RU2745856C1 - Устройство спектрального анализа, способ спектрального анализа, способ производства стальной полосы и способ обеспечения качества стальной полосы - Google Patents

Устройство спектрального анализа, способ спектрального анализа, способ производства стальной полосы и способ обеспечения качества стальной полосы Download PDF

Info

Publication number
RU2745856C1
RU2745856C1 RU2020127254A RU2020127254A RU2745856C1 RU 2745856 C1 RU2745856 C1 RU 2745856C1 RU 2020127254 A RU2020127254 A RU 2020127254A RU 2020127254 A RU2020127254 A RU 2020127254A RU 2745856 C1 RU2745856 C1 RU 2745856C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
polarized light
light
composition
spectral analysis
measurement
Prior art date
Application number
RU2020127254A
Other languages
English (en)
Inventor
Юдзи НИСИДЗАВА
Сёта ЦУДЗИ
Кахо КАТО
Original Assignee
ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН filed Critical ДжФЕ СТИЛ КОРПОРЕЙШН
Application granted granted Critical
Publication of RU2745856C1 publication Critical patent/RU2745856C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/86—Investigating moving sheets
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0224—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using polarising or depolarising elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
    • G01N21/8914—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the material examined
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/20—Metals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/20—Metals
    • G01N33/202—Constituents thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
    • G01N2021/8848—Polarisation of light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/89—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles
    • G01N21/8914—Investigating the presence of flaws or contamination in moving material, e.g. running paper or textiles characterised by the material examined
    • G01N2021/8918—Metal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/063—Illuminating optical parts

