專利名稱：一種基于紅外成像的薄膜測厚儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于在線測厚技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種薄膜紅外透射成像在線測厚裝置，適用于測量透明和半透明薄膜的厚度。
背景技術(shù)：
薄膜種類繁多，廣泛的應(yīng)用于社會生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個領(lǐng)域。薄膜的厚度在很大的程度上決定了薄膜的力學(xué)性能和光學(xué)性能，因此精確測量薄膜厚度的技術(shù)日益重要。薄膜在線測厚技術(shù)主要有:電容式測厚、激光三角法測厚、激光干涉法測厚、射線測厚、紅外測厚。薄膜在線測厚的方法雖然很多，但是各類方法普遍有其自身的局限性。電容式測厚易受外界磁場干擾；激光三角法測量透明材料效果不佳；激光干涉法要求穩(wěn)定的測量條件；射線測厚方法簡單、響應(yīng)率快、精確、非接觸、無損，應(yīng)用最廣泛，但是存在放射性污染隱患，設(shè)備昂貴；而紅外測厚使用紅外光源，非放射性，安全保障，受環(huán)境溫度的影響小，受被測材料波動的影響小，對比其他在線測厚方法，有著明顯的優(yōu)勢。紅外透射測厚的基本原理是朗伯定律，即當光在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，光強逐漸減弱，具體公式為:T = y = e-m其中，T為透射比，Itl為初始光強，I為透射光強，α為吸收系數(shù)，t是傳播距離，gp
膜厚度。朗伯定律的本質(zhì)來源于物質(zhì)分子對于光的吸收。分子吸收紅外輻射(光子或能量)后會引起構(gòu)成分子中各化學(xué)鍵的振動，這些化學(xué)鍵的振動方式類似于雙原子振動。當入射光的頻率與分子中化學(xué)鍵的基頻、倍頻(約等于基頻的倍數(shù))或組合頻率(多個基頻之和)相等的時候，就引起共振，該能量就會被分子吸收，其振幅將增強。這就表現(xiàn)為材料對特定波長的光能的強烈吸收。大部分紅外吸收是由X-H鍵(如0-H、N-H、C-H)伸縮和彎曲振動的倍頻和組合頻產(chǎn)生的。紅外測厚儀的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。光源22產(chǎn)生的光經(jīng)準直后入射到調(diào)制盤23上，調(diào)制盤上面裝有兩塊單色光帶通濾光片，由馬達21驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，用以產(chǎn)生波長為λ μ的測量光和波長為λ Ε的參考光,被測薄膜24對波長λ μ的測量光吸收較強,對波長為λ Ε的參考光吸收較弱；單色光透射材料后，分別經(jīng)由光波導(dǎo)25、紅外傳感器26、信號放大27，最后由微機系統(tǒng)28采集；對應(yīng)兩個不同的波長，材料有相應(yīng)的兩個吸收系數(shù)ακ，假設(shè)兩單色光的入射光強分別為IciUm)和IciUk),由朗伯定律，透射光強分別為:Ιμ= Ι(ι(λκ)EXP (-aEt)和 Ie = 10UM)EXP(_aKt)，如果 IqUm) = Ι0(λκ)，則 ln(IM/IE) = ( a R- a Μ)t，那么厚度t就可以被計算出來。傳統(tǒng)紅外測厚方法尚存在很多問題。傳統(tǒng)的紅外測厚儀多使用了濾光片調(diào)制盤，是旋轉(zhuǎn)運動部件，可靠性差，測量噪聲大，且不適用于高速薄膜生產(chǎn)線上(調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)半周，薄膜已經(jīng)行進一段距離，導(dǎo)致測量光和參考光兩束光照射到被測薄膜上的不同區(qū)域)；部分未使用調(diào)制盤的傳統(tǒng)紅外測厚儀，多是開環(huán)的系統(tǒng)，光源光強的變化會帶來測量的誤差；使用傳統(tǒng)紅外測厚方法，如果被測薄膜很薄，在薄膜內(nèi)多次反射后再透射的光線與直接透射的光線就會產(chǎn)生干涉，干涉條紋將對最后的厚度測量造成干擾；最后，此類紅外測厚方法最后對于數(shù)據(jù)的處理過于簡單，僅僅使用簡單的公式就將光強信息轉(zhuǎn)換成厚度，朗伯定律是建立在理想的環(huán)境下的，實際情況下，特別是被測物表面或內(nèi)部對光的散射，會造成系統(tǒng)對朗伯定律的偏離。