CN111189397A - 一种透明薄膜厚度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明薄膜厚度测量装置，包括：平行光管、圆盘载物台、望远镜系统、CCD、上位机和待测样品；所述平行光管与所述望远镜系统关于所述圆盘载物台的圆心对称设置；所述望远镜系统垂直于所述CCD的接收面设置；所述CCD与上位机连接；所述待测样品放置在所述圆盘载物台的直径上，且垂直于所述圆盘载物台。本发明公开提供了一种透明薄膜厚度测量装置及方法，能够快速高效的得到镀膜厚度，从而可以控制某些波长的反射光在上下界面的干涉相消或干涉相长；进一步获得高精度的镀膜厚度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，更具体的说是涉及一种透明薄膜厚度测量装置及方法。
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。在镀膜的过程中，适当控制膜层的厚度可以控制某些波长的反射光在上下界面的干涉相消或干涉相长。因此，在镀膜的过程中，膜层厚度的实时测量和控制非常重要。
然而，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。
因此，如何提供一种测量高效，高精度的薄膜厚度测量装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种透明薄膜厚度测量装置及方法，能够快速高效的得到镀膜厚度，从而可以控制某些波长的反射光在上下界面的干涉相消或干涉相长；进一步获得高精度的镀膜厚度的测量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种透明薄膜厚度测量装置，包括：平行光管、圆盘载物台、望远镜系统、CCD、上位机和待测样品；所述平行光管与所述望远镜系统关于所述圆盘载物台的圆心对称设置；所述望远镜系统的主轴正对所述CCD的接收面设置；所述CCD与上位机连接；所述待测样品放置在所述圆盘载物台的直径上，且垂直于所述圆盘载物台。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：能够快速高效的得到镀膜厚度，从而可以控制某些波长的反射光在上下界面的干涉相消或干涉相长；进一步获得高精度的镀膜厚度的测量。
优选的，在上述的一种透明薄膜厚度测量装置中，所述圆盘载物台的边缘均设置有刻度，所述刻度最小为分。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：刻度的设置能够清楚的了解到入射角的度数，而且针对薄膜跟基底的折射率比较接近的情况，容易获得新的入射角度数。
优选的，在上述的一种透明薄膜厚度测量装置中，钠灯通过所述平行光管发射平行的钠黄光。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：大多数物质相对于钠黄光的折射率是已知的；但是钠黄光的光方向性不好，所以要用带狭缝的平行光管产生平行光。
优选的，在上述的一种透明薄膜厚度测量装置中，所述待测样品为镀膜样品，所述镀膜样品放置在所述圆盘载物台的中心处。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：便于观察到细锐的狭缝的像，记录此时狭缝像的位置。
优选的，在上述的一种透明薄膜厚度测量装置中，所述CCD放置在三维调整支架上。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：通过三维调整支架使CCD的接收面能够接收到望远镜系统的入射光，进一步提高测量精度。
一种透明薄膜厚度测量方法，具体步骤包括：
步骤一：调整载物台水平；
步骤二：望远镜系统自准直；
步骤三：调整平行光管，使平行光管发出的主轴和望远镜系统在一条线上；确定入射角的大小；
步骤四：在望远镜系统中观察清晰细锐的狭缝的图像；需要调整望远镜系统的位置，所以为了保证能够得到狭缝的图像，CCD接收面要足够大。
步骤五：利用三维调整架调整CCD接收面垂直于望远镜系统的主轴(CCD上看到望远镜系统观察到的细锐的狭缝像即可)；在所述圆盘载物台上未放置待测样品时，调整望远镜系统的位置，固定好CCD，并记录此时狭缝像在CCD上的位置L0；
步骤六：将镀膜样品摆放在圆盘载物台上，镀膜面朝向平行光管方向；调整望远镜系统的位置，在CCD上观察到细锐的狭缝的像，记录狭缝像的位置L；步骤七：计算出L和L0之间的距离LL0；
步骤八：计算膜层厚度d1或膜层折射率n1。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：通过获取未放置待测样品和放置镀膜样品在CCD接收面上的像，获得平行光未通过待测样品和通过待测样品的两个出射光的位置的间距LL0，将LL0，镀膜基底的厚度d和折射率n，以及入射光线入射角代入计算公式中，最后剩下变量膜层厚度d1和膜层折射率n1；知道镀膜厚度和膜层折射率之一，即可得到另一个量。