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к устройству спектрального анализа, способу спектрального анализа, способу производства стальной полосы и способу обеспечения качества стальной полосы, предназначенным для использования для анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности объекта измерения. Модуль 3 приема света включает в себя: модуль 32 разделения поляризованного света, выполненный с возможностью разделять отраженный свет на s-поляризованный и p-поляризованный свет; модуль 34 детектирования s-поляризованного света, выполненный с возможностью детектировать s-поляризованный свет, полученный посредством разделения модулем 32 разделения поляризованного света, и выдавать на модуль 4 вывода электрический сигнал, указывающий интенсивность детектированного s-поляризованного света; и модуль 33 детектирования p-поляризованного света, выполненный с возможностью детектировать p-поляризованный свет, полученный посредством разделения модулем 32 разделения поляризованного света, и выдавать на модуль 4 вывода электрический сигнал, указывающий интенсивность детектированного p-поляризованного света. Модуль 4 вывода вычисляет коэффициент поглощения из отношения интенсивностей между s-поляризованным светом и p-поляризованным светом на основе соответствующих электрических сигналов, выводимых из модуля 34 детектирования s-поляризованного света и модуля 33 детектирования p-поляризованного света, и вычисляет состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта P измерения с использованием интенсивности поглощения, соответствующей заданному волновому числу. Технический результат - повышение точности анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности объекта измерения, что способствует производству стальной полосы, имеющей требуемый состав поверхности и/или требуемое соотношение компонентов в составе поверхности. 4 н. и 1 з.п. ф-лы, 16 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству спектрального анализа, способу спектрального анализа, способу производства стальной полосы и способу обеспечения качества стальной полосы, предназначенным для использования для анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности объекта измерения.
Уровень техники
В патентной литературе 1 описан способ анализа состава поверхности объекта измерения. В частности, способ, описанный в патентной литературе 1, измеряет соотношение интенсивностей спектров отражения лучей света, когда p-поляризованный свет, поляризованный параллельно плоскости падения, и s-поляризованный свет, поляризованный перпендикулярно плоскости падения, попадают на поверхность объекта измерения, Затем, способ, описанный в патентной литературе 1, анализирует состав поверхности объекта измерения путем деления измеренного соотношения интенсивностей на ранее измеренное соотношение интенсивностей в отношении стандартного образца между спектрами отражения p-поляризованного света и s-поляризованного света.
Список источников
Патентная литература
Патентная литература 1: Японский патент № 3637192.
Сущность изобретения
Техническая задача
В способе, описанном в патентной литературе 1, предполагается, что коэффициент отражения s-поляризованного света в плоскости падения приблизительно равен 1, если использовать золотое зеркало в качестве опорного уровня, и обращаются к таблице данных для того, чтобы найти интенсивность спектра отражения s-поляризованного света. То есть способ, описанный в патентной литературе 1, вычисляет отношение интенсивностей по существу на основе измерения интенсивности спектра отражения только p-поляризованного света. Поэтому способ, описанный в патентной литературе 1, не может с высокой точностью вычислить отношение интенсивностей, если интенсивность спектра отражения s-поляризованного света меняется вследствие помех. Следовательно, способ не может с высокой точностью анализировать состав поверхности объекта измерения. В данном случае примерами помех являются: (1) изменение интенсивности отражения от объекта измерения, вызванное изменением зазора или шероховатости поверхности, (2) изменение атмосферы на оптическом пути, такое как CO2 или пар, (3) грязь на зеркале или флуктуация интенсивности источника света, и (4) вибрация или дефект формы целевого объекта измерения.
Последовательность измерений, которую считают применимой для измерения интенсивности спектра отражения s-поляризованного света, состоит в повторном поочередном измерении интенсивности спектра отражения s-поляризованного света и интенсивности спектра отражения p-поляризованного света. Однако эта последовательность измерений требует повторения измерения интенсивности спектра отражения s-поляризованного света, переключения поляризаторов, измерения интенсивности спектра отражения p-поляризованного света и переключения поляризаторов. При такой последовательности измерений, если целевой объект измерения перемещается, то это также является помехой, поскольку невозможно измерение на одном и том же месте. Кроме того, невозможно устранить такие помехи, как вибрация объекта измерения. Кроме того, когда количество переключений поляризаторов увеличивается, циклы измерения ограничены временем процесса переключения поляризаторов. В результате увеличивается неизмеренная область, которая проходит во временя переключения поляризаторов.
Настоящее изобретение было сделано с учетом вышеупомянутых затруднений, и одна цель состоит в том, чтобы предложить устройство спектрального анализа и способ спектрального анализа, которые позволяют с высокой точностью анализировать состав и/или соотношение компонентов состава поверхности объекта измерения даже при наличии помех. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ производства стальной полосы, который позволяет с высокой эффективностью получать стальную полосу, имеющую требуемый состав поверхности и/или требуемое соотношение компонентов в составе поверхности. Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ обеспечения качества стальной полосы, который обеспечивает возможность получения высококачественной стальной полосы.
Решение задачи
Для решения этой задачи и достижения цели устройство спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением включает в себя: модуль проецирования света, выполненный с возможностью проецирования инфракрасного света на целевой объект измерения; модуль приема света, выполненный с возможностью приема инфракрасного света, в виде света, отраженного поверхностью объекта измерения; и модуль вывода, выполненный с возможностью вычислять состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта измерения, используя отраженный свет, принятый модулем приема света, при этом модуль приема света включает в себя: делитель, выполненный с возможностью разделять отраженный свет на s-поляризованный свет и p-поляризованный свет; детектор для s-поляризованного света, выполненный с возможностью детектировать s-поляризованный свет, полученный посредством разделения делителем, и выдавать на модуль вывода электрический сигнал, указывающий интенсивность s-поляризованного света; и детектор для p-поляризованного света, выполненный с возможностью детектировать p-поляризованный свет, полученный посредством разделения делителем, и выдавать на модуль вывода электрический сигнал, указывающий интенсивность p-поляризованного света; и модуль вывода выполнен с возможностью: вычислять коэффициент поглощения на основе соотношения между интенсивностями s-поляризованного света и p-поляризованного света, используя электрические сигналы, выводимые из детектора для s-поляризованного света и детектора для p-поляризованного света; и вычислять состав и/или соотношение компонентов состава поверхности объекта измерения, используя интенсивность поглощения при заданном волновом числе.
Кроме того, устройство спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает в себя модуль измерения расстояния, выполненный с возможностью измерять расстояние между местом, облучаемым инфракрасным излучением на объекте измерения, и устройством спектрального измерения, при этом модуль вывода корректирует коэффициент поглощения в соответствии со значениями, измеренными модулем измерения расстояния.
Кроме того, способ спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением включает в себя: этап проецирования инфракрасного света на целевой объект измерения; этап приема инфракрасного света в виде света, отраженного поверхностью целевого объекта измерения; и этап вывода, на котором вычисляют состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта измерения с использованием отраженного света, принятого на этапе приема, при этом этап приема включает в себя: этап разделения отраженного света на s-поляризованный свет и p-поляризованный свет; этап детектирования s-поляризованного света, полученного на этапе разделения, и выдачи электрического сигнала, который указывает интенсивность детектированного s-поляризованного света; и этап детектирования p-поляризованного света, полученного на этапе разделения, и выдачи электрического сигнала, который указывает интенсивность детектированного p-поляризованного света; и этап вывода включает в себя: этап вычисления коэффициента поглощения на основе соотношения между интенсивностями s-поляризованного света и p-поляризованного света с использованием электрических сигналов, выводимых на этапе детектирования s-поляризованного света и на этапе детектирования p-поляризованного света; и вычисление состава и/или соотношения компонентов состава поверхности целевого объекта измерения с использованием интенсивности поглощения при заданном волновом числе.
Кроме того, способ производства стальной полосы в соответствии с настоящим изобретением включает в себя: этап получения стальной полосы; и этап анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности стальной полосы, полученной на этапе производства, с использованием способа спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением.
Кроме того, способ обеспечения качества стальной полосы в соответствии с настоящим изобретением включает в себя: этап анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности стальной полосы с использованием способа спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением; и этап проведения контроля качества стальной полосы на основе результата анализа, полученного на этапе анализа.
Полезные эффекты изобретения
Устройство спектрального анализа и способ спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением позволяют с высокой точностью анализировать состав и/или соотношение компонентов состава поверхности объекта измерения даже при наличии помех. Способ производства стальной полосы в соответствии с настоящим изобретением позволяет с высокой эффективностью получать стальную полосу, имеющую требуемый состав поверхности и/или требуемое соотношение компонентов состава поверхности. Способ обеспечения качества стальной полосы в соответствии с настоящим изобретением позволяет обеспечить получение высококачественной стальной полосы.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведен схематический вид, показывающий конфигурацию устройства спектрального анализа в виде варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 приведен схематический вид, показывающий конфигурацию модификации устройства спектрального анализа, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 показаны изменения интенсивности сигналов p-поляризованного света и s-поляризованного света, которые связаны с изменением относительного положения рулона и устройства измерения расстояния.
На фиг. 4 показан пример изменения спектра отражения p-поляризованного света при преднамеренной расфокусировке.
На фиг. 5 показан пример изменения спектра отражения s-поляризованного света при преднамеренной расфокусировке.
На фиг. 6 показан пример, в котором измеряют расстояние до целевого объекта измерения, когда устройство измерения расстояния перемещают вверх и вниз с использованием точной регулировки.
