CN209246953U - 一种全光谱薄膜厚度测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全光谱薄膜厚度测量仪，包括检测平台和检测系统，检测平台和检测系统之间通过Y型光纤和db9数据线进行连接，检测系统包括全光谱光谱仪、二维平台控制板、氘卤组合灯电源模块、风扇、步进电机驱动器和氘卤组合灯；氘卤组合灯电源模块位于全光谱光谱仪右侧；二维平台控制板和氘卤组合灯设置在氘卤组合灯电源模块和全光谱光谱仪之间，且氘卤组合灯位于二维平台控制板前侧；步进电机驱动器位于氘卤组合灯前侧；风扇位于步进电机驱动器前侧。本实用新型使用了氘卤组合灯为检测光源，这样光谱范围越宽测量的精度越高，结果会越准确；通过步进电机控制二维平台，使其可以在薄膜的不同位置进行连续测量，并以均值作为薄膜厚度测量的结果，测量结果准确。

Description

一种全光谱薄膜厚度测量仪

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，更具体的说，涉及一种全光谱薄膜厚度测量仪，并利用二维平台多点测量对测量结果筛选并取平均值使测量结果更加准确。

背景技术

薄膜厚度是否均匀一致是检测薄膜各项性能的基础。如果单层薄膜厚度不均匀，不但会对薄膜各处的拉伸强度、阻隔性等产生影响，对薄膜的后续加工影响更大。对于复合薄膜，厚度的均匀性更加重要，只有整体厚度均匀，每一层树脂的厚度才可能均匀。因此，薄膜的厚度是否均匀，是否与预设值一致，厚度偏差是否在指定的范围之内等这些都成为薄膜是否能够具有某些特性指标的前提。

现有的薄膜厚度测量有两种方法，一种是采用机械触针式轮廓仪进行测量，但是由于是和薄膜的接触式测量，触针很容易对薄膜表面造成伤害，而且不能对软膜进行测试，此外这种方法需要对薄膜进行二次加工，在膜上做出台阶露出基底后才能进行准确的测量；另一种是采用椭偏仪，正如申请号： 201310743478 .9公开的一种纳米薄膜的测量方法及装置采用拟合算法和迭代算法对数据进行处理，精确测量薄膜样品光学常数及厚度，该方法虽然简化了测量的复杂性，但由于测量时会根据测量薄膜的不同去微调反射镜的角度，人为地去调整反射镜的角度，很难将角度调整到刚刚好的位置，很小的角度偏差都会对光路产生影响，从而会影响到测量结果。

发明内容

本实用新型提供了一种通过步进电机控制二维平台移动薄膜样品位置从而快速对薄膜进行多点测量，提高测量结果准确率的全光谱薄膜厚度测量仪，以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种全光谱薄膜厚度测量仪，包括检测平台、以及与检测平台相连接的检测系统，其中：

检测平台包括支撑底座、二维平台、膜厚探头的支撑架和膜厚探头；所述二维平台通过支撑柱固定设置在支撑底座上，膜厚探头的支撑架设置在支撑底座上，且位于二维平台后侧；膜厚探头固定设置膜厚探头的支撑架上；

检测系统与检测平台之间通过光纤和数据线连接，该检测系统包括全光谱光谱仪、二维平台控制板、氘卤组合灯电源模块、风扇、步进电机驱动器和氘卤组合灯；所述氘卤组合灯电源模块位于全光谱光谱仪右侧；二维平台控制板和氘卤组合灯设置在氘卤组合灯电源模块和全光谱光谱仪之间，且氘卤组合灯位于二维平台控制板前侧；所述步进电机驱动器位于氘卤组合灯前侧；风扇位于步进电机驱动器前侧。

如此设置，氘卤组合灯发出的光通过Y型光纤进入到膜厚探头，膜厚探头将光平行出射在二维平台上的薄膜样品上，薄膜样品将光反射回来通过膜厚探头，经过Y型光纤的传导进入到全光谱光谱仪中，全光谱光谱仪将复合光分离开来，并采集光信号，将数据通过USB接口传输到计算机。计算机处理后接着通过USB发送指令到全光谱光谱仪，全光谱光谱仪通过串口通信发送指令给二维平台控制板，二维平台控制板处理完发送对应脉冲到二维平台，控制调整待测薄膜的位置，从而可以采集到待测薄膜不同位置的数据。