使用透射成像的測量系統(tǒng)，可以測得被測物表面的局部厚度和微觀形貌。典型的透射成像的測量系統(tǒng)如圖2所示，由燈箱31產(chǎn)生的光透過散射玻璃32和被測薄膜33，CCD34對被測薄膜上表面成像，采集到的圖像的灰度值大小就反映了光強的大小，繼而可依此獲得薄膜的局部厚度信息。國外已經(jīng)有人使用類似的系統(tǒng)測量菲涅爾棱鏡表面形貌(Proc.0f SPIE Vol.8169816910-1)、巖石截面表面形貌(Earth and Planetary ScienceLettersl91 (2001) 267-282)和 PET 薄膜的局部厚度(20May2010/Vol.49, N0.15/APPLIEDOPTICS)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決傳統(tǒng)紅外測厚儀尚存在的幾個問題:受光源穩(wěn)定性影響、受干涉影響、存在調(diào)制盤這一不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供一種基于紅外成像的薄膜測厚儀，它具有穩(wěn)定可靠、實用方便的特點。為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種基于紅外成像的薄膜測厚儀，其特征在于，它包括光源、準直透鏡、分光棱鏡、參考路散射玻璃、參考路視場光闌、參考路紅外濾光片、參考路反射鏡、測量路散射玻璃、測量路視場光闌、測量路紅外濾光片、測量路反射鏡、半透半反分光鏡、成像透鏡和CXD ;所述準直透鏡、分光棱鏡、參考路散射玻璃、參考路視場光闌、參考路紅外濾光片、參考路反射鏡的幾何中心在水平方向位于同一軸線上，組成參考光路；所述分光棱鏡、測量路散射玻璃、測量路視場光闌、測量路紅外濾光片和測量路反射鏡的幾何中心在豎直方向位于同一軸線上，組成測量光路；所述參考路反射鏡的反射鏡與入射光呈45°夾角放置，所述測量路反射鏡的反射鏡與入射光45°夾角放置；兩光路各光學(xué)兀件相對分光棱鏡(3)呈對稱布置，相互對稱的光學(xué)元件相同；半透半反分光鏡的反射面與測量路反射鏡的反射面相同；所述半透半反分光鏡同時位于測量路反射鏡和參考路反射鏡的反射光路上；成像透鏡和CXD依次位于半透半反分光鏡之后，光軸水平。本發(fā)明是一種采用散射光透射成像雙光路的測量系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:測量膜厚時，同一光源發(fā)出的光被分為兩束:水平方向的參考光路和垂直方向的測量光路。在成像時，將參考物和被測物成像到同一 CCD的光敏面上；如若光源光強發(fā)生變化，則兩路光的光強發(fā)生同樣比例的變化，從而克服了光源不穩(wěn)定帶來的影響；測量路和參考路都使用了散射玻璃來產(chǎn)生散射光，使用散射光透射成像的測量技術(shù)，由于散射光在各個角度上均衡地透過被測物，而以不同入射角透過薄膜的光線具有不同的干涉強度，從而總體上的干涉強度被中和，克服了干涉的影響。
由于采用成像的測量方式，設(shè)計具有多個局部標準厚度的參考物，便可獲知參考物上的各個標準厚度對應(yīng)的灰度值，換句話說，相當于系統(tǒng)具有多個不同厚度的標準參考物，從而能夠更加精確的測量薄膜厚度。


圖1是典型的紅外測厚儀基本結(jié)構(gòu)；圖2是典型的透射成像的測量系統(tǒng)；圖3是本發(fā)明提供的薄膜測厚儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(a)是本發(fā)明提供的薄膜測厚儀的光路成像示意圖，4(b)為4(a)中部位I的局部放大圖；圖5(a)是本發(fā)明提供的薄膜測厚儀光路結(jié)構(gòu)示意圖，5(b)為圖5(a)中部位II的局部放大圖；5 (c)為圖5(a)中部位III的局部放大圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。