На фиг. 7 приведена блок-схема последовательности действий процесса спектрального анализа в виде варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 8 показан пример измеренных данных спектров отражения p-поляризованного света и s-поляризованного света.
На фиг. 9 показаны спектры отражения, вычисленные из спектров отражения p-поляризованного света и s-поляризованного света, показанных на фиг. 8.
На фиг. 10 показан спектр поглощения, вычисленный из спектра отражения, показанного на фиг. 9.
На фиг. 11 показан пример изменений спектра поглощения s-поляризованного света, которые сопровождают изменение зазора.
На фиг. 12 показан пример изменений поглощения, которые сопровождают изменение зазора.
На фиг. 13 показаны спектры поглощения p-поляризованного света при расфокусировке.
На фиг. 14 показан спектр поглощения s-поляризованного света до и после корректировки расстояния.
На фиг. 15 показан способ корректировки базовой линии.
На фиг. 16 показан результат корректировки базовой линии, выполненной для спектра поглощения после корректировки расстояния, показанной на фиг. 14.
Описание вариантов осуществления
Далее описан принцип способа спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением.
Если целевой объект измерения выполнен из металлического материала, то из-за взаимодействия со свободными электронами в металле фаза излучаемого инфракрасного света изменяется на 180°. Поэтому, если вектор электрического поля, то есть направление поляризации инфракрасного света, параллелен плоскости падения (p-поляризованный свет), то вектор электрического поля падающего света и вектор электрического поля отраженного света интерферируют друг с другом на плоскости падения и образуется стоячая волна. Следовательно, спектр отражения содержит информацию о тонкой пленке в плоскости падения.
В отличие от этого, если вектор электрического поля инфракрасного света перпендикулярен плоскости падения (s-поляризованный свет), то вектора электрического поля не интерферируют друг с другом, в результате чего спектр отражения не содержит информации о тонкой пленке в плоскости падения. Поэтому, когда целевой объект измерения облучают p-поляризованным светом, в частности, можно получить информацию о тонкой пленке, присутствующей на поверхности целевого объекта измерения. Помехи во время измерения возникают одинаковым образом независимо от того, является ли падающий свет s-поляризованным светом или p-поляризованным светом. Таким образом, в настоящем изобретении одновременно измеряют s-поляризованный свет и p-поляризованный свет и учитывают соотношение между ними, так чтобы устранить влияние помех.
В частности, вычисляют отношение (коэффициент поглощения) между коэффициентом отражения p-поляризованного света (коэффициент отражения (P)) и коэффициентом отражения s-поляризованного света (коэффициент отражения (S)), как представлено в уравнении (1), приведенном ниже, в результате чего можно получить спектр отражения, который содержит информацию о тонкой пленке.
коэффициент поглощения (%) = коэффициент отражения (P) / коэффициент отражения (S) (1)
Однако при фактическом измерении спектр отражения содержит шум, возникающий вследствие помех. Если учитывать шум, то коэффициент отражения s-поляризованного света (коэффициент отражения (S)) и коэффициент отражения p-поляризованного света (коэффициент отражения (P)) выражаются в виде уравнений (2) и (3), приведенных ниже:
коэффициент отражения (S) = коэффициент отражения (S) x шум (2)
коэффициент отражения (P) = коэффициент отражения (P) x шум (3)
Если учитывать шум (шум), то отношение (коэффициент поглощения) коэффициента отражения s-поляризованного света (коэффициента отражения (S)) к коэффициенту отражения p-поляризованного света (коэффициенту отражения (P)) выражается в виде уравнения (4), приведенного ниже. Как видно из уравнения (4), воздействие помехи можно устранить путем получения сигналов, соответствующих коэффициенту отражения s-поляризованного света (коэффициенту отражения (S)) и коэффициенту отражения p-поляризованного света (коэффициенту отражения (P)), и учета соотношения (коэффициента поглощения) между ними.
коэффициент поглощения = коэффициент отражения (P) x шум / коэффициент отражения (S) x шум = коэффициент отражения (P) / коэффициент отражения (S) (4)
Способ спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением, таким образом, позволяет с высокой точностью анализировать состав и/или соотношение компонентов состава поверхности объекта измерения даже при наличии помех. Кроме того, способ спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением делает совершенно ненужным выполнение эталонного измерения с использованием золотого зеркала или металлического зеркала, которые часто используют в обычной инфракрасной спектроскопии с использованием преобразования Фурье (FTIR-измерении). То есть, так как способ спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением позволяет измерять только сигналы, соответствующие s-поляризованному свету и p-поляризованному свету, отраженному целевым объектом измерения, то нет необходимости выполнять корректировки с использованием дополнительных измеренных данных.
Ниже описана конфигурация устройства спектрального анализа в качестве варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением, основанного на способе спектрального анализа в соответствии с настоящим изобретением.
Конфигурация
На фиг. 1 приведен схематический вид, показывающий конфигурацию устройства спектрального анализа в виде варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением. Как показано на фиг. 1, устройство 1 спектрального анализа в виде варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением представляет собой устройство для анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности целевого объекта P измерения и включает в себя в качестве основных компонентов модуль 2 проецирования света, модуль 3 приема света и модуль 4 вывода. В качестве целевого объекта P измерения может быть любой материал, который имеет основной слой, отражающий инфракрасный свет, и слой, который поглощает инфракрасный свет, на верхней поверхности. Конкретные примеры включают в себя стальную полосу, для которой требуется выполнить контроль всей поверхности в потоке. В настоящем описании направление x, направление y и направление z заданы следующим образом: направление x является направлением в горизонтальной плоскости, по которому друг к другу обращены устройство 1 спектрального анализа и поверхность целевого объекта P измерения (направление регулировки зазора); направление y является направлением в горизонтальной плоскости, перпендикулярным направлению x, и которое параллельно направлению ширины целевого объекта P измерения (направление по ширине целевого объекта измерения); и направление z является направлением транспортируемого целевого объекта P измерения, которое перпендикулярно направлению x и направлению y (направление регулировки высоты и горизонтали).
Модуль 2 проецирования света включает в себя модуль 21 FTIR и объективное зеркало 22. Модуль 21 FTIR включает в себя источник 21а света и интерферометр 21b. Источник 21a света состоит из обычного источника инфракрасного света, такого как керамический нагреватель, который применяют в FTIR, и излучает в направлении интерферометра 21b. Интерферометр 21b коллимирует инфракрасный свет от источника 21а света и выводит коллимированный инфракрасный свет на объективное зеркало 22. Объективное зеркало 22 сконструировано, например, из зеркала с плоской поверхностью или параболоида со смещенной осью и проецирует инфракрасное излучение от интерферометра 21b в виде инфракрасного света IR на поверхность целевого объекта P измерения под определенным углом проекции.
Желательно, чтобы угол проекции α инфракрасного света IR составлял 60° или больше. В настоящем описании угол проекции означает угол, образованный между оптическим путем инфракрасного света IR и перпендикуляром к целевому объекту P измерения. Перпендикулярный угол проекции по определению равен 0°, а угол проекции, параллельный поверхности целевого объекта P измерения по определению равен 90°. Общеизвестно, что при увеличении угла α проекции света длина взаимодействия с целевым объектом P измерения становится длиннее, что приводит к большей чувствительности. Однако такие факторы, как характерные свойства поверхности и характерные свойства покрытия на поверхности целевого объекта P измерения, могут снизить чувствительность, например, за счет усиления рассеяния. Поэтому, желательно, чтобы угол α проекции света устанавливали равным оптимальному значению, полученному экспериментально.
Кроме того, при увеличении угла α проекции устройство неизбежно будет иметь большие размеры, чтобы сохранить расстояние (зазор, расстояние по х-направлению) между целевым объектом P измерения и устройством 1 для спектрального анализа. Следовательно, оптический путь инфракрасного света IR становится длиннее, что является другим недостатком. При увеличении длины оптического пути инфракрасного света IR небольшое изменение положения приводит к большему смещению оптического пути. Это явно указывает на то, что требуется более строгая точность установки устройства 1 спектрального анализа. Еще один недостаток более длинного оптического пути инфракрасного света IR заключается в том, что это усугубляет влияние изменения окружающей атмосферы на оптическом пути. Кроме того, даже если предпринята попытка разместить целевой объект P измерения ближе, для уменьшения размера устройства и облегчения регулировки, имеется риск того, что целевой объект P измерения при движении будет контактировать с корпусом, потому что целевой объект P измерения может, например, дрожать, иметь дефектную форму или иметь непостоянную часть, такую как место сварки, что ограничивает то, насколько близко может быть размещен целевой объект P измерения.
Хотя вышеописанный зазор может быть спроектирован соответствующим образом в соответствии с амплитудой дрожания целевого объекта P измерения и ограничениями на установку устройства, при увеличении зазора устройство должно увеличиваться в размере, а регулировка оптического пути становится сложнее. И, напротив, когда зазор небольшой, то имеется риск того, что целевой объект P измерения и устройство 1 спектрального анализа вступят в контакт друг с другом из-за дрожания целевого объекта P измерения или подобного. Следовательно, зазор необходимо определять с учетом безопасности. Если целевой объект P измерения представляет собой стальную полосу на непрерывной линии, то зазор необходимо определять с учетом: непостоянной части, такой как место сварки стальной полосы; формы полосы; вырубки и прошивки при обслуживании или других работах, выполняемых оператором.
Модуль 3 приема света включает в себя объективное зеркало 31, модуль 32 разделения поляризованного света, модуль 33 детектирования p-поляризованного света и модуль 34 детектирования s-поляризованного света. Объективное зеркало 31 отражает инфракрасный свет IR, отраженный от целевого объекта P измерения, в направлении модуля 32 разделения поляризованного света. Модуль 32 разделения поляризованного света состоит из разделителя поляризованного луча. Модуль 32 разделения поляризованного света разделяет свет, отраженный от объективного зеркала 31, на s-поляризованный свет и p-поляризованный свет и подает p-поляризованный свет и s-поляризованный свет на модуль 33 детектирования p-поляризованного света и модуль 34 детектирования s-поляризованного света соответственно.
Модуль 33 детектирования p-поляризованного света и модуль 34 детектирования s-поляризованного света состоят из чувствительного элемента к инфракрасному излучению, такого как триглицинсульфат (TГС), который обычно используют для FTIR. Модуль 33 детектирования p-поляризованного света детектирует интерферограмму p-поляризованного света, полученного путем разделения модулем 32 разделения поляризованного света, преобразует интенсивность интерферограммы p-поляризованного света в электрический сигнал и выводит электрический сигнал на модуль 4 вывода. Модуль 34 детектирования s-поляризованного света детектирует интерферограмму s-поляризованного света, полученного путем разделения модулем 32 разделения поляризованного света, преобразует интенсивность интерферограммы s-поляризованного света в электрический сигнал и выводит электрический сигнал на модуль 4 вывода.
