RU2506537C2 - Optical method to measure instantaneous field of transparent film thickness - Google Patents
Optical method to measure instantaneous field of transparent film thickness Download PDFInfo
- Publication number
- RU2506537C2 RU2506537C2 RU2012103214/28A RU2012103214A RU2506537C2 RU 2506537 C2 RU2506537 C2 RU 2506537C2 RU 2012103214/28 A RU2012103214/28 A RU 2012103214/28A RU 2012103214 A RU2012103214 A RU 2012103214A RU 2506537 C2 RU2506537 C2 RU 2506537C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- light
- thickness
- air
- reflection
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к областям промышленности и научных исследований, где требуется проведение оптических, бесконтактных, непрерывных измерений толщин прозрачной пленки.The invention relates to the fields of industry and scientific research, where optical, non-contact, continuous measurements of the thickness of a transparent film are required.
Использование оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки возможно в энергетике и энергосбережении при измерении характеристик процессов охлаждения в топливных и атомных электростанциях, при создании холодильных машин, в диагностике течения в парогенерирующем канале паровых котлов, при удалении из топочных камер шлака в жидком состоянии. Оптический способ измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки может использоваться в пищевой промышленности для измерения толщины пленки жидкости в процессе охлаждения продуктов (например, молока или сливок); в химической промышленности при ректификации, производстве кислот, производстве редкоземельных металлов, производстве щелочей и хлора, при химическом фрезеровании; в металлургии - при производстве амальгамы, при очистке внутренних поверхностей емкостей и труб.The use of the optical method for measuring the instantaneous field of the thickness of a transparent film is possible in energy and energy saving when measuring the characteristics of cooling processes in fuel and nuclear power plants, when creating refrigeration machines, in diagnosing the flow in a steam-generating channel of steam boilers, when removing slag from the combustion chambers in a liquid state. An optical method for measuring the instantaneous field of the thickness of a transparent film can be used in the food industry to measure the thickness of a liquid film in the process of cooling products (for example, milk or cream); in the chemical industry during rectification, acid production, rare-earth metal production, alkali and chlorine production, and chemical milling; in metallurgy - in the production of amalgam, in cleaning the inner surfaces of containers and pipes.
Кроме того, увеличение точности при диагностике различных гидродинамических потоков необходимо как непосредственно для совершенствования технологических процессов и техники, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета.In addition, an increase in accuracy in the diagnosis of various hydrodynamic flows is necessary both directly to improve technological processes and equipment, and to develop and improve modern methods for their calculation.
Важнейшим условием измерения толщины прозрачной пленки, например жидкости, в области энергетики и других областях промышленного применения является бесконтактность, невозмущающее воздействие на измеряемую пленку, дешевизна и простота в использовании способа измерений, позволяющего непрерывно измерять поле толщин прозрачной пленки с высокой точностью.The most important condition for measuring the thickness of a transparent film, for example, liquid, in the field of energy and other industrial applications is non-contact, a non-disturbing effect on the measured film, low cost and ease of use of the measurement method, which allows continuous measurement of the field of thickness of a transparent film with high accuracy.
Известен способ измерения толщины пленки жидкости и/или коэффициента отражения (ЕР 0622624, МПК: G01B 11/06; G01N 21/21; G01N 21/41; G01N 21/84), при котором поверхность твердого тела или жидкости освещается белым светом, при этом каждая монохроматическая волна отраженного света линейно поляризована и отфильтрована анализатором. Отраженный свет, таким образом, раскрашен отдельной составляющей, что позволяет наблюдать по различию цвета толщину пленки и/или коэффициента отражения. Повышенная чувствительность, основанная на цветовой дифференциации, достигается очередным отражением отраженного света на поверхность твердого тела или жидкости. При многократном повторении описанного переотражения увеличивается цветовая дифференциация. Способ обеспечивает измерение толщины пленки и коэффициента отражения на основе цветовой дифференциации.A known method of measuring the thickness of a liquid film and / or reflection coefficient (EP 0622624, IPC: G01B 11/06; G01N 21/21; G01N 21/41; G01N 21/84), in which the surface of a solid or liquid is illuminated with white light, In this, each monochromatic wave of reflected light is linearly polarized and filtered by the analyzer. Reflected light is thus colored by a separate component, which makes it possible to observe the film thickness and / or reflection coefficient by color difference. Increased sensitivity based on color differentiation is achieved by the next reflection of reflected light on the surface of a solid or liquid. With repeated repetition of the described rereflection, color differentiation increases. The method provides a measurement of film thickness and reflection coefficient based on color differentiation.