优选的，所述光纤采用Y型光纤。

优选的，所述氘卤组合灯发射光的波段为190-2500nm从紫外到可见到红外；所述氘卤组合灯上设有一个SMA接口用于连接Y型光纤；所述氘卤组合灯上贴有散热片。

如此设置，光源部分使用到的是氘卤组合灯，波段范围从190-2500nm，从紫外到可见到红外，几乎涵盖了整个光谱。该氘灯与卤素灯处于同一个光路中，避免了光纤耦合效率差的问题，为测量提供了稳定连续的输出光源，使得测量数据更加的准确、可靠。

优选的，所述二维平台包括第一驱动装置、第二驱动装置、X平台、Y平台和底板；所述X平台通过滑轨和底板，X平台和Y平台通过第二滑轨连接；第一驱动装置固定设置在底板，且和X平台连接；所述第二驱动装置固定设置在X平台，且Y平台。

特别的，所述第一驱动装置和第二驱动装置均采用高精度丝杆传动装置，并且采用步进电机作用动力的输入源。

如此设置，二维平台是通过二维平台控制板控制步进电机驱动器进而驱动步进电机对二维平台移动，从而改变测量薄膜样品的位置。由于步进电机步距值不受各种干扰因素的影响、误差不长期积累而且控制性能好，具有有较好的位置精度和运动的重复性，使得测量更为精准。

优选的，所述检测系统还包括壳体，所述全光谱光谱仪、二维平台控制板、氘卤组合灯电源模块、风扇、步进电机驱动器和氘卤组合灯均设置在壳体内侧。

优选的，所述数据线采用db9接头。

本实用新型与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

1）使用了氘卤组合灯作为检测光源，光谱范围很宽，光谱范围越宽，测量的精度越高，结果会越准确；

2）另外一点是加入了二维平台，通过步进电机控制二维平台，能根据需求对薄膜的不同位置进行测量，可以进行连续测量，以平均厚度作为薄膜厚度测量的结果，测量结果准确，工作效率高。

附图说明

图1为本实用新型实施例检测平台三维示意图；

图2为本实用新型实施例检测系统示意图；

图3为本实用新型实施例氘卤组合灯灯源光路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示 (诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

请参阅附图所示：一种全光谱薄膜厚度测量仪，包括检测平台1、以及与检测平台1相连接的检测系统2，其中：

检测平台1包括支撑底座11、二维平台12、膜厚探头的支撑架13和膜厚探头14；二维平台12通过支撑柱固定设置在支撑底座11上，膜厚探头的支撑架13设置在支撑底座11上，且位于二维平台12后侧；膜厚探头14固定设置膜厚探头的支撑架13上；

检测系统2与检测平台1之间通过光纤和数据线连接，该检测系统2包括全光谱光谱仪21、二维平台控制板22、氘卤组合灯电源模块23、风扇24、步进电机驱动器25和氘卤组合灯26；氘卤组合灯电源模块23位于全光谱光谱仪21右侧；二维平台控制板22和氘卤组合灯26设置在氘卤组合灯电源模块23和全光谱光谱仪21之间，且氘卤组合灯26位于二维平台控制板22前侧；步进电机驱动器25位于氘卤组合灯26前侧；风扇24位于步进电机驱动器25前侧。

具体的氘卤组合灯电源模块23与氘卤组合灯26电路连接用于为氘卤组合灯26提供电源，氘卤组合灯电源模块23与风扇24相连用于将检测系统2中电子元件所产生的热量及时排出，以保护检测系统2正常运行和提高元件使用寿命，其中用于发射光线的氘卤组合灯26上贴有散热片，用于将氘卤组合灯26所产生的热量及时排出，并且散热片可以采用铝片散热器、石墨烯散热片或水冷片中的一种；另外氘卤组合灯26出光口是一个SMA接口3方便光纤的安装拆卸，与Y型光纤一端连接，Y型光纤的另一端与膜厚探头14相连，Y型光纤剩下的一端与全光谱光谱仪21连接；全光谱光谱仪21上设有有两个接口，一个是打印接口和一个排线接口。全光谱光谱仪21还通过USB接口和计算机连接用于与计算机进行数据交互，全光谱光谱仪21通过排线接口与二维平台控制板22连接用于向二维平台控制板22发送脉冲指令；接收到脉冲指令后二维平台控制板22处理后向步进电机驱动器发送调整脉冲数据指令驱动X轴的步进电机2和Y轴的步进电机进行位置自动调整。