В этом случае модуль 33 детектирования p-поляризованного света и модуль 34 детектирования s-поляризованного света желательно выполнять из отдельных элементов. Наличие отдельных детекторов для p-поляризованного света и s-поляризованного света позволяет одновременно получать соответствующие сигналы, соответствующие p-поляризованному свету и s-поляризованному свету. Наличие отдельных детекторов для p-поляризованного света и s-поляризованного света также позволяет обрабатывать различия между двумя детекторами, благодаря чему измерения могут быть более устойчивыми к таким помехам, как изменение атмосферы, флуктуация источника света и дефект в поле зрения, возникающий на пути оптической системы.
Другая возможная конфигурация включает в себя модуль детектирования, состоящий из поляризаторов и одного детектора, в котором измерение проводят при переключении между p-поляризованным светом и s-поляризованным светом, например, путем переключения или вращения поляризаторов. Однако в таком случае, пока измеряют один тип поляризованного света, другой тип поляризованного света не может быть измерен. То есть p-поляризованный свет не может быть измерен во время измерения s-поляризованного света, и наоборот. Если возникает помеха, такая как быстрое изменение атмосферы, во время такого переключения, то эта помеха влияет на измерение.
При измерении в режиме реального времени положения измерения меняются в каждый момент, и поэтому, положения измерения, соответствующие s-поляризованному свету и соответствующие p-поляризованному свету, различны. Следовательно, невозможно уменьшить влияние помех, используя разность между сигналом, соответствующим s-поляризованному свету, и сигналом, соответствующим p-поляризованному свету. Таким образом, при измерении в режиме реального времени необходимо иметь отдельные детекторы, разделять свет на s-поляризованный свет и p-поляризованный свет с помощью разделителя поляризованного луча и одновременно измерять эти отдельные компоненты света с использованием соответствующих детекторов.
В качестве поляризационного светоделителя в модуле 32 разделения поляризованного света желательно использовать поляризатор с проволочной сеткой. В частности, в целом, есть только несколько материалов, которые пропускают инфракрасный свет, поэтому нельзя применять объемный светоделитель, как в случае видимого света. Поэтому предпочтительно применять проволочный сетчатый поляризатор, который используют в качестве поляризатора для инфракрасной области, и разделять, например, s-поляризованный свет как проходящий свет и p-поляризованный свет как отраженный свет. Также допускается противоположный способ разделения.
Если материал светоделителя имеет низкий коэффициент пропускания, то количество света неизбежно уменьшается и делает измерение невозможным, или возникают другие неудобства, такие как возникновение псевдопика из-за меньшего отношения сигнал/шум. По этой причине поляризатор желательно изготавливать из материала, имеющего коэффициент пропускания 70% или более в диапазоне измеряемых волновых чисел. Поскольку смесь непредусмотренного поляризованного света снижает чувствительность, желательно превысить коэффициент затухания, который указывает на коэффициент смеси непредусмотренного поляризованного света, равный 100 или более.
Материал оптического элемента, используемого в качестве разделителя поляризованного света, может быть выбран, например, из фторида бария (BaF2), бромйодида таллия (KRS-5), ZnSe и германия, в зависимости от ситуации. Чтобы повысить чистоту поляризации, перед детектором на стороне отражания может быть установлен поляризатор, который является ортогональным (угол 90 градусов) по отношению к разделителю поляризованного луча. Такое расположение обусловлено тем, что предполагаемый компонент поляризованного света смешан с отраженным светом из-за френелевского отражения на поверхности поляризатора. Эта смесь приводит к более низкому отношению сигнал/шум.
Модуль 4 вывода состоит из модуля арифметической обработки, такого как компьютер, и выполняет описанный ниже процесс спектрального анализа электрических сигналов, выводимых из модуля 33 детектирования p-поляризованного света и модуля 34 детектирования s-поляризованного света, анализируя тем самым состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта P измерения.
Если устройство 1 спектрального анализа применяют для оценки оксидной пленки на непрерывной производственной линии на заводе по производству стального листа, то требуются меры по контролю окружающей среды. Примеры факторов, которые негативно влияют на измерение, включают в себя порошковую пыль, CO2 и пар. Если CO2 или пар присутствует на пути, то инфракрасный свет поглощается. Если имеется порошковая пыль, то инфракрасный свет не только поглощается исходными материалами порошковой пыли, но также рассеивается таким образом, что количество света уменьшается. Кроме того, воздействие на оптические компоненты, такие как зеркало, порошковой пыли или пара, приводит к повреждению зеркала и других компонентов устройства. Поэтому желательно проводить продувку с использованием инертного газа, такого как сухой азот или аргон, или использовать герметичную конструкцию с оптическим окном.
В частности, когда разработаны меры для предотвращения воздействия пара или порошковой пыли без какого-либо влияния на оптические свойства, считается возможным подвергнуть всю оптическую систему продувке с использованием инертного газа для устранения порошковой пыли или пара. В то время как расположение оптических систем и размеры окон, которые определяются в зависимости от этого расположения, могут быть спроектированы соответствующим образом с учетом окружающей атмосферы, нагнетание аргона или сухого газообразного азота постоянного давления является легко применимой схемой. Используемая конструкция представляет собой такую конструкцию, в которой продувочный газ выдувают из двух отверстий, выполненных на поверхности, обращенной к цели измерения, в частности в тех частях, где проходит оптический путь. Хотя диаметры отверстий могут быть определены в соответствии с диаметрами оптического пути, отверстия предпочтительно имеют диаметр, например, около 2 см. Отверстия, которые имеют слишком большой диаметр, вынуждают использовать более высокое давление продувки, что означает более высокую стоимость газа. Кроме того, облегчается проникновение порошковой пыли, что делает отверстия бесполезными. Отверстия, которые имеют слишком маленький диаметр, напротив, мешают инфракрасному свету и поэтому не подходят.
Однако приведенная выше конфигурация делает необходимым проведение постоянных продувок после установки, что вызывает опасения по поводу эксплуатационных расходов на продувочный газ. Учитывая эту проблему, возможный подход состоит в том, чтобы установить окно на оптическом пути и остальную область герметизировать. Материал окна, вставленный на пути приема и пути проецирования инфракрасного света, должен иметь высокий коэффициент пропускания для диапазона измеряемых волновых чисел от 800 до 1400 см-1. Оптическая система в соответствии с настоящим вариантом осуществления включает в себя по меньшей мере два окна - на стороне проецирования света и на стороне приема света. Следовательно, если окна имеют низкий коэффициент пропускания, то интенсивность света заметно снижается. По этой причине выбран материал, имеющий коэффициент пропускания 60% или более, более предпочтительно 80% или более. Очевидно, что желателен материал, не зависящий от поляризации и имеющий плоскую характеристику пропускания. Кроме того, при использовании материала окна важным вопросом проектирования является выбор материала на основе твердости поверхности. Материал окна, имеющий более высокую твердость, является более желательным, чтобы на материале окна не появлялись царапины при очистке материала окна после того, как порошковая пыль прилипнет к материалу окна.
В этом устройстве 1 спектрального анализа угол α проекции инфракрасного света IR является большим, и на чувствительность обнаружения значительно влияют небольшие колебания фокальной точки. По этой причине желательно, чтобы устройство 1 спектрального анализа включало в себя внутреннее устройство измерения расстояния, которое измеряет расстояние между положением измерения целевого объекта P измерения и устройством 1 спектрального анализа (расстояние в направлении x). В качестве устройства измерения расстояния можно использовать обычный измеритель расстояния, при этом желательно, чтобы точность измерения составляла 0,1 мм или менее. Диапазон измерения может быть определен в соответствии с расстоянием между устройством измерения расстояния и целевым объектом P измерения. В качестве устройства измерения расстояния пригоден лазерный дальномер или подобное устройство. Устройство измерения расстояния может быть использовано для измерения расстояния между целевым объектом P измерения и устройством 1 спектрального анализа, чтобы использовать измеренное расстояние для регулировки при установке устройства.
Пример конфигурации устройства, включающего в себя устройство измерения расстояния, показан на фиг. 2. Как показано на фиг. 2, устройство 5 измерения расстояния установлено в таком положении, что положение измерения по существу совпадает с положением фокусировки инфракрасного света IR. В частности, расстояние до целевого объекта P измерения измеряют в положении измерения устройства 1 спектрального анализа с помощью устройства 5 измерения расстояния, причем устройство 5 измерения расстояния установлено так, чтобы высота оптического пути инфракрасного света IR (высота по направлению z) и высота установки устройства 5 измерения расстояния (высота по направлению z) могли быть одинаковыми, и чтобы положение измерения устройства 5 измерения расстояния совпадало с центром положения измерения (положением фокальной точки) устройства 1 спектрального анализа, исходя из положения оптического пути падения и отражения инфракрасного света IR.
Длина волны модуля 2 проецирования света является инфракрасной. Поэтому в настоящей оптической системе необходимо использовать зеркало с большим фокусным расстоянием, которое не позволяет интенсивно собирать свет. Следовательно, размер пятна измерения IR (фокальная точка) составляет около нескольких миллиметров. По этой причине положение измерения устройства 5 измерения расстояния может быть задано в пределах размера этого пятна. Если в качестве устройства 5 измерения расстояния используют лазерный дальномер, то в большинстве случаев пятно измерения составляет около 1 мм или менее, при этом устройство 5 измерения расстояния может быть установлено вблизи центра пятна инфракрасного света.
Кроме того, положение, которое обеспечивает самую высокую интенсивность сигнала, определяют как положение фокальной точки на основе предыдущего измерения или тому подобного, а значение, измеренное устройством 5 измерения расстояния, записано ранее. Если устройство установлено, например, на производственной линии, то положение установки может быть определено с учетом измеренного значения, то есть положения фокальной точки. Таким образом, желательно, чтобы устройство 5 измерения расстояния было установлено в центральной части устройства 1 спектрального анализа, чтобы положение измерения устройства 5 измерения расстояния и положение измерения устройства 1 спектрального анализа могли совпадать друг с другом. Устройство 1 спектрального анализа может иметь пространство для установки устройства 5 измерения расстояния в центральной части, поскольку в этой конфигурации угол α проекции инфракрасного света IR является большим. Следовательно, устройство 5 измерения расстояния может быть установлено без помех для оптического пути инфракрасного света.
