CN109238152A - 在线白光干涉测厚仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测厚仪领域，具体涉及在线白光干涉测厚仪。包括框架、伺服驱动系统、探头系统和电控系统，所述的伺服驱动系统横向安装在所述框架上部，所述伺服驱动系统上设有探头座，所述探头系统安装在探头座下方，所述的探头系统包括光源系统、光谱仪、光漏型集光器和冷却系统，所述光漏型集光器可在被测薄膜不平整或薄膜有振动的情况下将反射光线收集到所述光谱仪中。本发明采用光漏形式的集光器，可对因薄膜振动产生的光线偏差进行有效的收集，增强了集光的鲁棒性，将以往的白光干涉测厚仪只能在室验室离线测量厚度应用到生产现场进行在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及测厚仪领域，具体涉及在线白光干涉测厚仪。
背景技术
目前X-射线测厚仪、贝塔-射线测厚仪用于测量透明半透明的薄膜厚度存在以下问题：第一，只能测量整体厚度，对于需要测量材料的分层厚度则无能为力；第二，通过测量薄膜的面密度，然后通过材料密度换算成薄膜的厚度。不是直接测量薄膜的厚度。一旦薄膜的密度分布不均匀的时候(添加剂分布不均匀，导致密度分布不均匀)，厚度和面密度是对应不起来的。此时通过上述两种测量方法来测量薄膜的厚度是不准确的。而台式白光干涉仪测量厚度存在以下问题：不能与生产线第三方设备实时交互，故不能对产品质量做出实时控制，且大部分采用Y形光纤，对测量对象的平整度要求比较高，系统测量鲁棒性不好，不能用于生产线的在线测量；也没有专门用于现场硬件设备与人机界面。
中国发明专利(CN103175478A)公开了一种基于红外成像的薄膜测厚仪，包括光源、准直透镜、分光棱镜、参考路散射玻璃、参考路红外滤光片、参考路反射镜、测量路散射玻璃、测量路红外滤光片、测量路反射镜、半透半反分光镜、成像透镜、CCD；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。由此可见，该发明主要通过测量膜厚时，同一光源发出的光被分为两束：水平方向的参考光路和垂直方向的测量光路。在成像时，将参考物和被测物成像到同一CCD的光敏面上；如若光源光强发生变化，则两路光的光强发生同样比例的变化，从而克服了光源不稳定带来的影响；测量路和参考路都使用了散射玻璃来产生散射光，使用散射光透射成像的测量技术，由于散射光在各个角度上均衡地透过被测物，而以不同入射角透过薄膜的光线具有不同的干涉强度，从而总体上的干涉强度被中和，克服了干涉的影响。
中国发明专利(CN105115411A)公开了一种涂层测厚仪探头，涂层测厚仪探头包括活动臂和与之相对应的壳体固定装置，活动臂两端分别设置有电磁测量端和电涡流测量端，活动臂和壳体固定装置轴连接；电磁测量端和电涡流测量端分别设置有压力传感器和电路板连接。活动臂和壳体固定装置之间设置有反弹自锁装置，包括设置在活动臂上的凸起和壳体固定装置上的凹槽，凹槽可将凸起锁住以固定活动臂。探头可以满足电磁测量需要和电涡流测量需要，第一感应线圈和第二感应线圈分别处于活动臂的两端互不干涉，从而使测量结果更为准确。测量过程中可根据压力传感器测的数值调节探头与测量材料间压力使之稳定保证测量结果准确性。在活动臂的两端还设置有弹性保护套对探头起到保护作用。由此可见本发明解决的技术问题是克服现有技术中存在的频繁更换探头以及感应线圈距离太近影响测量结果的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供在线白光干涉测厚仪。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，本发明公开了在线白光干涉测厚仪，包括框架、伺服驱动系统、探头系统和电控系统，所述的伺服驱动系统横向安装在所述框架上部，所述伺服驱动系统上设有探头座，所述探头系统安装在探头座下方，所述的探头系统包括光源系统、光谱仪、光漏型集光器和冷却系统，所述光漏型集光器可在被测薄膜不平整或薄膜有振动的情况下将反射光线收集到所述光谱仪中。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述框架采用超硬铝型材制作。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述伺服驱动系统包括预压导轨、预压丝杆和伺服电机，所述预压导轨和预压高精度丝杆均横向安装在所述框架上部，所述伺服电机输出轴设有联轴装置，所述预压丝杆通过联轴装置与伺服电机连接，所述探头座滑动安装在预压导轨上，所述探头座可在预压丝杆的驱动下横向运动。