如圖3所示，本發(fā)明提供的薄膜測厚儀包括光源1、準直透鏡2、分光棱鏡3、參考路散射玻璃4、參考路視場光闌6、參考路紅外濾光片7、參考路反射鏡8、測量路散射玻璃9、測量路視場光闌11、測量路紅外濾光片12、測量路反射鏡13、半透半反分光鏡14、成像透鏡15、CCD16。所述準直透鏡2、分光棱鏡3、參考路散射玻璃4、參考路視場光闌6、參考路紅外濾光片7和參考路反射鏡8的幾何中心在水平方向位于同一軸線上，組成參考光路；所述分光棱鏡3、測量路散射玻璃9、測量路視場光闌11、測量路紅外濾光片12和測量路反射鏡13的幾何中心在豎直方向位于同一軸線上，組成測量光路；所述參考路反射鏡8的反射鏡與入射光呈45°夾角放置，所述測量路反射鏡13的反射鏡與入射光45°夾角放置；兩光路各光學(xué)元件相對分光棱鏡3呈對稱布置，同名光學(xué)元件相同，即參考路散射玻璃4和測量路散射玻璃9相同，參考路視場光闌6和測量路視場光闌11相同，參考路紅外濾光片7和測量路紅外濾光片12相同，參考路反射鏡8和測量路反射鏡13相同。參考物5可以具有多個局部標準厚度，圖中設(shè)置的參考物就具有三個不同的局部厚度，可以看到，參考物的上部分、中間部分和下部分的厚度不同，因為使用成像的測量方式，可以獲取被成像物體的局部的灰度值，所以設(shè)置參考物具有多個局部標準厚度相當于系統(tǒng)具有多個不同的參考物。光源可選用鎢鹵燈或紅外LED。如圖4所示，在進行測量時，被測物10放置于測量路散射玻璃9與測量路視場光闌11之間，參考物5放置于參考路散射玻璃4和參考路視場光闌6之間。從圖4中看，光源產(chǎn)生的光首先經(jīng)由準直透鏡3準直，然后由分光棱鏡4分為測量路和參考路兩路；在測量路，光依次透過測量路散射玻璃9、被測物10、測量路視場光闌11和測量路紅外濾光片12，經(jīng)測量路反射鏡13反射后透過半透半反分光鏡14，最后透過成像透鏡15打到(XD16的光敏面上；在參考路，光依次透過參考路散射玻璃4、參考物5、參考路視場光闌6和參考路紅外濾光片7，經(jīng)參考路反射鏡8反射后再經(jīng)半透半反分光鏡14反射，最后透過成像透鏡15打到(XD16的光敏面上。如圖4所示，半透半反分光鏡初試角度為45°，即它與測量路反射鏡13平行放置，且其反射面與測量路反射鏡13的反射面相同，測量時，被測物10經(jīng)測量路反射鏡13成像為A'，參考物5依次經(jīng)參考路反射鏡8和半透半反分光鏡14成像為B"，兩光路呈對稱布置，此時Ai和B"重合；如圖5局部放大圖1II所示，調(diào)整半透半反分光鏡14在45°初始角度下逆時針旋轉(zhuǎn)一個微小角度β，以使A'和B"上下分開，且無重疊，如使A'和B"上下分開1/2個像大小。如圖4所示，最后A'和B"通過成像透鏡15成像到同一 (XD16的光敏面上，如圖4(b)所示，A'和B"分別成像為Α"和B" '，C⑶和成像透鏡的光軸水平且通過A'和B"連線的中心。(XD16再將攝得的圖像傳輸?shù)接嬎銠C，經(jīng)圖像處理后計算出被測物和參考物之間平均灰度級的比值K，然后由標定方程將K轉(zhuǎn)化為被測物厚度值。具體說明如下:對于圖像的數(shù)據(jù)處理由計算機完成，(XD16將攝得的圖像傳輸?shù)接嬎銠C，計算機將得到一張具有兩個亮光斑的圖像，兩個光斑也即是Α"和B"，，分別計算兩光斑的平均灰度值，其比值也就是被測物和參考物的亮度比值K，最后將K代入標定方程即求得被測物的厚度值。標定方程由標定實驗得到，標定實驗是取一系列已知厚度的薄膜，得到相應(yīng)的被測物和參考物之間灰度值的比值K，然后擬合比值K和被測物厚度之間的函數(shù)關(guān)系式作為標定方程。兩光路的紅外濾光片的通帶屬性一致，屬于紅外帶通窄帶濾光片，用以產(chǎn)生單色紅外光，從圖3可以看出，測量路紅外濾光片還可以阻止外界環(huán)境光進入系統(tǒng)。由于測量路和參考路成像次數(shù)不完全一致，在放置上同樣厚度的薄膜時，測量路和參考路的成像光強并不相等，但是由于系統(tǒng)具有較強的魯棒性和測量重復(fù)性，因此放置上相同厚度d的薄膜時，兩路光光強比可以用函數(shù)f(d)來描述，標定擬合f(d)就可以消除這些影響。