Если в качестве устройства 5 измерения расстояния используют лазерный дальномер, то необходимо предотвратить проникновение пыли путем установки на корпусе устройства 1 спектрального анализа оптического окна для устройства 5 измерения расстояния. Лазерный дальномер использует видимый свет, поэтому можно для окна использовать такой материал, который пропускает видимый свет, как стекло. Однако использование стеклянного окна может вызвать преломление, вследствие чего значение, измеренное лазерным дальномером, может быть неправильным. Стеклянное окно необходимо использовать после проверки его точности.
Например, в качестве устройства 5 измерения расстояния использовался лазерный дальномер на основе триангуляции. Лазерный дальномер устанавливали таким образом, чтобы он совпадал с фокальной точкой инфракрасного света, а центральную точку инфракрасного света и оптический путь лазерного дальномера устанавливали так, чтобы они совпадали друг с другом при зазоре, установленном на 50 мм, что является опорным значением зазора. Стекло толщиной около 0,8 мм было прикреплено к лазерному дальномеру в качестве материала окна для формирования герметичной конструкции, чтобы можно было предотвратить проникновение извне порошковой пыли. Значение измерения лазерного дальномера было проверено до и после установки стекла, и, хотя было обнаружено смещение около 1 мм, линейность по существу сохранялась. Поскольку опорное значение зазора составляет 50 мм, была выполнена настройка установки, чтобы значение, измеренное лазерным дальномером, соответствовало опорному значению.
На фиг. 3 показаны изменения сигнала интенсивности p-поляризованного света и s-поляризованного света, которые сопровождают изменения относительного положения рулона и устройства измерения расстояния. На фиг. 3 линия L1 представляет интенсивность сигнала p-поляризованного света, а линия L2 представляет интенсивность сигнала s-поляризованного света. Вертикальная ось представляет относительную интенсивность сигнала (дБ). Относительная интенсивность сигнала, по существу, на пиках линии L1 и линии L2 задана равной 0 дБ, а масштаб ее измерения выражен в единицах 1 дБ. Как показано на фиг. 3, когда измерение целевого объекта P измерения выполняется на части рулона, которая намотана вокруг цилиндрического транспортировочного рулона, который вращается вокруг оси вращения, проходящей в направлении оси y, интенсивность сигнала уменьшается, если оптический путь (относительное положение между рулоном и устройством 5 измерения расстояния) смещен от вершины рулона в направлении z. Более конкретно, в то время как интенсивность сигнала является самой высокой на вершине рулона, когда расстояние в направлении x между объектом P измерения и устройством 1 спектрального анализа, интенсивность сигнала уменьшается по мере ухода от вершины рулона. Помимо простого уменьшения интенсивности сигнала, в некоторых случаях наблюдается зависимость от длины волны. По этой причине, исходя из интенсивностей сигнала, положение устройства 1 спектрального анализа в направлении z должно быть отрегулировано так, чтобы положение на направлении z было обращено к вершине рулона.
В отличие от этого, на фиг. 4 и фиг. 5 показаны примеры изменений в спектрах отражения p-поляризованного света и s-поляризованного света, когда была намеренная расфокусировка света при использовании в качестве эталона золотого зеркала. На фиг. 4 и фиг. 5 показано изменение в спектрах отражения, когда фокус был намеренно смещен, по отношению к зеркалу с плоской поверхностью, на 3 мм дальше (в направлении, в котором увеличивается х-расстояние между устройством 1 спектрального анализа и целевым объектом P измерения). Сплошные линии L3 и L5 представляют спектры отражения, когда использовалось сфокусированное излучение, пунктирные линии L4 и L6 представляют спектры отражения, когда использовалась намеренно расфокусировка. Как показано на фиг. 4 и фиг. 5, можно обнаружить, что, когда фокус был намеренно потерян в направлении x, в спектре отражения p-поляризованного света не наблюдается значительных изменений, а в спектре отражения s-поляризованного света появляются одиночные пики. Считается, что это связано с такими факторами, как уменьшение количества света из-за ограничений размеров деталей на пути через оптическую систему в результате изменения оптического пути, а также флуктуации чувствительности обнаружения деталей на пути через оптическую систему или детектирующего элемента. Учитывая вышеуказанное обсуждение, настройка положения между устройством 1 спектрального анализа и целевым объектом P измерения является важным параметром.
Положение вершины рулона также можно определить по значению, измеренному устройством 5 измерения расстояния. На фиг. 6 показан пример, в котором измеряли расстояние до целевого объекта P измерения в направлении x, когда лазерный дальномер перемещали вверх и вниз в направлении z с использованием точной регулировки. Горизонтальная ось представляет относительное положение между рулоном и лазерным дальномером, а вертикальная ось представляет значения, измеренные лазерным дальномером. Как показано на фиг. 6, положение вершины рулона можно найти, применяя аппроксимацию кривой к значениям, измеренным лазерным дальномером, и получая с использованием подогнанной кривой, полученной посредством аппроксимации, положение, в котором значения, измеренные лазерным дальномером, имеют наименьшее значение.
Можно считать, что измерение в части намотки рулона выполняют в положении измерения, благоприятном для проведения измерений в режиме реального времени с учетом стабильности траектории. В отличие от этого, когда положение измерения не совпадает с вершиной рулона, угол отражения инфракрасного света IR изменяется, поскольку целевой объект P измерения наматывают. Это приводит к снижению интенсивности сигнала. По этой причине необходимо определить вершину рулона и отрегулировать положение измерения в соответствии с вершиной рулона, для чего необходим способ количественной оценки и идентификации. Таким образом, как на фиг. 6, подтверждено, что вершина рулона может быть обнаружена по значениям, измеренным устройством 5 измерения расстояния. Также подтверждено, что положение вершины было практически одинаковым при проверке с помощью юстировочного луча и при визуальном наблюдении.
Однако желательно, чтобы положение вершины определяли путем применения параболической аппроксимации к нескольким точкам, значения для которых измеряют как расстояния, и последующего вычисления положения вершины рулона. Это связано с тем, что при считывании значения лазерного дальномера может возникнуть ошибка, а также с тем, что имеется небольшая разница в значениях вблизи вершины рулона большого диаметра. В частности, положение вершины рулона может быть рассчитано путем измерения зазора относительно по меньшей мере нескольких точек в произвольном диапазоне (в частности, около 20 мм), центрированных на вершине, и применения аппроксимации дуги, или к группе этих точек применяют аппроксимацию квадратичной функции. В настоящем устройстве оптический путь невидим, поскольку используют инфракрасный свет. По этой причине создается эффект настройки положения установки с использованием в качестве ориентира света лазерного дальномера.
Желательно, чтобы был предусмотрен многоосевой механизм регулировки для регулировки положения устройства 1 спектрального анализа. В качестве примера может быть предусмотрен шестиосевой механизм регулировки. Количество осей может быть уменьшено в зависимости от таких факторов, как уровень точности установки, необходимый для реального устройства.
В частности, может быть использован трехосный механизм регулировки для выравнивания основного корпуса устройства 1 спектрального анализа и для регулировок углов относительно целевого объекта P измерения (регулировок в направлении z). При регулировке угла между устройством 1 спектрального анализа и целевым объектом P измерения требуется точная настройка. Также необходимо выполнить не только регулировку, нацеленную на вершину рулона, но также и точную настройку, такую как обеспечение горизонтальной установки и направление оптического пути перпендикулярно точке измерения, если измерение выполняют на части намотки рулона. По этой причине необходимо выполнить точную настройку с точки зрения высоты и горизонтального угла.
Одноосный механизм регулировки может быть использован для регулировок положения в направлении по ширине целевого объекта P измерения (регулировок в направлении y). Например, когда распределение в направлении по ширине измеряют в режиме реального времени, необходима регулировка. Диапазон регулировки может быть определен в соответствии с шириной измеряемого объекта и степенью вариаций целевого объекта, на котором необходимо выполнять измерения. Одноосный механизм регулировки используют для отслеживания ширины листа, если необходимо сконцентрировать измерение на краевой части, в которой более вероятно появление изменений во времени.
Двухосный механизм регулировки может быть использован для регулировки зазора и регулировки поворота и наклона (регулировки по направлению x) между целевым объектом P измерения и устройством 1 спектрального анализа. При изменении зазора изменяется положение отраженного света, что существенно влияет на интенсивность сигнала. Кроме того, когда основной корпус устройства 1 спектрального анализа установлен под наклоном, угол падения и угол отражения инфракрасного света IR отклоняются, что влечет за собой риск существенного снижения интенсивности сигнала. По этим причинам желательно, чтобы регулировка зазора и регулировка наклона могли быть выполнены независимо друг от друга. Двухосный механизм регулировки также можно использовать для отслеживания изменений толщины целевого объекта P измерения.
В качестве механизма регулировки может быть использован электрический привод или подобное, и может быть использован электрический привод, который имеет необходимое разрешение и нагрузочную характеристику, которая позволяет электрическому приводу выдерживать вес устройства 1 спектрального анализа. Высокая точность, в частности, требуется для осей регулировки в направлении z и в направлении x, и поэтому желательно, чтобы механизм регулировки имел разрешение не менее 0,01 мм.
Процесс спектрального анализа
Далее со ссылкой на фиг. 7 - 16 описана процедура спектрального анализа в качестве варианта осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7 приведена блок-схема последовательности действий процедуры спектрального анализа в виде варианта осуществления настоящего изобретения. Блок-схема последовательности действий, показанная на фиг. 7, начинается с ввода команды на выполнение процесса спектрального анализа в устройство 1 спектрального анализа, а затем процесс спектрального анализа переходит к этапу S1.
На этапе S1 модуль 2 проецирования света проецирует инфракрасный свет IR на поверхность целевого объекта P измерения под углом a проекции. Таким образом, этап S1 завершают, и процесс спектрального анализа переходит к этапу S2.
На этапе S2 модуль 3 приема света принимает отраженный от целевого объекта P измерения инфракрасный свет IR, разделяет отраженный свет на s-поляризованный свет и p-поляризованный свет и подает p-поляризованный свет и s-поляризованный свет на модуль 33 детектирования p-поляризованного света и модуль 34 детектирования s-поляризованного света соответственно. Модуль 33 детектирования p-поляризованного света детектирует интерферограмму p-поляризованного света, полученного путем разделения модулем 32 разделения поляризованного света, преобразует интенсивность интерферограммы p-поляризованного света в электрический сигнал и выводит электрический сигнал на модуль 4 вывода. Модуль 34 детектирования s-поляризованного света детектирует интерферограмму s-поляризованного света, полученного путем разделения модулем 32 разделения поляризованного света, преобразует интенсивность интерферограммы s-поляризованного света в электрический сигнал и выводит электрический сигнал на модуль 4 вывода. Таким образом, этап S2 завершают, и процесс спектрального анализа переходит к этапу S3.