Недостатком способа является наличие большого количества оптических элементов, требующих точной настройки и сложной калибровки. Еще одним недостатком способа является то, что он позволяет проводить измерения в точке. Для измерения поля толщин этим способом требуется сложная оптическая конструкция.The disadvantage of this method is the presence of a large number of optical elements that require precise settings and complex calibration. Another disadvantage of the method is that it allows measurements at a point. To measure the thickness field in this way, a complex optical design is required.
Известен способ для измерения толщины тонкой пленки (JP 2004061141, МПК: G01В 11/06), при котором на исследуемую поверхность с пленкой на ней направляют пучок света через систему призм. Измерение толщины пленки производят по состоянию поляризации светового пучка, отраженного поверхностью раздела фаз и преломленного на ней. Падающий на поверхность плоскополяризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкой пленки на поверхности.A known method for measuring the thickness of a thin film (JP 2004061141, IPC: G01B 11/06), in which a beam of light is directed onto a surface under investigation with a film through a prism system. The film thickness is measured by the state of polarization of the light beam reflected by the interface and refracted on it. Plane-polarized light incident on the surface acquires an elliptical polarization upon reflection and refraction due to the presence of a thin film on the surface.
Недостаток этого способа состоит в том, что он позволяет проводить измерение неподвижной пленки в одной точке и требует использования дополнительного оборудования (систему призм).The disadvantage of this method is that it allows the measurement of a fixed film at one point and requires the use of additional equipment (prism system).
Наиболее близким по технической сущности заявляемому способу является способ измерения толщины пленки резиста (JP 1260304, G01B 11/06; G03C 1/74; G03F 7/16; H01L 21/027; H01L 21/30), при котором на поверхность, покрытую пленкой, направляют пучок света, а вычисление толщины пленки производят по разнице в интенсивности падающего и отраженного от поверхности света.The closest in technical essence of the claimed method is a method of measuring the thickness of a resist film (JP 1260304,
Недостаток данного способа состоит в том, что он позволяет проводить измерение неподвижной пленки жидкости в одной точке.The disadvantage of this method is that it allows you to measure a fixed film of liquid at one point.
Задачей заявляемого изобретения является создание простого способа измерения толщины прозрачной пленки, обладающего несложной калибровкой и обеспечивающего возможность прямых непрерывных измерений меняющегося во времени поля толщин прозрачной пленки с малой погрешностью измерения.The objective of the invention is the creation of a simple method for measuring the thickness of a transparent film having a simple calibration and allowing direct continuous measurement of the time-varying field of thickness of the transparent film with a small measurement error.
В оптическом способе измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки поставленная задача решается тем, что на поверхности, покрытой пленкой, образуют источник света, облучая ее пучком света, который образует на поверхности световое пятно, служащее источником света от поверхности, или помещая первичный источник света на поверхности. Лучи света от источника света на поверхности, приходящие на границу раздела пленка - воздух под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, преломляются и выходят из пленки, а лучи, приходящие на границу раздела пленка - воздух под углом, равным или большим угла полного внутреннего отражения, отражаются к поверхности. В результате на твердой поверхности под пленкой возникает изображение искаженного светового кольца. Изображение светового кольца фиксируют на видеокамеру в течение всего промежутка времени, в течение которого надо провести измерения толщины пленки. Затем изображение светового кольца обрабатывают на компьютере. По геометрическим размерам светового кольца определяют мгновенную толщину пленки в зоне измерения. Измеряя геометрические размеры последовательных изображений светового кольца, получают информацию об изменении толщины пленки во времени. Для измерения поля толщин пленки на поверхности образуют несколько источников света.In the optical method for measuring the instantaneous field of the thickness of a transparent film, the problem is solved in that a light source is formed on the surface coated with the film by irradiating it with a light beam that forms a light spot on the surface serving as a light source from the surface, or by placing the primary light source on the surface . Rays of light from a light source on the surface, arriving at the film – air interface at an angle less than the angle of total internal reflection, are refracted and leaving the film, and rays arriving at the film – air interface at an angle equal to or greater than the angle of total internal reflection are reflected to the surface. As a result, an image of a distorted light ring appears on a solid surface under the film. The image of the light ring is fixed on the video camera for the entire period of time during which it is necessary to measure the thickness of the film. Then the image of the light ring is processed on a computer. The geometrical dimensions of the light ring determine the instantaneous film thickness in the measurement zone. By measuring the geometric dimensions of successive images of the light ring, information is obtained on the change in film thickness over time. To measure the field of film thicknesses on the surface, several light sources are formed.