而實際上，在標定擬合平均灰度級的比值K和被測物厚度之間的函數(shù)關(guān)系式的時，f(d)就已經(jīng)蘊含在標定方程中了，所以無須單獨將f(d)擬合出來。如果需要更加精確有效的厚度監(jiān)控，可以設(shè)計參考物具有多個局部標準厚度，如圖4局部放大圖1II所示，此參考物就具有三個不同的局部厚度，成像后即得到三個不同的平均灰度值，相當于系統(tǒng)中有了三個不同的參考物，所以我們可以根據(jù)需要設(shè)計具有多個局部厚度的參考物，從而實現(xiàn)了對多個厚度的精確監(jiān)控。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于紅外成像的薄膜測厚儀，其特征在于，它包括光源(I)、準直透鏡(2)、分光棱鏡(3)、參考路散射玻璃(4)、參考路視場光闌￠)、參考路紅外濾光片(7)、參考路反射鏡(8)、測量路散射玻璃(9)、測量路視場光闌(11)、測量路紅外濾光片(12)、測量路反射鏡(13)、半透半反分光鏡(14)、成像透鏡(15)和CCD(16)； 所述準直透鏡(2)、分光棱鏡(3)、參考路散射玻璃(4)、參考路視場光闌(6)參考路紅外濾光片(7)、參考路反射鏡(8)的幾何中心在水平方向位于同一軸線上，組成參考光路；所述分光棱鏡(3)、測量路散射玻璃(9)、測量路視場光闌(11)、測量路紅外濾光片(12)和測量路反射鏡(13)的幾何中心在豎直方向位于同一軸線上，組成測量光路；所述參考路反射鏡(8)的反射鏡與入射光45°夾角放置，所述測量路反射鏡(13)的反射鏡與入射光45°夾角放置；兩光路各光學(xué)兀件相對分光棱鏡(3)呈對稱布置,相互對稱的光學(xué)兀件相同；半透半反分光鏡(14)的反射面與測量路反射鏡(13)的反射面相同； 所述半透半反分光鏡(14)同時位于測量路反射鏡(13)和參考路反射鏡(8)的反射光路上；成像透鏡(15)和CCD(16)依次位于半透半反分光鏡(14)之后，光軸水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜測厚儀，其特征在于，光源(I)選用鎢鹵燈或紅外LED。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的薄膜測厚儀，其特征在于，該薄膜測厚儀所使用的參考物(5)具有多個局部標準 厚度，構(gòu)成多個標準參考物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜測厚儀，其特征在于，參考物(5)測量時布置在參考路散射玻璃(4)和參考路視場光闌(6)之間，被測物(10)布置在測量路散射玻璃(9)和測量路視場光闌(11)之間；半透半反分光鏡(14)初始時與測量路反射鏡(13)平行布置，被測物(10)經(jīng)測量路反射鏡(13)成像為A'，參考物(5)依次經(jīng)參考路反射鏡⑶和半透半反分光鏡(14)成像為B"，旋轉(zhuǎn)半透半反分光鏡(14)使像A'和像B"上下分開且無重疊，像K'和像B"通過成像透鏡(15)成像到CXD(16)上，利用CXD(16)獲得的圖像計算獲得被測物的厚度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于紅外成像的薄膜測厚儀，包括光源、準直透鏡、分光棱鏡、參考路散射玻璃、參考路紅外濾光片、參考路反射鏡、測量路散射玻璃、測量路紅外濾光片、測量路反射鏡、半透半反分光鏡、成像透鏡、CCD；測量時參考物經(jīng)反射鏡、分光鏡和成像透鏡成像到CCD光敏面，被測物經(jīng)反射鏡和成像透鏡也成像到CCD光敏面，CCD將圖像傳送至計算機，經(jīng)圖像處理后根據(jù)圖像的灰度值求得被測物的厚度；如此形成雙光路測量系統(tǒng)，避免了光源光強變化的影響；使用散射光透射成像的測量體系，避免了傳統(tǒng)紅外測厚裝置中存在的干涉影響；設(shè)置具有多個局部標準厚度的參考物，該裝置可以獲取參考物各個局部標準厚度，從而能夠更加精確地測量薄膜厚度。
文檔編號G01B11/06GK103175478SQ20131007333
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者趙斌, 曹智潁, 汪琛, 陳海平 申請人:華中科技大學(xué)