На этапе S3 модуль 4 вывода применяет преобразование Фурье к интерферограммам, полученным от модуля 33 детектирования p-поляризованного света и модуля 34 детектирования s-поляризованного света, тем самым вычисляют спектры отражения p-поляризованного света и s-поляризованного света. На фиг. 8 показан пример данных измерений спектров интенсивности p-поляризованного света и s-поляризованного света. На фиг. 8 спектр L7 представляет спектр отражения p-поляризованного света, а линия L8 представляет спектр отражения s-поляризованного света. Таким образом, этап S3 завершается, и процесс спектрального анализа переходит к этапу S4.
На этапе S4 модуль 4 вывода в качестве коэффициента отражения вычисляет отношение между интенсивностью спектра отражения p-поляризованного света и интенсивностью спектра отражения s-поляризованного спектра в соответствии с уравнением (1), описанным выше. На фиг. 9 показаны спектры отражения, вычисленные из спектров отражения p-поляризованного света и s-поляризованного света, показанных на фиг. 8. Как показано на фиг. 9, в спектре отражения можно наблюдать пики основных компонент. Затем, модуль 4 вывода преобразует коэффициент отражения в коэффициент поглощения путем взятия десятичного логарифма от коэффициента отражения. На фиг. 10 показан спектр поглощения, вычисленный из спектра отражения, показанного на фиг. 9. Тем самым, может быть вычислен спектр поглощения покрытия, находящегося на поверхности целевого объекта P измерения. Таким образом, этап S4 завершается, и процесс спектрального анализа переходит к этапу S5.
На этапе S5 модуль 4 вывода корректирует спектры поглощения p-поляризованного света и s-поляризованного света, исходя из расстояния (фактического значения зазора) между целевым объектом P измерения и устройством 1 спектрального анализа, измеренного устройством 5 измерения расстояния. Более конкретно, как описано выше, изменение зазора сокращает общее количество света и изменяет спектр на определенной длине волны. В то время как уменьшение общей интенсивности света устраняется путем вычисления отношения между s-поляризованным светом и p-поляризованным светом и корректировки базовой линии, изменение спектра не устраняется и становится помехой. В частности, если изменение спектра вследствие изменения зазора перекрывает спектр компоненты целевого объекта P измерения, то измерение становится невозможным. По этой причине на этапе S5 с помощью предварительно подготовленных данных спектров поглощения, соответствующих значениям зазора, модуль 4 вывода корректирует спектр поглощения между p-поляризованным светом и s-поляризованным светом в отношении данных спектра поглощения, соответствующих измеренному фактическому значению зазора.
На фиг. 11 показан пример данных спектров поглощения, соответствующих значениям зазора. В качестве примера, можно использовать данные спектров поглощения для золотого зеркала при изменении значения зазора. На фиг. 11 показаны изменения спектра поглощения s-поляризованного света, когда зазор изменяют от опорного значения, которое центрировано на фокальном положении, в диапазоне ±1 мм с шагом 0,2 мм. Затем, заранее устанавливают формулу интерполяции, которая представляет изменения коэффициента поглощения в связи с изменениями значения зазора. В качестве примера, изменения коэффициента поглощения на волновом числе 980 см-1 показаны на фиг. 12. Хотя можно осуществить аппроксимацию кривой, представляющей коэффициент поглощения в настоящем примере, квадратичной функцией, применяемая формула аппроксимации не ограничена ею. Если измеренный зазор смещен от опорного значения, то считают, что изменения в спектрах накладываются. Коэффициент поглощения, соответствующий величине сдвига зазора, вычитают. Выполняют корректировку расстояния фактически измеренных данных путем применения этой операции к спектрам поглощения s-поляризованного света и p-поляризованного света.
Более конкретно, на фиг. 13 показаны примеры спектров поглощения p-поляризованного света и s-поляризованного света при потере фокуса. На фиг. 13 пунктирная линия L9 представляет спектр поглощения p-поляризованного света, а сплошная линия L10 представляет спектр поглощения s-поляризованного света. Как показано на фиг. 13, пики можно обнаружить в положениях, соответствующих диоксиду кремния и фаялиту в спектре L9 поглощения для p-поляризованного света. В отличие от этого, изменение в спектре, как описано выше, можно обнаружить около волнового числа 1000 см-1 в спектре L10 поглощения для s-поляризованного света. Размер этого изменения спектра является большим по сравнению с изменением спектра p-поляризованного света. Следовательно, вычисление соотношения интенсивности между спектрами p-поляризованного света и s-поляризованного света в этом состоянии охватывает спектр, соответствующий фаялиту.
Таким образом, расчет корректировки выполняют на основе данных, показанных на фиг. 11 и фиг. 12. Зазор в этом примере был смещен на 0,8 мм от опорного значения, в расчете был задействован спектр поглощения, полученный с использованием золотого зеркала на 0,8 мм. Полученный в результате спектр поглощения для s-поляризованного света показан на фиг. 14. Сплошная линия L11, показанная на фиг. 14, представляет нескорректированный спектр поглощения для s-поляризованного света (такой же, как представленный сплошной линией L10 на фиг. 13), а пунктирная линия L12 представляет скорректированный спектр поглощения для s-поляризованного света. Как показано на фиг. 14, видно, что спектр поглощения был очищен от деформации и по существу был плоским. Таким образом, была выполнена корректировка спектра с использованием фактического зазора. В результате, предотвращается изменение спектра вследствие флуктуаций зазора во время работы устройства и смещения установки устройства, что дает возможность проводить стабильное измерение состава поверхности. Таким образом, этап S5 завершается, и процесс спектрального анализа переходит к этапу S6. Этот этап S5 может быть пропущен, если величина флуктуаций зазора находится в пределах допустимого диапазона.
На этапе S6 модуль 4 вывода выполняет корректировку базовой линии спектра поглощения, полученного на этапе S5. Корректировка базовой линии может быть выполнена так, что устанавливают равной нулю любую область, отличную от максимальной длины волны, которая является характерной для известной компоненты в целевом объекте P измерения. Например, известно, что стальной лист, который содержит кремний (Si) в качестве элемента, содержит такие компоненты, как фаялит и диоксид кремния, и их спектры также известны. Соответственно, даже по спектру поглощения после коррекции расстояния, показанной на фиг. 14, в котором еще не было корректировки базовой линии, можно установить, что эти компоненты имеются. Для стального материала, который содержит другой элемент, к целевому элементу и его оксиду может быть применен тот же принцип, в результате чего может быть найден известный спектр для коррекции базовой линии.
Однако может быть установлено, что в зависимости от поляризационных характеристик источника света, а также промежуточных частей оптической системы, имеются смещения. Модуль 4 вывода соответственно выполняет корректировку базовой линии. В частности, в настоящем варианте осуществления корректировку применяют таким образом, что впадину между каждыми соседними пиками устанавливают равной нулю. Более конкретно, предполагается, что s-поляризованный свет и p-поляризованный свет, в принципе, имеют одинаковый уровень поглощения при волновых числах, которые не обладают чувствительностью к инфракрасному свету. Поэтому для установки точки локального минимума у основания каждого пика в ноль выполняют вычисление при корректировке базовой линии, как показано на фиг. 15, после подтверждения того, что соответствующий спектр поглощения не представлен.
Более конкретно, во-первых, диапазоны поиска устанавливают между некоторыми пиками, относящимися к известному компоненту, и получают значения локальных минимумов (x1, y1) и (x2, y2). Если соответствующие коэффициенты поглощения до и после корректировки обозначить через y и Y соответственно, то с использованием каждого из значений локальных минимумов градиент A выражается с использованием уравнения (5), приведенного ниже. После этого выполняют корректировку базовой линии, где коэффициент поглощения Y после коррекции выражен уравнением (6), приведенным ниже. Результат корректировки базовой линии, выполненной для четырех пиков в соответствии с этим принципом, показан на фиг. 16. Можно обнаружить, что пики, относящиеся к известным компонентам, были четко разделены. Таким образом, этап S6 завершается, и процесс спектрального анализа переходит к этапу S7.
A = (y2 – y1)(x2 – x1) (5)
Y = (y – y1) - A(x – x1) (6)
На этапе S7 из спектра поглощения, полученного с помощью коррекции базовой линии, модуль 4 вывода вычисляет состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта измерения с помощью известного способа, в котором используют пиковые области и пиковые интенсивности. Таким образом, можно рассчитать, например, состав или основную массу кислорода в оксидной пленке. Кроме того, это дает возможность наблюдать состав пленки путем расчета соотношения фаялит/диоксид кремния или подтвердить, не образуется ли такой оксид, как FeO (который вреден для работы, если количество кислорода или кислородное число превышает диапазон для обычной работы). Кроме того, использование двух или более настоящих устройств или приведение в действие настоящего устройства, используемого как единственное, для перемещения в направлении по ширине позволяет оценить изменения в направлении по ширине или оценить различия между передней и задней сторонами полосы. Таким образом, завершается этап S7, и завершается последовательность действий, сформулированная в виде процесса спектрального анализа.
Хотя выше описаны варианты осуществления, к которым применяют изобретение, сделанное авторами настоящего изобретения, описания и чертежи, которые составляют части раскрытия настоящего изобретения в виде настоящего варианта осуществления, не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Например, настоящее изобретение может быть применено в качестве этапа контроля, входящего в способ производства стальной полосы, для анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности стальной полосы. Настоящее изобретение также может быть применено к способу обеспечения качества стальной полосы для обеспечения качества стальной полосы путем анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности стальной полосы. Таким образом, все другие варианты осуществления, примеры и технологии работы, выполненные специалистом на основе настоящего варианта осуществления, подпадают под объем настоящего изобретения.
Промышленная применимость
В соответствии с настоящим изобретением может быть предложено устройство спектрального анализа и способ спектрального анализа, которые позволяют с высокой точностью анализировать состав и/или соотношение компонентов состава поверхности объекта измерения. Также может быть предложен способ производства стальной полосы, который позволяет с высокой эффективностью получать стальную полосу, имеющую требуемый состав поверхности и/или требуемое соотношение компонентов состава поверхности. Также может быть предложен способ обеспечения качества стальной полосы, который позволяет обеспечить получение высококачественной стальной полосы.
Список ссылочных позиций
1 устройство спектрального анализа
2 модуль проецирования света
3 модуль приема света
4 модуль вывода
5 устройство измерения расстояния
21 модуль FTIR
21а источник света
21b интерферометр
22, 31 объективное зеркало
32 модуль разделения поляризованного света
33 детектор p-поляризованного света
34 детектор s-поляризованного света
IR инфракрасный свет
P целевой объект измерения.

