调制和筛选波长配合高精度探测器及对应光谱算法实现。具体的，以上测量单位为例，红外测量模块包括：红外光源10、抛物面反射镜11、滤光片12、分光镜15、透镜A 131、透镜B132、探测器A141、探测器B142以及处理单元A。其中滤光片12作为波长筛选装置，用于筛选透明涂层吸收波段和参考波段的波长，即经过滤光片12滤光后得到的光束中仅含透明涂层吸收波段和参考波段波长的红外光。分光镜15作为分束装置，用于将入射到其上的光束分成两束，分别为反射光和透射光，其中反射光作为光强参考光路，透射光作为测量光路。

红外光源10(如SiC灯丝)发出宽波段的红外光，通常为1-15um；红外光经过作为光束调整装置的抛物面反射镜11得到准直光束；准直光束先通过作为波长筛选装置的滤光片12后得到仅含透明涂层吸收波段和参考波段波长的测量光束，波长筛选装置中可以用滤光轮+滤光片的配置方式同时对波长进行筛选和对光强大小进行调制。经筛选后的测量光束再通过作为分束装置的分光镜15，由此得到一束光强参考光路30(经分光镜15反射后得到)和一束测量光路32(经分光镜15透射后得到)。在图示方案中，分光镜15倾斜45度设置，使得光强参考光路30水平，测量光路32竖直。作为参考光路光束收集装置的透镜A131将参考光强(光强参考光路30)收集后投射在探测器A141上，通过探测器A141得到参考光路的光强，并发送给处理单元A。测量光路32则透过复合膜的透明涂层后遇到不透明基底被反射，反射后的测量光路32经过分光镜15反射后形成的光束被作为测量光路光束收集装置的透镜B132聚集到探测器B142上，通过探测器B142得到测量光路的光强，并发送给处理单元A。处理单元A依据所接收到的参考光路的光强和测量光路的光强计算得到透明涂层的厚度。

透明涂层的厚度测量原理如图6：测量光路的探测光两次穿过(入射和被不透明基底反射)透明涂层后，透射前的光强I₀(即参考光路的光强)以及透射后的光强I₁(即测量光路的光强)与厚度t的关系，满足朗伯比尔吸收定理，即：

其中α指透明涂层的红外光谱吸收系数，由此便可计算出透明涂层的厚度t。

但是在现实过程中，需要通过增加系数的方法来矫正理想吸收曲线规律，使得其更加接近实际吸收规律。优选的规律曲线如下：

a和b为实测系统中的修正系数，由于测量系统会受到杂散光、表面发射、电路漂移等外界干扰的影响，光强变化与理想系统有所差异，需要通过实测构建准确的模型。a指的是某一波长针对某一成分的物质的吸收系数，某一成分对不同波长的吸收系数有时候会出现较大差异。a和b是现实情况中的吸收规律对理想情况吸收规律的补充。

对于成分复杂的透明涂层(即透明涂层由多种不同成分的涂层叠加而成)，则可通过对波长筛选装置(如滤光轮)进行设置，对透明涂层的每一成分匹配相应的波长；由于不同的有机物层有不同的波长吸收区间，即波段，通过滤光轮可以选择对应吸收波长波段的光，然后复用主要光路(探测光路和参考光路)以实现对每一成分厚度的测量。

激光三角法测量模块的测量原理为：由光源发出的光经过光束整形和导向装置后，投射在复合膜的不透明基底层表面(与上述红外测量模块的测量光路对应复合膜的相同位置)，通过具有空间分辨率的探测器获取探测点的空间信息，通过后续电路及算法，利用三角法原理计算测量点的空间位置信息，通过上下侧布置测量模块，得到复合膜不透明基底层的厚度。激光三角法测量模块的优选方案为通过激光光源配合高分辨力CCD及三角测量算法实现。具体的，以上测量单元为例，激光三角法测量模块包括：激光光源16、光学采集装置17、探测器C18和处理单元B。激光光源16如激光二极管对准红外测量模块所测量的区域发出准直探测光束33，探测光的波段可为可见光波段，如300-800nm。探测光束33投射在不透明基底层的上表面，经不透明基底层反射后再经光学采集装置17将探测光束投射到具有空间分辨力的探测器C18(如CCD)上，探测器C18将测量到的不透明基底层上像点的位置信息发送给处理单元B。处理单元B依据其内部预设的三角测头的初始位置信息，包括准直探测光束的入射的位置和角度，结合接收到的探测器C18所测量的不透明基底层上像点的位置，通过三角法测距算法得到三角测头到不透明基底层的距离L1。

不透明基底层厚度的测量原理如图5：用上测量单元和下测量单元中两个激光三角法测量模块(两个测头)之间的距离L₀,减去两个测头分别到不透明基底层两侧的距离L₁和L₂，由此便可得到不透明基底层的厚度参数，即：

t₁＝L₀-L₁-L₂

其中：L₀是通过事先标定的方法获取的，精度可以达到亚微米级；L₁为上测量单元中三角测头到不透明基底层上表面的距离，L₂为下测量单元中三角测头到不透明基底层下表面的距离；L₁和L₂通过前述的三角测距算法获得。

