CN218469785U - 一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置 - Google Patents

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刘钧
戴霖
陈旺
张文浩
黄进
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Abstract

本实用新型是一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，包括光学隔振平台，所述光学隔振平台上竖向连接有光学升降柱，所述光学升降柱上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块，所述夹持式固定滑块上设置有光谱共焦探头，所述光谱共焦探头下方的光学隔振平台上用于放置多层透明被测物，使得光谱共焦探头发出的测量光束聚焦至多层透明被测物上进行测厚。本实用新型仅需单个光谱共焦探头照射在多层透明材料的表面上，即可测量出照射区域内透明材料各层的厚度，操作简单，极大地提高了测厚效率，并能保证测厚精度，通过可调节的探头固定座以及夹持式固定滑块可以在同台设备上实现多种型号的光谱共焦探头的测量，具备通用性与实用性。

Description

一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置
技术领域
本实用新型涉及精密测量及传感技术领域，具体涉及一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置。
背景技术
光谱共焦位移传感器被广泛用于工业自动化领域的距离测量、厚度测量等，典型应用如晶圆测高、玻璃测厚、膜层测厚等。光谱共焦位移传感器具备高速、高精度、非接触的优良特点，与激光三角法位移传感器相比，光谱共焦位移传感器不仅能测距，而且能对透明材料测厚，加上光学探头不发热等优点，因此环境适应性更强、使用范围更广。
目前基于光谱共焦原理的单个光谱共焦传感器，能实现单层透明材料厚度的精密测量，但对于多层透明材料厚度的精密测量仍是业界的一个难题。由于被测物存在一定的折射率，从色散透镜组发出的光线经过被测物时会产生折射现象，进而导致光线发生偏折。在厚度测量过程中，若不考虑这一影响，直接将聚焦于被测物上下表面的两个不同波长的光线所对应的距离相减得到被测物厚度，必然会产生较大的测量误差。不同波长的光线对同一材料而言，折射率会有所差异，绝大多数材料的折射率会随着光波长的变化而变化，波长越长，折射率越小，忽略该因素会导致高精密测量过程中产生不可忽略的测量误差。
此外，由于光谱共焦位移传感器外形多样、量程多种，测厚安装装置上需适配不同型号的光谱共焦位移传感器，因此要求测厚安装装置具有良好的通用性与适应性。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，仅通过单个光谱共焦探头照射在待测的多层透明被测物上，即可一次性测量出透明材料的各层材料厚度，不仅可以显著提升测量效率，而且能够有效确保测量精度，给多层透明材料的生产与检测带来了极大的便利。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：
一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，包括光学隔振平台，所述光学隔振平台上竖向连接有光学升降柱，所述光学升降柱上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块，所述夹持式固定滑块上设置有光谱共焦探头，所述光谱共焦探头下方的光学隔振平台上用于放置多层透明被测物，使得光谱共焦探头发出的测量光束聚焦至多层透明被测物上进行测厚。
进一步的，在所述光谱共焦探头与夹持式固定滑块之间连接有微调精密平台，所述微调精密平台上分别设有探头Z轴平移微调旋钮、探头X轴平移微调旋钮和探头R轴旋转微调旋钮，分别用于微调光谱共焦探头的Z轴方向平移、X轴方向平移、绕R轴旋转的角度，其中，R轴位于Z轴与X轴的交汇处且相互垂直，从而精准调节光谱共焦探头测量光束的聚焦焦点位置。
进一步的，在所述光谱共焦探头与微调精密平台之间设有探头固定座，所述光谱共焦探头固定在探头固定座上，探头固定座连接在微调精密平台上，便于换装不同型号大小的光谱共焦探头。
进一步的，所述光谱共焦探头的光信号输入端通过光纤跳线连接光谱共焦控制器，用于向光谱共焦探头发出光束。
进一步的，所述光谱共焦控制器通过有线或无线通信网络连接上位机，用于通过上位机观察光谱图像并将测量数据上传至上位机处理显示。
本实用新型的有益效果是:
本实用新型仅需单个光谱共焦探头照射在多层透明材料的表面上，即可测量出照射区域内透明材料各层的厚度，操作简单，极大地提高了测厚效率，并能保证测厚精度，此外，通过可调节的探头固定座以及夹持式固定滑块可以在同台设备上实现多种型号的光谱共焦探头的测量，具备通用性与实用性。
附图说明
图1是本实用新型的装置结构示意图；
图2是本实用新型的单层透明材料厚度测量示意图；
图3是实用新型的多层透明材料厚度测量示意图；