进一步地，所述二维平台12包括第一驱动装置121、第二驱动装置122、X平台123、Y平台124和底板125；所述X平台通过滑轨和底板，X平台和Y平台通过第二滑轨连接；第一驱动装置固定设置在底板，且和X平台连接；所述第二驱动装置固定设置在X平台，且Y平台。

综上所述，本实用新型工作原理如下：请参阅附图1-3所示，氘卤组合灯26发出的光通过Y型光纤进入到膜厚探头14，膜厚探头14将光平行出射在二维平台12上的薄膜样品上，薄膜样品将光反射回来通过膜厚探头14，经过Y型光纤的传导进入到全光谱光谱仪21中，全光谱光谱仪21将复合光分离开来，并采集光信号，将数据传输到计算机进行处理并存储。需要调整位置时计算机通过USB发送指令到全光谱光谱仪21，全光谱光谱仪21通过串口通信发送指令给二维平台控制板22，二维平台控制板22处理完发送对应脉冲到步进电机驱动器，步进电机驱动器再发送模拟信号到X轴的步进电机和Y轴的步进电机控制待测薄膜的位置，从而可以采集到待测薄膜不同位置的数据。计算机通过测试得到待测薄膜的全光谱的反射率测量值，然后进行分析，采用拟合算法和迭代算法对数据进行处理，采集到的数据越多，测量结果越准确，从而可以精确测量薄膜样品的光学常数及厚度。

综述使用了氘卤组合灯作为检测光源，光谱范围很宽，光谱范围越宽，测量的精度越高，结果会越准确。另外一点是加入了二维平台，通过步进电机控制二维平台，能根据需求对薄膜的不同位置进行测量，可以进行连续测量，以平均厚度作为薄膜厚度测量的结果，测量结果准确，工作效率高，适合推广使用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本实用新型申请待批权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全光谱薄膜厚度测量仪，其特征在于，包括检测平台、以及与检测平台相连接的检测系统，其中：

检测平台包括支撑底座、二维平台、膜厚探头的支撑架和膜厚探头；所述二维平台通过支撑柱固定设置在支撑底座上，膜厚探头的支撑架设置在支撑底座上，且位于二维平台后侧；膜厚探头固定设置膜厚探头的支撑架上；

检测系统与检测平台之间通过光纤和数据线连接，该检测系统包括全光谱光谱仪、二维平台控制板、氘卤组合灯电源模块、风扇、步进电机驱动器和氘卤组合灯；所述氘卤组合灯电源模块位于全光谱光谱仪右侧；二维平台控制板和氘卤组合灯设置在氘卤组合灯电源模块和全光谱光谱仪之间，且氘卤组合灯位于二维平台控制板前侧；所述步进电机驱动器位于氘卤组合灯前侧；风扇位于步进电机驱动器前侧。

2.根据权利要求1所述的一种全光谱薄膜厚度测量仪，其特征在于，所述光纤采用Y型光纤。

3.根据权利要求1所述的一种全光谱薄膜厚度测量仪，其特征在于，所述氘卤组合灯发射光的波段为190-2500nm从紫外到可见到红外；所述氘卤组合灯上设有一个SMA接口用于连接Y型光纤；所述氘卤组合灯上贴有散热片。

4.根据权利要求1所述的一种全光谱薄膜厚度测量仪，其特征在于，所述二维平台包括第一驱动装置、第二驱动装置、X平台、Y平台和底板；所述X平台通过滑轨和底板，X平台和Y平台通过第二滑轨连接；第一驱动装置固定设置在底板，且和X平台连接；所述第二驱动装置固定设置在X平台，且Y平台。

5.根据权利要求4所述的一种全光谱薄膜厚度测量仪，其特征在于，所述第一驱动装置和第二驱动装置均采用高精度丝杆传动装置，并且采用步进电机作用动力的输入源。

6.根据权利要求1所述的一种全光谱薄膜厚度测量仪，其特征在于，所述检测系统还包括壳体，所述全光谱光谱仪、二维平台控制板、氘卤组合灯电源模块、风扇、步进电机驱动器和氘卤组合灯均设置在壳体内侧。

7.根据权利要求1所述的一种全光谱薄膜厚度测量仪，其特征在于，所述数据线采用db9接头。