Claims (30)

1. Устройство спектрального анализа, содержащее:
модуль проецирования света, выполненный с возможностью проецирования инфракрасного света на целевой объект измерения;
модуль приема света, выполненный с возможностью приема инфракрасного света в виде света, отраженного поверхностью целевого объекта измерения; и
модуль вывода, выполненный с возможностью вычислять состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта измерения, используя отраженный свет, принятый модулем приема света, при этом
модуль приема света включает в себя:
делитель, выполненный с возможностью разделять отраженный свет на s-поляризованный свет и p-поляризованный свет;
детектор для s-поляризованного света, выполненный с возможностью детектировать s-поляризованный свет, полученный посредством разделения делителем, и выдавать на модуль вывода электрический сигнал, указывающий интенсивность s-поляризованного света; и
детектор для p-поляризованного света, выполненный с возможностью детектировать p-поляризованный свет, полученный посредством разделения делителем, и выдавать на модуль вывода электрический сигнал, указывающий интенсивность p-поляризованного света; и
модуль вывода выполнен с возможностью:
вычислять коэффициент поглощения на основе отношения между интенсивностями s-поляризованного света и p-поляризованного света, используя электрические сигналы, выводимые из детектора для s-поляризованного света и детектора для p-поляризованного света; и
вычислять состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта измерения с использованием величины указанного коэффициента поглощения при заданном волновом числе.
2. Устройство спектрального анализа по п. 1, также содержащее модуль измерения расстояния, выполненный с возможностью измерять расстояние между положением на целевом объекте измерения, облучаемом инфракрасным светом, и устройством спектрального измерения, причем
модуль вывода выполнен с возможностью корректировать коэффициент поглощения в соответствии со значениями, измеренными модулем измерения расстояния.
3. Способ спектрального анализа, содержащий:
этап проецирования инфракрасного света на целевой объект измерения;
этап приема инфракрасного света в виде света, отраженного поверхностью целевого объекта измерения; и
этап вывода, на котором вычисляют состав и/или соотношение компонентов состава поверхности целевого объекта измерения с использованием отраженного света, принятого на этапе приема, при этом
этап приема включает в себя:
этап разделения отраженного света на s-поляризованный свет и p-поляризованный свет;
этап детектирования s-поляризованного света, полученного на этапе разделения, и выдачи электрического сигнала, который указывает интенсивность детектированного s-поляризованного света; и
этап детектирования p-поляризованного света, полученного на этапе разделения, и выдачи электрического сигнала, который указывает интенсивность детектированного p-поляризованного света; и
этап вывода включает в себя этап:
вычисления коэффициента поглощения на основе отношения между интенсивностями s-поляризованного света и p-поляризованного света с использованием электрических сигналов, выведенных на этапе детектирования s-поляризованного света и на этапе детектирования p-поляризованного света; и
вычисления состава и/или соотношения компонентов состава поверхности целевого объекта измерения с использованием величины коэффициента поглощения при заданном волновом числе.
4. Способ производства стальной полосы, включающий:
этап получения стальной полосы; и
этап анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности стальной полосы, полученной на этапе производства, с использованием способа спектрального анализа по п. 3.
5. Способ обеспечения качества стальной полосы, включающий:
этап анализа состава и/или соотношения компонентов состава поверхности стальной полосы с использованием способа спектрального анализа по п. 3; и
этап проведения контроля качества стальной полосы на основе результата анализа, полученного на этапе анализа.
RU2020127254A 2018-01-18 2018-12-17 Устройство спектрального анализа, способ спектрального анализа, способ производства стальной полосы и способ обеспечения качества стальной полосы RU2745856C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018-006528 2018-01-18
JP2018006528 2018-01-18
PCT/JP2018/046266 WO2019142569A1 (ja) 2018-01-18 2018-12-17 分光分析装置、分光分析方法、鋼帯の製造方法、及び鋼帯の品質保証方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2745856C1 true RU2745856C1 (ru) 2021-04-02