Способ основан на явлении полного внутреннего отражения света границей раздела двух сред. Эффект полного внутреннего отражения возникает на границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления. Предельный угол отражения зависит от толщины пленки и коэффициента преломления материала пленки.The method is based on the phenomenon of total internal reflection of light by the interface of two media. The effect of total internal reflection occurs at the interface between two media with different refractive indices. The limiting angle of reflection depends on the film thickness and the refractive index of the film material.
Основное отличие заявленного способа от имеющихся аналогов заключается в том, что толщину пленки определяют не по сравнению характеристик падающего на поверхность и отраженного от нее света, а по геометрическим размерам образованного на поверхности светового кольца, которое возникает в результате эффекта полного внутреннего отражения. Причем источником света на поверхности может быть либо световое пятно, которое формируется падающим на поверхность пучком света, либо первичный источник света на поверхности.The main difference between the claimed method and existing analogues is that the film thickness is determined not by comparing the characteristics of the light incident on the surface and reflected from it, but by the geometric dimensions of the light ring formed on the surface, which occurs as a result of the effect of total internal reflection. Moreover, the light source on the surface can be either a light spot, which is formed by a beam of light incident on the surface, or a primary light source on the surface.
На фиг.1 представлена схема осуществления оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки.Figure 1 presents a diagram of an optical method for measuring the instantaneous field of the thickness of a transparent film.
На фиг.2 представлена схема установки для калибровки оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки.Figure 2 presents a diagram of an installation for calibrating an optical method for measuring the instantaneous field of the thickness of a transparent film.
Способ осуществляют следующим образом. Поверхность (1), покрытую тонкой прозрачной пленкой (2), облучают пучком света (3), который образует на поверхности световое пятно (4), служащее источником света от поверхности, или помещая первичный источник света на поверхности (1). На границе раздела воздух - пленка лучи света от светового пятна, приходящие под углом, меньшим предельного угла отражения, преломляются и выходят из жидкости (5). Лучи от светового пятна, приходящие под углом, большим предельного угла отражения, отражаются к поверхности дна (6). В результате преломления света на границе раздела сред пленка - воздух и полного внутреннего отражения на твердой поверхности под пленкой возникает изображение искаженного светового кольца (7). Изображение светового кольца фиксируют на видеокамеру (8). Изображение обрабатывают на компьютере, измеряя геометрические размеры светового кольца. По главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца, определяют толщину пленки (9) по следующей математической формуле:The method is as follows. The surface (1) covered with a thin transparent film (2) is irradiated with a light beam (3), which forms a light spot (4) on the surface, serving as a light source from the surface, or by placing the primary light source on the surface (1). At the air-film interface, rays of light from a light spot that come at an angle less than the limiting angle of reflection are refracted and exit the liquid (5). Rays from a light spot coming at an angle greater than the limiting angle of reflection are reflected to the bottom surface (6). As a result of light refraction at the film – air interface and total internal reflection on a solid surface, an image of a distorted light ring appears under the film (7). The image of the light ring is fixed on the video camera (8). The image is processed on a computer, measuring the geometric dimensions of the light ring. On the main diagonal of an ellipse approximating the region of the light ring, the film thickness (9) is determined by the following mathematical formula:
h=(D-d)/[4tg arcsin (n2/n1)],h = (Dd) / [4tg arcsin (n 2 / n 1 )],
гдеWhere
h - толщина пленки,h is the film thickness,
D - длина главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца,D is the length of the main diagonal of the ellipse approximating the region of the light ring,
d - размер источника света на поверхности,d is the size of the light source on the surface,
n2 - коэффициент преломления воздуха,n 2 is the refractive index of air,
n1 - коэффициент преломления материала пленки.n 1 is the refractive index of the film material.