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述电控系统采用EtherCAT通讯网络与USB2.0通讯网络进行实时通讯以保证各部件正常运行及数据可靠传输，所述电控系统的现场位置值与逻辑控制采用EtherCAT通信以提高数据采集频率和测量分辨率，电控系统的光学参数通信采用USB2.0通信网络。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述电控系统上设有外部软件接口和硬件接口，电控系统可通过外部软件接口和硬件接口而与第三方设备形成集生产、测量、控制三位一体的无人值守全自动厚度生产系统。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述电控系统中的测量厚度算法采用快速傅里叶分析与希尔伯特分析相结合的方式。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述电控系统中设有人机交互界面，所述人机交互界面可通过与第三方设备的交互而实现自动控制功能。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述电控系统可以与上位机连接而实现远程实时监控测量。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述光源系统采用宽光谱的卤素光源或白光LED光源。
本发明要解决的技术问题还可以通过以下技术方案来进一步实现，所述冷却系统采用风冷或气冷方式进行冷却。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明采用预压导轨和预压丝杆提高了线性滑轨的刚性及消除间隙，减少了设备探头系统运动误差对测量精度的影响；
(2)本发明采用光漏形式的集光器，可对因薄膜振动产生的光线偏差进行有效的收集，增强了集光的鲁棒性，将以往的白光干涉测厚仪只能在室验室离线测量厚度应用到生产现场进行在线测量；
(3)本发明将EtherCAT网络应用到白光干涉在线测厚仪，使采集频率提高到到1MS以内，使测量的分辨率达到非常可观的效果；
(4)本发明在测量厚度的的算法中采用快速傅里叶分析与希尔伯特分析相结合的方式，对单层与多层薄膜一次性测量的精度达到实测厚度的0.01％；
(5)本发明本发明的测量厚度是根据光学原理推导出来的而不是通过线性化对比得出的，所以精度非常高，并可以同时测量多层的厚度。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明测量光路走向示意图；
1-框架，2-伺服驱动系统，21-探头座；3-探头系统，4-电控系统。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明公开了在线白光干涉测厚仪，包括框架1、伺服驱动系统2、探头系统3和电控系统4，所述的伺服驱动系统2横向安装在所述框架1上部，所述伺服驱动系统2上设有探头座21，所述探头系统3安装在探头座21下方，所述的探头系统3包括光源系统、光谱仪、光漏型集光器和冷却系统，所述光源系统采用宽光谱的卤素光源或白光LED光源，所述冷却系统采用风冷或气冷方式进行冷却，所述光漏型集光器可在被测薄膜不平整或薄膜有振动的情况下将反射光线收集到所述光谱仪中。所述框架1采用超硬铝型材制作。所述伺服驱动系统2包括预压导轨、预压丝杆和伺服电机，所述预压导轨和预压高精度丝杆均横向安装在所述框架1上部，所述伺服电机输出轴设有联轴装置，所述预压丝杆通过联轴装置与伺服电机连接，所述探头座21滑动安装在预压导轨上，所述探头座21可在预压丝杆的驱动下横向运动。
所述电控系统4采用EtherCAT通讯网络与USB2.0通讯网络进行实时通讯以保证各部件正常运行及数据可靠传输，所述电控系统4的现场位置值与逻辑控制采用EtherCAT通信以提高数据采集频率和测量分辨率，电控系统4的光学参数通信采用USB2.0通信网络。本系统是在线测厚系统，实时性是重点，故对数据交换的速度有非常严格的要求，普通低速通信方式已不能满足要求，我们采用当前世界上最先进的通信方式用来解决快速可靠的数据采集，EtherCAT网络的应用，使采集频和测量高分辨率大幅提高。并且要保证设备的正常工作，包括探头系统3按指定的程式运动，数据采集、处理、上传、控制器输入输出的逻辑控制等，控制程序是至关重要的，程序可以是梯形图、语句表、逻辑功能图块、结构化文本语言，本系统采用结构化文本语言和梯形图相结合的方式，数据采集运动控制采用结构化文本，输出输出控制采用梯形图。EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs，其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧，可以交换高达1486字节的过程数据，几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。与100个伺服轴的通讯只需100μs。USB2.0将设备之间的数据传输速度增加到了480Mbps，比USB 1.1标准快四十倍左右，速度的提高对于用户的最大好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以被连接到USB 2.0的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。
