RU2304759C1 - Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок - Google Patents
Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок Download PDFInfo
- Publication number
- RU2304759C1 RU2304759C1 RU2005134709/28A RU2005134709A RU2304759C1 RU 2304759 C1 RU2304759 C1 RU 2304759C1 RU 2005134709/28 A RU2005134709/28 A RU 2005134709/28A RU 2005134709 A RU2005134709 A RU 2005134709A RU 2304759 C1 RU2304759 C1 RU 2304759C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thickness
- film
- measuring
- wavelengths
- remote
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения и контроля толщины тонких пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п. Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала путем облучения поверхности оптическим излучением на трех длинах волн зондирования λ1, λ2, λ3, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определения толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, отличающийся тем, что указанные длины волн λ1, λ2, λ3 выбирают так, чтобы λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства , где n2 - показатель преломления тонкой пленки. Технический результат заключается в уменьшении числа волн зондирования и в увеличении диапазона измеряемых величин толщины пленки. 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного контроля толщины пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п.
Известны способы измерения толщины пленки на поверхности материала [1-4], заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, регистрируют отраженный от поверхности сигнал, измеряют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны и определяют толщину пленки по результатам вычисления расстояния между экстремумами, числа экстремумов или параметров аппроксимации кривой зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны в диапазоне перестройки.
Наиболее близким к предлагаемому являются способы измерения толщины пленки на поверхности материала [3, 4], заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, перестраивают длину волны излучения, падающего на поверхность пленки, регистрируют отраженный от поверхности сигнал, измеряют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны и определяют толщину пленки по результатам вычисления параметров аппроксимации кривой зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны в диапазоне перестройки.
Недостатком этих способов является необходимость проведения измерений в большом числе спектральных каналов (т.е. измерений, при которых, например, источник излучает, а приемник регистрирует излучение на нескольких десятков волн зондирования).
Избежать этого недостатка в случае тонких пленок (когда пропускание пленки мало отличается от единицы) можно тем, что согласно способу измерения толщины пленки на поверхности материала, включающему облучение поверхности оптическим излучением, регистрацию отраженного от поверхности сигнала с последующим анализом зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, характеризующей толщину пленки, для облучения поверхности используют три близко расположенные друг к другу длины волны зондирования и определяют толщину пленки по результатам измерения отраженного от поверхности сигнала на этих трех длинах волн.
Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".
Указанные признаки неизвестны в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ можно реализовать с помощью устройства, содержащего источник излучения 1, направляющего излучение трех близко расположенных друг к другу длин волн зондирования на поверхность; фотоприемник 2 для регистрации излучения на трех длинах волн; блок обработки 3 для определения по результатам измерения отраженного от поверхности сигнала на трех длинах волн зондирования толщины пленки 4 на поверхности материала подложки 5 (см. фиг.1).
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1 на каждой из длин волн зондирования λ1, λ2, λ3 отражается поверхностью материала пленки 4 (толщиной d) и подложки 5, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок обработки 3 для определения по результатам измерения величины d.
Длины волн зондирования λ1, λ2, λ3 выбираются так, чтобы они были близки друг к другу, причем λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, Δλ≪λ2.
Фотоприемник 2 регистрирует мощности излучения P(λ1), P(λ2), P(λ3) на трех длинах волн зондирования. Каждая из этих мощностей может быть представлена в виде (см., например, [5]):
P(λ)=ARref(λ,d)
где:
Rref(λ, d) - коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки», зависящий от длины волны зондирования λ и толщины пленки d;
А - величина, зависящая от параметров источника излучения, приемника, расстояния до поверхности, неровностей зондируемой поверхности (для зондирования, например, взволнованной морской поверхности) и слабо (по сравнению с множителем Rref(λ,d)) изменяющаяся с изменением длины волны излучения (так, что если длины волн излучения λ1 и λ2 близки, то А(λ1)≅А(λ2)).
Величина А во многих случаях точно неизвестна и часто даже является случайной (например, при зондировании взволнованной морской поверхности число отражающих площадок на морской поверхности в поле зрения приемника и их наклоны являются случайными).
Чтобы устранить влияние на результаты измерения случайных изменений мощности лазерных источников и неопределенности величин А, в блоке обработки 3 проводятся последовательно следующие процедуры:
- мощности P(λ1),P(λ2),P(λ3) нормируются на мощности PS(λ1), PS(λ2), PS(λ3), излучаемые источником лазерного локатора на длинах волн λ1, λ2, λ3:
- вычисляются следующие относительные величины: и (для упрощения описания метода считается, что длительности зондирующих импульсов и расходимость излучения локатора одинаковы для всех длин волн зондирования; если это не так, то различия могут быть учтены при обработке принимаемых лазерных локационных сигналов).