Для определения изменения толщины пленки во времени производят обработку последовательных изображений светового кольца, снятого видеокамерой. Для измерения поля толщин пленки используют несколько источников света.To determine the change in film thickness over time, sequential images of the light ring captured by the camera are processed. Several light sources are used to measure the field of film thicknesses.
Для определения погрешности способа на установке была проведена калибровка оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки на пленке жидкости известной толщины.To determine the error of the method at the installation, the optical method was calibrated to measure the instantaneous field of the thickness of the transparent film on a liquid film of known thickness.
Установка состоит из кюветы с жидкостью (10), лазера (11) и видеокамеры (12). Пучок света лазера (13) формирует источник света в плоскости дна (14). На границе раздела воздух - жидкость лучи света от светового пятна, приходящие под углом, меньшим предельного угла отражения, преломляются и выходят из жидкости (15). Лучи от светового пятна, приходящие под углом, большим предельного угла отражения, отражаются к поверхности дна (16). В результате полного внутреннего отражения вокруг источника света формируется световое кольцо (17). Изображение светового кольца (17) фиксируют на видеокамеру (12) и обрабатывают на компьютере. Погрешность обусловлена наличием мениска на поверхности воды (~0,1%), наклоном дна кюветы (~4%), неточностью в определении задаваемого объема (~2%), неточностью в обработке изображения (~5%) и искажением изображения жидкостью (~2%). Имеется систематическая погрешность, не превышающая 10%.The setup consists of a cell with a liquid (10), a laser (11), and a video camera (12). The laser light beam (13) forms a light source in the bottom plane (14). At the air-liquid interface, rays of light from a light spot that come at an angle less than the limiting angle of reflection are refracted and exit the liquid (15). Rays from a light spot arriving at an angle greater than the limiting angle of reflection are reflected to the bottom surface (16). As a result of total internal reflection, a light ring is formed around the light source (17). The image of the light ring (17) is recorded on a video camera (12) and processed on a computer. The error is due to the presence of a meniscus on the water surface (~ 0.1%), the slope of the bottom of the cuvette (~ 4%), inaccuracy in determining the set volume (~ 2%), inaccuracy in image processing (~ 5%) and image distortion with liquid (~ 2%). There is a systematic error not exceeding 10%.
Представленный способ измерения толщины прозрачной пленки является простым в реализации, требует несложной калибровки. Использование заявляемого изобретения обеспечивает возможность прямых непрерывных измерений меняющегося во времени поля толщин прозрачной пленки с систематической погрешностью измерения толщины пленки не более 10%.The presented method for measuring the thickness of a transparent film is simple to implement, requires simple calibration. The use of the claimed invention provides the possibility of direct continuous measurements of a time-varying field of thicknesses of a transparent film with a systematic error in measuring the film thickness of not more than 10%.
Claims (3)
h=(D-d)/[4tg arcsin (n2/n1)], где h - толщина пленки, D - длина главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца, d - размер источника света на поверхности, n2 - коэффициент преломления воздуха, n1 - коэффициент преломления материала пленки.1. The method of optical measurement of the instantaneous field of the thickness of the transparent film, including the directed action of light rays on the film, their total internal reflection at the interface and subsequent processing of reflected light, characterized in that the light source is placed above the film or under the film from which the rays are formed light directed at angles smaller than the limiting reflection angle at the film-air interface and large at limiting reflection angles at the film-air interface, and then capture the image of the distorted light tovogo spot formed on the solid surface under the film as a result of total internal reflection of light at the interface of the film - air, a video camera during the entire measurement time is treated on the computer, measured geometrical dimensions of the light spot and determining a film thickness according to the following mathematical formula:
h = (Dd) / [4tg arcsin (n 2 / n 1 )], where h is the film thickness, D is the length of the main diagonal of the ellipse approximating the region of the light ring, d is the size of the light source on the surface, n 2 is the air refractive index , n 1 is the refractive index of the film material.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103214/28A RU2506537C2 (en) | 2012-01-30 | 2012-01-30 | Optical method to measure instantaneous field of transparent film thickness |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103214/28A RU2506537C2 (en) | 2012-01-30 | 2012-01-30 | Optical method to measure instantaneous field of transparent film thickness |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012103214A RU2012103214A (en) | 2013-08-10 |