优选的，在上述的一种透明薄膜厚度测量方法中，所述步骤三中，放置镀膜样品和未放置镀膜样品在所述圆盘载物台上，所述入射角的大小相同，且所述入射角为30°。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：入射角为30°，为了避免全反射；放置镀膜样品和未放置镀膜样品的入射角的大小相同，保证两次测量中只有膜的厚度或的膜层折射率为变量，进一步提高测量精度。
优选的，在上述的一种透明薄膜厚度测量方法中，所述步骤五和步骤六中，CCD的位置不变，望远镜系统的位置根据实际情况进行调整，当CCD的接收面上无法得到清晰的狭缝，适当调整望远镜系统的位置。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：提供测量精度。
优选的，在上述的一种透明薄膜厚度测量方法中，所述步骤七中，当L和L0之间的距离LL0较小时，顺时针转动圆盘载物台，新的入射角＝转动的角度+30°。
通过上述的技术方案，本发明的技术效果在于：针对L和L0之间的距离LL0较小，换言之，薄膜的折射率与基底的折射率接近时，通过调整入射角的度数，获得更加精细的L和L0之间的距离LL0，进一步提高测量精度。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种透明薄膜厚度测量装置及方法，能够快速高效的得到镀膜厚度，从而可以控制某些波长的反射光在上下界面的干涉相消或干涉相长；进一步获得高精度的镀膜厚度的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明的结构俯视图；
图2附图为本发明的光路图；
图3附图为本发明的CCD的接受面的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例公开了一种透明薄膜厚度测量装置及方法，能够快速高效的得到镀膜厚度，从而可以控制某些波长的反射光在上下界面的干涉相消或干涉相长；进一步获得高精度的镀膜厚度的测量。
如图1所示，一种透明薄膜厚度测量装置，包括：平行光管1、圆盘载物台2、望远镜系统3、CCD4、上位机和待测样品5；平行光管1与望远镜系统3关于圆盘载物台2的圆心对称设置；望远镜系统3正对CCD4的接收面设置，保证望远镜系统3的出射光能够落在CCD4的接收面上；CCD4与上位机连接；待测样品5放置在圆盘载物台2的直径上，且垂直于圆盘载物台2。
为了进一步优化上述技术方案，在上位机上搭载可视化软件，当获得CCD上的位置差，入射角，再得到膜层的折射率或镀膜厚度之一，即可知道另一个量，大大提高了测量效率。
进一步，在载物台上标好AB线和CD线。AB线为垂直于入射光的圆盘载物台2的直径，CD线为与AB线成30度角的圆盘载物台2直径。在测量的过程中，调节平行光管1，使入射光线沿着垂直于AB线的方向入射，然后将待测量的样品的表面沿CD线方向摆放。这样就保证了入射光线将以30度角入射到待测样品5上。
为了进一步优化上述技术方案，圆盘载物台2的边缘均设置有刻度，刻度最小为分。
为了进一步优化上述技术方案，钠灯通过平行光管1发射出平行的钠黄光。
为了进一步优化上述技术方案，待测样品5为镀膜样品，镀膜样品放置在圆盘载物台2的中心处。
为了进一步优化上述技术方案，CCD4放置在三维调整支架上。
进一步，如图2所示，只有一层镀膜，且膜的折射率大于基底时(即n1>n)情况分析，包括2条光路分别是有镀膜样本时的出射光(实线)和未放置镀膜样本时的出射光线(虚线)；虚线为未放置镀膜样品的出射光线，实线为有膜时光线进入透明膜和透明基底后的光线。两种情况下的入射光线入射到样品上的入射角一致，可取i0＝30°(或45°)。另外，n1＞n。放置和未放置镀膜样本的两种情况下，光线进入折射率为n的介质和进入空气后方向应该是一致的，出射点分别为X0，X。出射光线由连接上位机的CCD4接收。用CCD4标定X0，X的位置，然后测出X0，X之间的距离。
注意：CCD4的型号取决于测试精度。测试的薄膜厚度越薄，则要求CCD4精度越高。另外，如果要测量的薄膜其折射率与基底折射率相比，相差越少，则同样要求CCD4的精度越高。所以，最终选择什么样精度的CCD4取决于实际应用。
一种透明薄膜厚度测量方法，具体步骤包括：
步骤一：调整载物台水平；
步骤二：望远镜系统3自准直；
步骤三：调整平行光管1，使平行光管1的主轴和望远镜系统3在一条线上；确定入射角的大小；
步骤四：在望远镜系统3中观察清晰细锐的狭缝的图像；
步骤五：利用三维调整架调整CCD4接收面垂直于望远镜系统3的出射光；在圆盘载物台2上未放置待测样品时，调整望远镜系统的位置，固定好CCD，并记录此时狭缝像在CCD上的位置L0；
