[发明专利]一种基于红外成像的薄膜测厚仪

说明书

技术领域

本发明属于在线测厚技术领域，具体涉及一种薄膜红外透射成像在线测厚装置，适用于测量透明和半透明薄膜的厚度。

背景技术

薄膜种类繁多，广泛的应用于社会生产和科学研究的各个领域。薄膜的厚度在很大的程度上决定了薄膜的力学性能和光学性能，因此精确测量薄膜厚度的技术日益重要。

薄膜在线测厚技术主要有：电容式测厚、激光三角法测厚、激光干涉法测厚、射线测厚、红外测厚。薄膜在线测厚的方法虽然很多，但是各类方法普遍有其自身的局限性。电容式测厚易受外界磁场干扰；激光三角法测量透明材料效果不佳；激光干涉法要求稳定的测量条件；射线测厚方法简单、响应率快、精确、非接触、无损，应用最广泛，但是存在放射性污染隐患，设备昂贵；而红外测厚使用红外光源，非放射性，安全保障，受环境温度的影响小，受被测材料波动的影响小，对比其他在线测厚方法，有着明显的优势。

红外透射测厚的基本原理是朗伯定律，即当光在介质中传播时，随着传播距离的增加，光强逐渐减弱，具体公式为：

T=II0=e-αt]]>

其中，T为透射比，I₀为初始光强，I为透射光强，α为吸收系数，t是传播距离，即膜厚度。

朗伯定律的本质来源于物质分子对于光的吸收。分子吸收红外辐射(光子或能量)后会引起构成分子中各化学键的振动，这些化学键的振动方式类似于双原子振动。当入射光的频率与分子中化学键的基频、倍频(约等于基频的倍数)或组合频率(多个基频之和)相等的时候，就引起共振，该能量就会被分子吸收，其振幅将增强。这就表现为材料对特定波长的光能的强烈吸收。大部分红外吸收是由X-H键(如O-H、N-H、C-H)伸缩和弯曲振动的倍频和组合频产生的。

红外测厚仪的典型结构如图1所示。光源22产生的光经准直后入射到调制盘23上，调制盘上面装有两块单色光带通滤光片，由马达21驱动旋转，用以产生波长为λ_M的测量光和波长为λ_R的参考光，被测薄膜24对波长λ_M的测量光吸收较强，对波长为λ_R的参考光吸收较弱；单色光透射材料后，分别经由光波导25、红外传感器26、信号放大27，最后由微机系统28采集；对应两个不同的波长，材料有相应的两个吸收系数α_M和α_R，假设两单色光的入射光强分别为I₀(λ_M)和I₀(λ_R)，由朗伯定律，透射光强分别为：I_M＝I₀(λ_R)EXP(-α_Rt)和I_R＝I₀(λ_M)EXP(-α_Rt)，如果I₀(λ_M)＝I₀(λ_R)，则ln(I_M/I_R)＝(α_R-α_M)t，那么厚度t就可以被计算出来。

传统红外测厚方法尚存在很多问题。传统的红外测厚仪多使用了滤光片调制盘，是旋转运动部件，可靠性差，测量噪声大，且不适用于高速薄膜生产线上(调制盘旋转半周，薄膜已经行进一段距离，导致测量光和参考光两束光照射到被测薄膜上的不同区域)；部分未使用调制盘的传统红外测厚仪，多是开环的系统，光源光强的变化会带来测量的误差；使用传统红外测厚方法，如果被测薄膜很薄，在薄膜内多次反射后再透射的光线与直接透射的光线就会产生干涉，干涉条纹将对最后的厚度测量造成干扰；最后，此类红外测厚方法最后对于数据的处理过于简单，仅仅使用简单的公式就将光强信息转换成厚度，朗伯定律是建立在理想的环境下的，实际情况下，特别是被测物表面或内部对光的散射，会造成系统对朗伯定律的偏离。