| RU2506537C2 true RU2506537C2 (en) | 2014-02-10 |
Family
ID=49159149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012103214/28A RU2506537C2 (en) | 2012-01-30 | 2012-01-30 | Optical method to measure instantaneous field of transparent film thickness |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2506537C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2644625C1 (en) * | 2016-08-15 | 2018-02-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Optical method for measuring field of transparent glacier thickness on wind generator blades |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU879293A1 (en) * | 1979-01-29 | 1981-11-07 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Device for measuring transparent film thickness |
| JPH01260304A (en) * | 1988-04-11 | 1989-10-17 | Fujitsu Ltd | Method of measuring thickness of resist film |
| JP2004061141A (en) * | 2002-07-25 | 2004-02-26 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method for measuring thickness of thin film |
| US20090222238A1 (en) * | 2005-09-30 | 2009-09-03 | Gagnon Robert E | Method and apparatus for layer thickness measurement |
| US20100171965A1 (en) * | 2007-03-30 | 2010-07-08 | Stephen Morris | Method for Measuring the Thickness or Curvature of Thin Films |
-
2012
- 2012-01-30 RU RU2012103214/28A patent/RU2506537C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU879293A1 (en) * | 1979-01-29 | 1981-11-07 | Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Авиационный Институт Им.Серго Орджоникидзе | Device for measuring transparent film thickness |
| JPH01260304A (en) * | 1988-04-11 | 1989-10-17 | Fujitsu Ltd | Method of measuring thickness of resist film |
| JP2004061141A (en) * | 2002-07-25 | 2004-02-26 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method for measuring thickness of thin film |
| US20090222238A1 (en) * | 2005-09-30 | 2009-09-03 | Gagnon Robert E | Method and apparatus for layer thickness measurement |
| US20100171965A1 (en) * | 2007-03-30 | 2010-07-08 | Stephen Morris | Method for Measuring the Thickness or Curvature of Thin Films |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2644625C1 (en) * | 2016-08-15 | 2018-02-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Optical method for measuring field of transparent glacier thickness on wind generator blades |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012103214A (en) | 2013-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105684127B (en) | The difference method and equipment of measurement for semiconductor targets | |
| TWI596333B (en) | Means for measuring a film with a transparent substrate and a measuring method thereof | |
| TWI486550B (en) | An Optical Interferometry Based On-Line Real-Time Thickness Measurement Apparatus and Method Thereof | |
| Davydov et al. | An optical method of monitoring the state of flowing media with low transparency that contain large inclusions | |
| JP2008536127A (en) | Glass inspection apparatus and method of use thereof | |
| CN204831220U (en) | Calcirm -fluoride optical flat two sides depth of parallelism high accuracy testing arrangement | |
| CN109425619B (en) | Optical measurement system and method | |
| CN103542813B (en) | One kind is based on border differential and the self-alignment laser diameter measuring instrument of ambient light | |
| WO2018072447A1 (en) | Differential interference-based optical film defect detection method | |
| RU2506537C2 (en) | Optical method to measure instantaneous field of transparent film thickness | |
| CN111369533B (en) | Rail profile detection method and device based on polarization image fusion | |
| Baozhen et al. | Designing an optical set-up of differential laser triangulation for oil film thickness measurement on water | |
| CN108572160B (en) | Refractometer for measuring refractive index distribution | |
| CN105928905A (en) | Particulate matter backscattering coefficient polarization sensitivity measuring device | |
| KR101254297B1 (en) | Method and system for measuring thickness and surface profile | |
| CN113252603B (en) | Optimal refractive index measurement method of multilayer transparent ball bed | |
| CN113405478A (en) | Transparent material thickness measuring method | |
| CN105807580A (en) | Workpiece six freedom degree position and attitude measurement sensor device | |
| Glazkov | Evaluation of material quality for liquid-penetrant inspection based on the visibility of the indicator patterns of flaws | |
| KR100344344B1 (en) | Potable Nondestructive and Noncontact Optical Measurement System | |
| US11940268B2 (en) | Contact angle measuring device | |
| Cao et al. | The application of CCD pixel positioning subdivision in the reach of laser triangulation measurement | |
| CN107462188A (en) | The method of high precision test surface shape of plane optical component | |
| Ma et al. | A Study on Double-sided Optical Focusing Alignment of Transparent Substrate. | |
| Cui et al. | Gaussian light sheet scattering by a rectangular groove on a metallic surface |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QA4A | Patent open for licensing |
Effective date: 20180215 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210131 |