Family

ID=67302131

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020127254A RU2745856C1 (ru) 2018-01-18 2018-12-17 Устройство спектрального анализа, способ спектрального анализа, способ производства стальной полосы и способ обеспечения качества стальной полосы

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11255778B2 (ru)
EP (1) EP3742152A4 (ru)
JP (1) JP6849059B2 (ru)
KR (1) KR102341437B1 (ru)
CN (1) CN111630367B (ru)
RU (1) RU2745856C1 (ru)
WO (1) WO2019142569A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3842792A1 (en) * 2019-12-26 2021-06-30 Dukane IAS, LLC Methods for measuring spectral absorption by objects

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07311312A (ja) * 1994-03-25 1995-11-28 Omron Corp 光学式センサ装置
JP3637192B2 (ja) * 1997-01-22 2005-04-13 新日本製鐵株式会社 電磁鋼脱炭焼鈍板の分光分析装置および分光分析方法
WO2005083352A1 (en) * 2004-02-11 2005-09-09 Filmetrics, Inc. Method and apparatus for high-speed thickness mapping of patterned thin films
JP2009294059A (ja) * 2008-06-05 2009-12-17 Sumitomo Metal Ind Ltd 皮膜付き合金化溶融亜鉛めっき鋼板の皮膜付着量測定方法及び装置
WO2017055895A1 (en) * 2015-09-30 2017-04-06 Arcelormittal Method of online characterization of a layer of oxides on a steel substrate

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57203091A (en) 1981-06-10 1982-12-13 Teijin Ltd Production of organogermanium compound
US4589776A (en) * 1982-09-27 1986-05-20 Chiratech, Inc. Method and apparatus for measuring optical properties of materials
JPH03108639A (ja) * 1989-09-22 1991-05-08 Nippon Steel Corp 電磁鋼板の内部酸化層生成量の簡易迅速推定法
US5835220A (en) * 1995-10-27 1998-11-10 Nkk Corporation Method and apparatus for detecting surface flaws
JP3826578B2 (ja) * 1998-08-25 2006-09-27 Ｊｆｅスチール株式会社 表面検査装置
JP3446008B2 (ja) * 1998-08-25 2003-09-16 Ｊｆｅスチール株式会社 表面検査装置
JP2000097634A (ja) * 1998-09-28 2000-04-07 Omron Corp 撮像装置及びこれを用いた光式センサ
JP2000121323A (ja) * 1998-10-14 2000-04-28 Hitachi Ltd 表面高さ検査方法及びその検査装置並びにカラーフィルタ基板、その検査方法及びその製造方法
JP4670180B2 (ja) 2000-06-30 2011-04-13 日産自動車株式会社 表面欠陥検査方法および表面欠陥検査装置
JP2006091001A (ja) * 2004-08-26 2006-04-06 Jfe Steel Kk 被膜付着量測定方法及び被膜付着量測定装置、並びに赤外分光光度計
JP5198980B2 (ja) * 2008-09-02 2013-05-15 株式会社モリテックス 光学異方性パラメータ測定方法及び測定装置
JP2010261915A (ja) * 2009-05-11 2010-11-18 Olympus Corp 基板検査装置
KR101008376B1 (ko) 2009-06-24 2011-01-13 한양대학교 산학협력단 다중채널 분광타원해석기
JP5319593B2 (ja) 2010-04-09 2013-10-16 日清紡メカトロニクス株式会社 太陽電池の検査方法および検査装置
JP5938981B2 (ja) * 2011-12-22 2016-06-22 岩崎電気株式会社 投射システム
JP5494895B2 (ja) 2012-01-18 2014-05-21 Ｊｆｅスチール株式会社 コイルドチュービング用鋼帯およびその製造方法
US9803256B2 (en) 2013-03-14 2017-10-31 Tenaris Coiled Tubes, Llc High performance material for coiled tubing applications and the method of producing the same
US20160231176A1 (en) * 2015-02-05 2016-08-11 Polarization Solutions, Llc Light irradiation device having polarization measuring mechanism

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07311312A (ja) * 1994-03-25 1995-11-28 Omron Corp 光学式センサ装置
JP3637192B2 (ja) * 1997-01-22 2005-04-13 新日本製鐵株式会社 電磁鋼脱炭焼鈍板の分光分析装置および分光分析方法
WO2005083352A1 (en) * 2004-02-11 2005-09-09 Filmetrics, Inc. Method and apparatus for high-speed thickness mapping of patterned thin films
JP2009294059A (ja) * 2008-06-05 2009-12-17 Sumitomo Metal Ind Ltd 皮膜付き合金化溶融亜鉛めっき鋼板の皮膜付着量測定方法及び装置
WO2017055895A1 (en) * 2015-09-30 2017-04-06 Arcelormittal Method of online characterization of a layer of oxides on a steel substrate

Also Published As

Publication number Publication date
EP3742152A4 (en) 2021-03-17
KR102341437B1 (ko) 2021-12-20
US11255778B2 (en) 2022-02-22
US20200393371A1 (en) 2020-12-17
KR20200095552A (ko) 2020-08-10
EP3742152A1 (en) 2020-11-25
CN111630367A (zh) 2020-09-04
WO2019142569A1 (ja) 2019-07-25
JPWO2019142569A1 (ja) 2020-01-23
JP6849059B2 (ja) 2021-03-24
CN111630367B (zh) 2023-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6453006B1 (en) Calibration and alignment of X-ray reflectometric systems
CN102269623B (zh) 垂直入射宽带偏振光谱仪和光学测量系统
US8339617B2 (en) Film thickness measuring device and film thickness measuring method
US7924422B2 (en) Calibration method for optical metrology
JPS60127403A (ja) 厚み測定装置
WO2013091404A1 (zh) 包含参考光束的垂直入射宽带偏振光谱仪及光学测量系统
US20160003676A1 (en) Fourier transform infrared spectrometer
JP5459944B2 (ja) 表面形状測定装置および応力測定装置、並びに、表面形状測定方法および応力測定方法
US8107073B2 (en) Diffraction order sorting filter for optical metrology
US20220269071A1 (en) Scanning micro profiler
US20220187204A1 (en) Slope, p-component and s-component measurement
US7450225B1 (en) Correction of optical metrology for focus offset
TWI631435B (zh) 調焦調平測量裝置及方法
RU2745856C1 (ru) Устройство спектрального анализа, способ спектрального анализа, способ производства стальной полосы и способ обеспечения качества стальной полосы
JP4732569B2 (ja) コーティングの光学的な層厚さを連続的に決定するための方法
US12130243B2 (en) Angle independent optical surface inspector
JP6923363B2 (ja) 膜厚測定装置及び膜厚測定方法
JP3717340B2 (ja) 電子部品製造装置
JP2006071381A (ja) 薄膜計測装置
JP4260683B2 (ja) エリプソメータ、偏光状態取得方法および光強度取得方法
JPH05312538A (ja) ３次元形状測定装置
JPH07113547B2 (ja) 試料面位置測定装置
JPH03111713A (ja) 干渉式傾きもしくは高さ検出装置並びに縮小投影式露光装置及びその方法
JP2020119665A (ja) 走査電子顕微鏡
JP2001356069A (ja) 曲率測定方法及び曲率測定装置