图4是实用新型的多层透明材料测量光谱图像示意图；
图5是实用新型的多层透明材料厚度测量流程图。
图中标号说明：1、多层透明被测物，2、光谱共焦探头，3、探头固定座，4、探头Z轴平移微调旋钮，5、探头X轴平移微调旋钮，6、光学升降柱，7、夹持式固定滑块，8、探头R轴旋转微调旋钮，9、光学隔振平台，10、光纤跳线，11、光谱共焦控制器，12、上位机，13、微调精密平台。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
如图1所示，一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，包括光学隔振平台9，所述光学隔振平台9上竖向连接有光学升降柱6，所述光学升降柱6上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块7，所述夹持式固定滑块7上设置有光谱共焦探头2，所述光谱共焦探头2下方的光学隔振平台9上用于放置多层透明被测物1，使得光谱共焦探头2发出的测量光束聚焦至多层透明被测物1上进行测厚。
在所述光谱共焦探头2与夹持式固定滑块7之间连接有微调精密平台13，所述微调精密平台13上分别设有探头Z轴平移微调旋钮4、探头X轴平移微调旋钮5和探头R轴旋转微调旋钮8，分别用于微调光谱共焦探头2的Z轴方向平移、X轴方向平移、绕R轴旋转的角度，其中，R轴位于Z轴与X轴的交汇处且相互垂直，从而精准调节光谱共焦探头2测量光束的聚焦焦点位置，在本实施例中，微调精密平台13可采用PVC1510型号的X、Z向调整台并整装LZ-1型号的R轴旋转调整台。
在所述光谱共焦探头2与微调精密平台13之间设有探头固定座3，所述光谱共焦探头2固定在探头固定座3上，探头固定座3连接在微调精密平台13上，便于换装不同型号大小的光谱共焦探头2。
所述光谱共焦探头2的光信号输入端通过光纤跳线10连接光谱共焦控制器11，用于向光谱共焦探头2发出光束。
所述光谱共焦控制器11通过有线或无线通信网络连接上位机12，用于通过上位机12观察光谱图像并将测量数据上传至上位机12处理显示。
如图5所示，在测厚时，具体过程如下：
首先把选定的光谱共焦探头2安装于探头固定座3上，通过光纤跳线10连接到光谱共焦控制器11，光谱共焦控制器11与上位机12相连接；
将多层透明被测物1放置在光学隔振平台9上，调节夹持式固定滑块7（粗调Z轴方向，即竖向高度）、探头Z轴平移微调旋钮4（精调Z轴方向）、探头X轴平移微调旋钮5、探头R轴旋转微调旋钮8，使多层透明被测物1位于光谱共焦探头2的量程零点位置；
通过上位机12观察多层透明被测物1反射回来的光谱图像，且使光谱图像上显示的峰数目比多层透明被测物1的层数多1，并确保光谱图像上的峰均在光谱共焦探头2的量程范围内；
通过光谱共焦控制器11对反射的信号进行提取、分析、运算，得到第1个峰和第2个峰所在的位置，并算出第1个峰所对应的距离、第2个峰所对应的距离；在求出第1个峰的距离、第2个峰的距离后，依据多层透明被测物1中的单层透明材料的厚度表达式，求出多层透明被测物1中的第1层的厚度值；在计算出第1层的厚度值后，根据多层透明材料的厚度表达式，按顺序依次迭代求出多层透明被测物1的第2层、第3层……第n层的厚度，并且迭代时，判断当前是否是最后一层的厚度计算，如果不是，则继续迭代计算；多层透明被测物1的各层厚度测量结束，将多层透明被测物1的各层厚度值发往上位机12。
如图2所示，由于透明被测物存在一定的折射率，从色散透镜组发出的光线经过透明被测物时会产生折射现象，进而导致光线发生偏折，在厚度测量过程中，若不考虑这一影响，直接将聚焦于被测物上下表面的两个不同波长的光线所对应的距离相减得到被测物厚度，必然会产生较大的测量误差，在本实施例中，聚焦于透明被测物上下表面的光线所对应的波长分别为
Figure 287909DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 897882DEST_PATH_IMAGE004
，其中波长为
Figure 192597DEST_PATH_IMAGE004
的光线在上表面发生折射，入射角和折射角分别为
Figure 229823DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 180461DEST_PATH_IMAGE008
，当不存在透明材料时，波长为
Figure 859704DEST_PATH_IMAGE004
的光线的聚焦位置位于O2点，而实际上由于折射会使其聚焦于O3点处，所述多层透明被测物1中的单层透明材料的厚度表达式为：
Figure 743347DEST_PATH_IMAGE010
，式中，
Figure 420316DEST_PATH_IMAGE012
由聚焦光波长为
Figure 654988DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 606764DEST_PATH_IMAGE004
的光线所对应的距离测量值相减得到，对应于光谱图像中第1个峰与第2个峰对应的距离测量值相减，作为入射角的色散透镜组的像方孔径角
Figure DEST_PATH_IMAGE013
与对应聚焦光波长
