[发明专利]一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统及测量方法

说明书

本发明公开一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统及测量方法，属于薄膜光学与光学测量领域。该厚度测量系统包括光源、入射会聚透镜、薄膜样品、接收会聚透镜、微型光谱仪、数据处理部；光源与入射会聚透镜通过光纤连接，入射会聚透镜与接收会聚透镜的主光轴重合，调整入射会聚透镜与接收会聚透镜的焦点至无穷远处，薄膜样品放置于入射会聚透镜与接收会聚透镜之间，薄膜样品的法线与入射会聚透镜、接收会聚透镜主光轴之间的夹角为入射角，接收会聚透镜与微型光谱仪通过光纤连接，微型光谱仪与数据处理部通过USB数据线缆连接。本发明在现有全谱拟合法的基础上，结合了透射率包络线测量薄膜的折射率，实现了未知折射率薄膜的厚度测量。

技术领域

本发明涉及一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，属于薄膜光学与光学测量领域。

背景技术

21世纪以来，塑料工业和塑料薄膜技术发展较快，随着近年来辐射固化、多层共挤等加工技术以及功能材料的发展，使得这些高分子薄膜材料的功能性得到进一步完善，应用价值上升。通常功能薄膜都具有电学、磁学、光学、声学、力学、化学和生物功能等中的某一或某些特殊功能，因此在节能环保、新能源、高端装备制造业、生物技术等新兴行业具有广阔的应用空间。现有测量薄膜厚度的方法主要有探针法、波长极值法、石英晶振法、干涉光谱分析法和椭圆偏振法等，其中非接触式无损厚度测量方法主要为宽光谱分析法和椭圆偏振法两种。椭圆偏振法利用经过薄膜反射的光的偏振态发生变化的原理进行测量，能测量出薄膜的折射率和厚度，测量误差小于1nm，重复性小于0.01nm，是目前测量精度最高的方法，但是设备昂贵复杂，测量需转动波片、调整入射角，过程繁琐、耗时较长，无法实现快速测量。波长极值法常用于监控薄膜的生长，当薄膜光学厚度达到监控光波长1/4的整数倍时，薄膜的透射率出现极值，由于在极值点处的透射率变化率低，因此波长极值法测量精度有限。干涉光谱分析法依据反射和干涉原理，光经过薄膜上下表面的多次反射、透射后，由于不同路径的光线存在光程差而互相干涉，导致薄膜对不同波长的反射率或透射率不同，采集薄膜反射或透射光谱可分析出薄膜的厚度。该方法实施难度低，且测量速度可以达到毫秒级。本发明对干涉光谱分析法进行研究。

现有的利用透射率测量薄膜折射率和厚度的方法，其厚度计算依赖透射率极值点的精确数值，并未利用完整的光谱数据；目前广泛采用的计算方法是全谱拟合法，依据透射率变化率与波长成反比的特性，对透射率求倒数并进行周期估计求解薄膜厚度。以上利用干涉光谱的测量方法中，主要采用垂直入射反射光谱测量方式，且将薄膜折射率视为已知量，无法同时求出薄膜的折射率和厚度。因此，为了同时测量薄膜的折射率和厚度，本发明利用透射干涉光谱测量折射率并利用全谱拟合法解算薄膜厚度。

发明内容

本发明的目的：为了克服现有技术的不足，有效解决现有折射率和膜厚解算方法对极值点精确度的依赖性和全谱拟合法不能测量薄膜折射率的问题，提供一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，利用透射率与折射率的关系计算折射率，并将所求的折射率代入全谱拟合法求解薄膜厚度。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)按照图1所示，搭建一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统，其特征在于，所述厚度测量系统包括光源1、入射会聚透镜2、薄膜样品3、接收会聚透镜4、微型光谱仪5、数据处理部6。光源1与入射会聚透镜2通过光纤连接，入射会聚透镜2与接收会聚透镜4的主光轴重合，调整入射会聚透镜2与接收会聚透镜4的焦点至无穷远处，薄膜样品3放置于入射会聚透镜2与接收会聚透镜4之间，薄膜样品3的法线与入射会聚透镜2、接收会聚透镜4主光轴之间的夹角为入射角，接收会聚透镜4与微型光谱仪5通过光纤连接，微型光谱仪5与数据处理部6通过USB数据线缆连接。当光源1发出的光线经过入射会聚透镜2并射向薄膜样品3时，在薄膜样品3的另一侧使用接收会聚透镜4接收透射光线，并使用微型光谱仪5测量透射干涉光谱P_t(λ)，将透射干涉光谱P_t(λ)传输至数据处理部6；