После описанных процедур обработки величины В1 и В2 с высокой степенью точности представляют собой отношение коэффициентов отражения поверхности на длинах волн λ1, λ2 и λ3, λ2 соответственно и определяются для тонких пленок следующим образом (см., например, [6]):
где:
r12(λ),r23(λ) - коэффициенты отражения на границах «воздух - материал пленки» и «материал пленки - материал подложки», зависящие от длины волны λ и показателей преломления и поглощения сред и не зависящие от толщины пленки d (индексы 1, 2, 3 относятся соответственно к воздуху, материалу пленки и материалу подложки).
В принципе каждое из соотношений (1) и (2) позволяет найти толщину пленки d. Однако результат измерений величины В1 (или В3) не однозначно определяет толщину пленки d, так как величина d входит в аргумент тригонометрической функции. Зная величину В1 (или В3), толщину пленки d из формул (1) или (2), можно найти лишь в начальном интервале однозначности функции cos[2β(λ,d)], т.е. при условии 2β(λ,d)≤π. Это условие приводит к следующему ограничению на толщину измеряемых пленок: . Например, при λ=1,43 мкм для нефти величина n2(λ2)≈1,5, и тогда для ограничения на толщину измеряемых пленок имеем: d≤0,24 мкм.
Таким образом, без использования специальных способов измерения величину d можно определить лишь для пленок толщиной несколько десятых долей микрометра.
Используя три близкие друг к другу длины волн зондирования λ1, λ2, λ3, можно увеличить диапазон измеряемых величин d.
Действительно, преобразуя (1), (2) и беря их разность и сумму, имеем (учтя, что λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, Δλ≪λ2):
где:
Левые части (3), (4) содержат данные измерений (B1 и В3) и оптические константы (r12(λ1,3), r23(λ1,3)), а правые части (3), (4) содержат оптические константы и две группы неизвестных (поскольку d неизвестна) тригонометрических функций: тригонометрические функции с аргументом 2β(λ2,d) и тригонометрические функции с аргументом . Так как синусы и косинусы выражаются друг через друга, то неизвестных функций всего две, например, cos[2β(λ2,d)] и .
Таким образом, решение системы двух уравнений (3), (4) позволяет решить задачу определения двух неизвестных: cos[2β(λ2,d)] и .
Условие однозначности функции эквивалентно условию или . Например, при λ=1,43 мкм для пленки нефти величина n2(λ2)≈1,5 и для Δλ=0,1 мкм имеем: d≤1,7 мкм.
Таким образом, описанный способ позволяет в несколько раз расширить диапазон измеряемых значений толщины пленки d, используя всего три близко расположенные длины волны зондирования.
Предлагаемый трехволновой способ (использующий близкие друг к другу длины волн зондирования λ1, λ2, λ3) позволяет найти толщину пленки d по результатам измерений, не только решая в блоке обработки (например, используя встроенный спецпроцессор) систему нелинейных уравнений вида (3), (4), но и более простым способом - непосредственно из данных измерений, используя численный алгоритм определения d, основанный на поиске минимума невязки:
где:
В1, В3 - нормированные величины, определяемые из данных измерений на длинах волн зондирования λ1, λ2, λ3 (см. выше);
B1(λ1,λ2,d)mod, B3(λ2,λ3,d)mod - модельные значения соответствующих величин, зависящие от толщины пленки d (представляющие собой правые части формул (1), (2)).
На фиг.2 приведены результаты математического моделирования работы трехволнового способа измерения толщины тонких нефтяных пленок. Здесь показана зависимость найденного (определенного численным алгоритмом (5)) значения толщины пленки d от заданного при моделировании значения толщины пленки для d≤1,6 мкм.
Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля толщины тонких пленок нефтепродуктов, что особенно важно в очистных сооружениях при контроле степени очистки воды.
Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Устройство для автоматического измерения толщины пленки. Патент 3-57407. Япония. 1993 г. Кл. G01В 11/06. (РЖ Изобретения стран мира, 1993, выпуск 82, N3, с.45).
2. Method of measuring film thickness. United States Patent. Patent Number: 4645349. Date of Patent: Feb. 24, 1987. Int. Cl. G01В 11/06.
3. Дистанционный способ измерения толщины пленок. Патент РФ на изобретение №2168151 от 27.05.01. МКИ G01В 11/06.
4. Способ измерения толщины пленок на подложке. Патент РФ на изобретение №2207501 от 27.06.03. МКИ G01В 11/06.
5. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды / Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л. и др. М.: Изд-во МГТУ, 2002, 528 с.
6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики, М.: Наука, 1970, 855 с.
Claims (1)
- Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала путем облучения поверхности оптическим излучением на трех длинах волн зондирования λ1, λ2, λ3, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определения толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, отличающийся тем, что указанные длины волн λ1, λ2, λ3 выбирают так, чтобы λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенствагде n2 - показатель преломления тонкой пленки.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005134709/28A RU2304759C1 (ru) | 2005-11-10 | 2005-11-10 | Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок |
US11/559,014 US20070146725A1 (en) | 2005-11-10 | 2006-11-13 | Method of and device for thickness measurements of thin films |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005134709/28A RU2304759C1 (ru) | 2005-11-10 | 2005-11-10 | Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005134709A RU2005134709A (ru) | 2007-05-20 |
RU2304759C1 true RU2304759C1 (ru) | 2007-08-20 |
Family
ID=38163832
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005134709/28A RU2304759C1 (ru) | 2005-11-10 | 2005-11-10 | Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20070146725A1 (ru) |
RU (1) | RU2304759C1 (ru) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10914037B2 (en) | 2012-10-09 | 2021-02-09 | Michael Gorden | Yankee dryer profiler and control |
CN102997856B (zh) * | 2012-12-12 | 2016-08-03 | 南京大学 | 一种基于参数查找表的海洋溢油油膜厚度高光谱遥感估算方法 |
CN105526874B (zh) * | 2015-12-03 | 2019-09-20 | 重庆三峡学院 | 一种基于光谱特征参数的油膜厚度识别方法 |
CN106767454B (zh) * | 2016-12-02 | 2018-11-20 | 大连海事大学 | 一种基于光谱反射率特征的水面油膜厚度测量系统及方法 |
CN108088371B (zh) * | 2017-12-19 | 2020-12-01 | 厦门大学 | 一种用于大位移监测的光电探测器位置布局 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6176904A (ja) * | 1984-09-21 | 1986-04-19 | Oak Seisakusho:Kk | 膜厚測定方法 |
US4909631A (en) * | 1987-12-18 | 1990-03-20 | Tan Raul Y | Method for film thickness and refractive index determination |
-
2005
- 2005-11-10 RU RU2005134709/28A patent/RU2304759C1/ru not_active IP Right Cessation
-
2006
- 2006-11-13 US US11/559,014 patent/US20070146725A1/en not_active Abandoned
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005134709A (ru) | 2007-05-20 |
US20070146725A1 (en) | 2007-06-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101371129B (zh) | 表面等离子体共振传感器以及利用其检测样品的方法 | |
Miller et al. | Determining CDOM absorption spectra in diverse coastal environments using a multiple pathlength, liquid core waveguide system | |
Zhao et al. | Novel optical fiber sensor for simultaneous measurement of temperature and salinity | |
RU2304759C1 (ru) | Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок | |
KR940016660A (ko) | 박막 두께 측정 장치 및 방법 | |
KR20040086806A (ko) | 특정성분농도의 측정방법 및 측정장치 | |
US8958999B1 (en) | Differential detection for surface plasmon resonance sensor and method | |
US20060012795A1 (en) | Method of determining surface plasmon resonances at two-dimensional measurement surfaces | |
CN110044847A (zh) | 一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法 | |
GB2197068A (en) | Optical sensor device | |
RU2300077C1 (ru) | Дистанционный способ измерения толщины толстых пленок нефтепродуктов на поверхности воды | |
KR101934069B1 (ko) | 액체수위측정장치 | |
US20150109614A1 (en) | Enhanced surface plasmon resonance method | |
WO2020003303A2 (en) | System for gauging fluids volume | |
RU2605640C2 (ru) | СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТА В МОРСКОЙ ВОДЕ "in situ" | |
CN113607658B (zh) | 一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法 | |
US20210341382A1 (en) | Laser device for polarisation interferometry | |
RU2359220C1 (ru) | Дистанционный четырехволновый способ измерения толщины тонких пленок | |
RU2387977C1 (ru) | Неконтактный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды | |
RU2400714C1 (ru) | Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения | |
RU2207501C2 (ru) | Способ измерения толщины пленок на подложке | |
Yanza et al. | A change of surface plasmon resonance (SPR) characteristics due to fluids type variation as a basic study of biosensor | |
RU2395788C2 (ru) | Способ измерения толщины тонких пленок на подложке | |
WO2008130278A2 (ru) | Биосенсор на поверхностных волнах в фотонном кристалле | |
JP3136104B2 (ja) | 水中の有機物質を検出するための光学的センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071111 |