步骤六：将镀膜样品摆放在圆盘载物台2CD线上，镀膜面朝向平行光管1方向；微调望远镜系统3的位置，在CCD4上观察到细锐的狭缝的像，记录狭缝像的位置L；
步骤七：计算出L和L0之间的距离LL0；
步骤八：计算膜层厚度d1或膜层折射率n1。
为了进一步优化上述技术方案，步骤三中，放置镀膜样品和未放置镀膜样品在圆盘载物台2上，入射角的大小相同，且入射角为30°。
为了进一步优化上述技术方案，步骤五和步骤六中，CCD4的位置不变。
为了进一步优化上述技术方案，步骤七中，当L和L0之间的距离LL0较小时，顺时针转动圆盘载物台2，新的入射角＝转动的角度+30°
计算原理：钠黄光以30度入射角入射，并且整套装置置于空气中的情况，透明基底的折射率为n，厚度为d，膜的折射率为n1，厚度为d1，且n1>n。未放置镀膜样品时，光线直接入射到CCD4上的位置为L0，光线入射到镀膜样品后，出射光线入射到CCD4上的位置为L。过样品表面入射点的法线设为Y轴，样品的后表面和入射面的垂线为X轴。未放置镀膜样品的入射光线与X轴交于X0，镀膜样品，入射光线与X轴交于X。从平行光管1出来的光线以30度入射角入射到镀膜样品上，在膜层中，入射光线的折射角为i1，在透明基底中，光线的折射角为i。则有：
OX0＝(d1+d)tg30°
OX＝d1tgi1+dtgi
利用以上四式，就可以得到：
则，CCD4上观察到的未放置镀膜样品的入射光和放置镀膜样品的入射光之间的距离LL0和XX0之间的关系为：
上述公式选取的光线入射角是30°，根据实际情况，也可以选取别的入射角度，比如45°，选取的入射光是钠黄光。
因此，只要知道初始光线入射角(本实施例为30°)，基底的厚度d和折射率n，再用该装置测量出放置镀膜样品和未放置镀膜样品，从平行光管1出射的光线入射到CCD4上的位置差，即L0与L之间的距离。则只要知道镀膜层的折射率，就可以间接测量出膜层的厚度。
当膜层折射率与基底折射率接近时，选取高精度的CCD4或增大入射角，调整上述AB线与CD线之间的夹角大小，根据边缘刻度可直接获得新的入射角，根据上述过程进行计算，此处不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种透明薄膜厚度测量装置，其特征在于，包括：平行光管、圆盘载物台、望远镜系统、CCD、上位机和待测样品；所述平行光管与所述望远镜系统关于所述圆盘载物台的圆心对称设置；所述望远镜系统正对所述CCD的接收面设置；所述CCD与上位机连接；所述待测样品放置在所述圆盘载物台的直径上，且垂直于所述圆盘载物台。
2.根据权利要求1所述的一种透明薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述圆盘载物台的边缘均设置有刻度，所述刻度最小为分。
3.根据权利要求1所述的一种透明薄膜厚度测量装置，其特征在于，钠灯通过所述平行光管发射平行的钠黄光。
4.根据权利要求1所述的一种透明薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述待测样品为镀膜样品，所述镀膜样品放置在所述圆盘载物台的中心处。
5.根据权利要求1所述的一种透明薄膜厚度测量装置，其特征在于，所述CCD放置在三维调整支架上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种透明薄膜厚度测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤一：调整载物台水平；
步骤二：望远镜系统自准直；
步骤三：调整平行光管，使平行光管的主轴和望远镜系统在一条线上；确定入射角的大小；
步骤四：在望远镜系统中观察清晰细锐的狭缝图像；
步骤五：利用三维调整架调整CCD接收面垂直于望远镜系统的入射光；在所述圆盘载物台上未放置待测样品时，调整望远镜系统的位置，固定好CCD，并记录此时狭缝像在CCD上的位置L0；
步骤六：将镀膜样品摆放在圆盘载物台上，镀膜面朝向平行光管方向；微调望远镜系统的位置，在CCD上观察到细锐的狭缝的像，记录狭缝像的位置L；
步骤七：计算出L和L0之间的距离LL0；
步骤八：计算膜层厚度d1或膜层折射率n1。
7.根据权利要求6所述的一种透明薄膜厚度测量方法，其特征在于，所述步骤三中，放置镀膜样品和未放置镀膜样品在所述圆盘载物台上，所述入射角的大小相同，且所述入射角为30°。
8.根据权利要求6所述的一种透明薄膜厚度测量方法，其特征在于，所述步骤五和所述步骤六中，所述CCD的位置不变。
9.根据权利要求6所述的一种透明薄膜厚度测量方法，其特征在于，所述步骤七中，当L和L0之间的距离LL0较小时，顺时针转动圆盘载物台，新的入射角＝转动的角度+30°。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200522 |