Figure 347842DEST_PATH_IMAGE004
之间的关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，其中，a、b、c为三个系数，由光谱共焦探头2的设计光学参数确定；
依据光学系统的折射率-波长经验关系Sellmeier等式：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，式中，n为折射率，λ为波长，Ai和Bi均为Sellmeier系数，Sellmeier系数通过查找相应资料库得到或借助已知测量数据进行标定计算求得；
结合测得的单层透明材料上下表面的两个距离值，计算出单层透明材料厚度d。
如图3所示，是一个普适的多层测厚模型，即考虑各种不同材料不同厚度的n层测厚方式，所述多层透明被测物1的厚度值测量模型建立在单层厚度测量的基础之上，依据Snell折射定律和几何关系，针对图3所示模型（两层不同透明材料），
可得出关系式（1）：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
求解得到关系式（2）：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
设第i层（i>2）的透明材料厚度为di，则有关系式（3）：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，
求解得出多层透明被测物1的厚度值表达式：
Figure 117084DEST_PATH_IMAGE025
Figure 573473DEST_PATH_IMAGE027
，式中，di为多层透明被测物1的第i层的厚度，
Figure 532202DEST_PATH_IMAGE029
为波长为
Figure 390436DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 471525DEST_PATH_IMAGE004
的光线所对应的距离测量值相减得到，对应于光谱图像中第1个峰和第2个峰的距离测量值，
Figure 618472DEST_PATH_IMAGE031
为波长
Figure 912050DEST_PATH_IMAGE002
汇聚光束最大入射角，ni表示第i层透明被测物的折射率。
如图4所示，多层透明材料厚度测量时，通过上位机12能观察光谱图像上显示的峰数目比材料层数多1，且所有峰均在光谱共焦探头2量程范围内，图中显示的为4层透明材料反射的光谱图像，光谱图像上观察到的峰数目为5个。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，包括光学隔振平台（9），所述光学隔振平台（9）上竖向连接有光学升降柱（6），所述光学升降柱（6）上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块（7），所述夹持式固定滑块（7）上设置有光谱共焦探头（2），所述光谱共焦探头（2）下方的光学隔振平台（9）上用于放置多层透明被测物（1），使得光谱共焦探头（2）发出的测量光束聚焦至多层透明被测物（1）上进行测厚。
2.根据权利要求1所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，在所述光谱共焦探头（2）与夹持式固定滑块（7）之间连接有微调精密平台（13），所述微调精密平台（13）上分别设有探头Z轴平移微调旋钮（4）、探头X轴平移微调旋钮（5）和探头R轴旋转微调旋钮（8），分别用于微调光谱共焦探头（2）的Z轴方向平移、X轴方向平移、绕R轴旋转的角度，其中，R轴位于Z轴与X轴的交汇处且相互垂直，从而精准调节光谱共焦探头（2）测量光束的聚焦焦点位置。
3.根据权利要求2所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，在所述光谱共焦探头（2）与微调精密平台（13）之间设有探头固定座（3），所述光谱共焦探头（2）固定在探头固定座（3）上，探头固定座（3）连接在微调精密平台（13）上，便于换装不同型号大小的光谱共焦探头（2）。
4.根据权利要求3所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，所述光谱共焦探头（2）的光信号输入端通过光纤跳线（10）连接光谱共焦控制器（11），用于向光谱共焦探头（2）发出光束。
5.根据权利要求4所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，所述光谱共焦控制器（11）通过有线或无线通信网络连接上位机（12），用于通过上位机（12）观察光谱图像并将测量数据上传至上位机（12）处理显示。
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CN117704977A (zh) * 2023-12-06 2024-03-15 苏州创视智能技术有限公司 一种基于线光谱共焦技术的透明平板二维测厚系统及方法

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