该系统中激光三角法测量模块使用可见光探测器，红外测量模块使用红外探测器，两模块之间不会出现测量串扰。

图4为该测量系统的两种安装方式示意图，可采用U型安装或O型安装的方式。其中U型安装指测量单元的安装框架为U型框架，该框架在移动方向(测量时，生产线上的复合膜纵向移动，测量系统可沿复合膜的宽度方向横向移动)上有一开口形成U型结构。上下测量单元分别固定安装在U型结构内侧上下表面相对的位置，使用时整体移动，上下测量单元位置不会有变化和偏差。但采用U型安装时，移动长度受限。O型安装指测量单元的安装框架为0型框架。上下测量单元分别固定安装在0型框架内侧上下表面相对的位置，使用时，上下测量单元分开移动，移动过程中有偏差。

实施例2：

本实施例提供一种涂层-基底结构复合膜的厚度在线测量系统，用于对含透明涂层-不透明基底层的复合膜高精度在线厚度测量。

如图2所示，该测量系统仅在复合膜的透明涂层所在侧布置由激光三角法测量模块和红外测量模块组成的测量单元，复合膜的不透明基底层所在侧安装滚轮(薄膜随着生产线移动的过程中，防止抖动)。其中激光三角法测量模块和红外测量模块与上述实施例1相同，该种方式中透明涂层的厚度测量原理与实施例1相同，不透明基底层厚度测量的方法为：

t₁＝L₃-L₁

其中：L₃为三角测头到不透明基底层与滚轮接触面的距离，L₃通过事先标定的方法获取的，精度可以达到亚微米级；L₁为上测量单元中三角测头到不透明基底层上表面的距离。

实施例3：

本实施例提供另一种涂层-基底结构复合膜的厚度在线测量系统，该测量系统也采用上下同时测量的方案，如图3所示。与上述实施例1的区别在于：在透明涂层所在侧布置由激光三角法测量模块和红外测量模块组成的上测量单元，在不透明基底层所在侧仅布置激光三角法测量模块作为下测量单元。该种方式中透明涂层的厚度测量原理以及不透明基底层厚度测量原理均与实施例1相同。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，所述复合膜包括不透明基底层和透明涂层；

所述测量系统包括：激光三角法测量模块、红外测量模块以及处理模块；其中所述红外测量模块设置在所述复合膜透明涂层所在侧，用于测量透明涂层的厚度；所述激光三角法测量模块用于测量不透明基底层的厚度；

所述激光三角法测量模块和红外测量模块对准待测量的复合膜的同一位置，测量所述复合膜同一位置处的透明涂层和不透明基底层的厚度。

2.如权利要求1所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，当所述复合膜为透明涂层-不透明基底层-透明涂层复合膜时：在所述多层膜的两侧各设置一套包括激光三角法测量模块和红外测量模块的测量单元，两个测量单元对准待测量的复合膜的同一位置。

3.如权利要求1所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，当所述复合膜为透明涂层-不透明基底层复合膜时：在透明涂层所在侧布置由激光三角法测量模块和红外测量模块组成的测量单元，在不透明基底层所在侧仅布置由激光三角法测量模块组成的测量单元；两个测量单元对准待测量的复合膜的同一位置。

4.如权利要求1、2或3或所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，所述红外测量模块包括：用于发出设定波段红外光的红外光源；用于将所述红外光调整为准直光束的光束调整装置；用于将所述准直光束筛选为测量光束的波长筛选装置，所述测量光束仅包含透明涂层吸收波段和设定的参考波段；用于将所述测量光束分成参考光路和测量光路的分束装置；用于收集参考光路的光束并投射在探测器A上的光束收集装置A，所述探测器A用于获得参考光路的光强，并发送给处理模块；用于收集透过透明涂层后依次被所述不透明基底和分束装置反射后的测量光路光束，并投射在探测器B上的光束收集装置B,所述探测器B用于获得测量光路的光强，并发送给处理模块；所述处理模块依据所接收到的参考光路的光强和测量光路的光强计算得到透明涂层的厚度。

5.如权利要求1、2或3或所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，所述激光三角法测量模块包括：用于发出准直探测光束的激光光源，所述激光光源对准所述复合膜上红外测量模块所测量的区域；用于收集经不透明基底层反射后的探测光束并投射在探测器C上的光学采集装置；所述探测器C将测量到的不透明基底层上像点的位置信息发送给处理模块；所述处理模块依据其内部预设的激光三角法测量模块的初始位置信息，包括准直探测光束的入射的位置和角度，结合接收到的探测器C所测量的不透明基底层上像点的位置，通过三角法测距算法得到激光三角法测量模块到与之对应侧的不透明基底层表面的距离，进而计算得到不透明基底层的厚度。

6.如权利要求4所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，当所述复合膜的透明涂层包含两种以上成分时，对所述波长筛选装置进行设置，使透明涂层的每一成分匹配相应的波长；然后复用探测光路和参考光路，以同时获得透明涂层每一成分的厚度。

7.如权利要求4所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，所述波长筛选装置采用滤光轮+滤光片的配置方式同时对波长进行筛选和对光强进行调制。

8.如权利要求4所述的复合膜厚度在线测量系统，其特征在于，所述分束装置为分光镜。