所述电控系统4上设有外部软件接口和硬件接口，电控系统4可通过外部软件接口和硬件接口而与第三方设备形成集生产、测量、控制三位一体的无人值守全自动厚度生产系统。所述电控系统4中的测量厚度算法采用快速傅里叶分析与希尔伯特分析相结合的方式。所述电控系统4中设有人机交互界面，所述人机交互界面可通过与第三方设备的交互而实现自动控制功能。所述电控系统4可以与上位机连接而实现远程实时监控测量。本装置的上位机软件是整个系统核心部分，包括驱动控制、数据采集、数据处理、数据运算、光学参数分析、厚度算法人机界面等模块。人机交互界面是操作员与设备的对话窗口，友好的人机界面为操作人员提高工作效率与操作方便，本软件在人机界面设计上采用人性化的操作控件与操作方式，经过简单的培训即可上手。
实际操作使用时，通过人机交互界面对电控系统4进行操作，使用者通过输入相应参数，即可将电控系统4设置为自动测量模式，伺服驱动系统2将驱动探头系统3运动到相应位置，并对待测的薄膜进行光学扫描，扫描后的光信号通过光漏型集光器进行收集并传到电控系统4转换为电信号，通过相应的算法即可自动计算生成待测薄膜的厚度数据。本系统主要测量对象是针对分界面光滑、透明、半透明的100微米以下薄膜材料的厚度测量，可同时测量1～5层的不同材料的厚度，主要原理是对入射到交界面上的白光经薄膜相邻两表面的反射光φ1和φ2干涉后得到的反射率经光谱仪分析得出其光谱数据，经一定的算法得出薄膜的厚度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.在线白光干涉测厚仪，其特征在于：包括框架、伺服驱动系统、探头系统和电控系统，所述的伺服驱动系统横向安装在所述框架上部，所述伺服驱动系统上设有探头座，所述探头系统安装在探头座下方，所述的探头系统包括光源系统、光谱仪、光漏型集光器和冷却系统，所述光漏型集光器可在被测薄膜不平整或薄膜有振动的情况下将反射光线收集到所述光谱仪中。
2.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述框架采用超硬铝型材制作。
3.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述伺服驱动系统包括预压导轨、预压丝杆和伺服电机，所述预压导轨和预压高精度丝杆均横向安装在所述框架上部，所述伺服电机输出轴设有联轴装置，所述预压丝杆通过联轴装置与伺服电机连接，所述探头座滑动安装在预压导轨上，所述探头座可在预压丝杆的驱动下横向运动。
4.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述电控系统采用EtherCAT通讯网络与USB2.0通讯网络进行实时通讯以保证各部件正常运行及数据可靠传输，所述电控系统的现场位置值与逻辑控制采用EtherCAT通信以提高数据采集频率和测量分辨率，电控系统的光学参数通信采用USB2.0通信网络。
5.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述电控系统上设有外部软件接口和硬件接口，电控系统可通过外部软件接口和硬件接口而与第三方设备形成集生产、测量、控制三位一体的无人值守全自动厚度生产系统。
6.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述电控系统中的测量厚度算法采用快速傅里叶分析与希尔伯特分析相结合的方式。
7.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述电控系统中设有人机交互界面，所述人机交互界面可通过与第三方设备的交互而实现自动控制功能。
8.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述电控系统可以与上位机连接而实现远程实时监控测量。
9.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述光源系统采用宽光谱的卤素光源或白光LED光源。
10.根据权利要求1所述的在线白光干涉测厚仪，其特征在于：所述冷却系统采用风冷或气冷方式进行冷却。
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