ДИСТАНЦИОННЫЙ ТРЕХВОЛНОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК Российский патент 2007 года по МПК G01B11/06 G01N21/17 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного контроля толщины пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п.

Известны способы измерения толщины пленки на поверхности материала [1-4], заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, регистрируют отраженный от поверхности сигнал, измеряют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны и определяют толщину пленки по результатам вычисления расстояния между экстремумами, числа экстремумов или параметров аппроксимации кривой зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны в диапазоне перестройки.

Наиболее близким к предлагаемому являются способы измерения толщины пленки на поверхности материала [3, 4], заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, перестраивают длину волны излучения, падающего на поверхность пленки, регистрируют отраженный от поверхности сигнал, измеряют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны и определяют толщину пленки по результатам вычисления параметров аппроксимации кривой зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны в диапазоне перестройки.

Недостатком этих способов является необходимость проведения измерений в большом числе спектральных каналов (т.е. измерений, при которых, например, источник излучает, а приемник регистрирует излучение на нескольких десятков волн зондирования).

Избежать этого недостатка в случае тонких пленок (когда пропускание пленки мало отличается от единицы) можно тем, что согласно способу измерения толщины пленки на поверхности материала, включающему облучение поверхности оптическим излучением, регистрацию отраженного от поверхности сигнала с последующим анализом зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, характеризующей толщину пленки, для облучения поверхности используют три близко расположенные друг к другу длины волны зондирования и определяют толщину пленки по результатам измерения отраженного от поверхности сигнала на этих трех длинах волн.

Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".

Указанные признаки неизвестны в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ можно реализовать с помощью устройства, содержащего источник излучения 1, направляющего излучение трех близко расположенных друг к другу длин волн зондирования на поверхность; фотоприемник 2 для регистрации излучения на трех длинах волн; блок обработки 3 для определения по результатам измерения отраженного от поверхности сигнала на трех длинах волн зондирования толщины пленки 4 на поверхности материала подложки 5 (см. фиг.1).

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1 на каждой из длин волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃ отражается поверхностью материала пленки 4 (толщиной d) и подложки 5, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок обработки 3 для определения по результатам измерения величины d.

Длины волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃ выбираются так, чтобы они были близки друг к другу, причем λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, Δλ≪λ₂.

Фотоприемник 2 регистрирует мощности излучения P(λ₁), P(λ₂), P(λ₃) на трех длинах волн зондирования. Каждая из этих мощностей может быть представлена в виде (см., например, [5]):

P(λ)=AR_ref(λ,d)

где:

R_ref(λ, d) - коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки», зависящий от длины волны зондирования λ и толщины пленки d;

А - величина, зависящая от параметров источника излучения, приемника, расстояния до поверхности, неровностей зондируемой поверхности (для зондирования, например, взволнованной морской поверхности) и слабо (по сравнению с множителем R_ref(λ,d)) изменяющаяся с изменением длины волны излучения (так, что если длины волн излучения λ₁ и λ₂ близки, то А(λ₁)≅А(λ₂)).

Величина А во многих случаях точно неизвестна и часто даже является случайной (например, при зондировании взволнованной морской поверхности число отражающих площадок на морской поверхности в поле зрения приемника и их наклоны являются случайными).

Чтобы устранить влияние на результаты измерения случайных изменений мощности лазерных источников и неопределенности величин А, в блоке обработки 3 проводятся последовательно следующие процедуры:

- мощности P(λ₁),P(λ₂),P(λ₃) нормируются на мощности P_S(λ₁), P_S(λ₂), P_S(λ₃), излучаемые источником лазерного локатора на длинах волн λ₁, λ₂, λ₃:

- вычисляются следующие относительные величины: и (для упрощения описания метода считается, что длительности зондирующих импульсов и расходимость излучения локатора одинаковы для всех длин волн зондирования; если это не так, то различия могут быть учтены при обработке принимаемых лазерных локационных сигналов).

После описанных процедур обработки величины В₁ и В₂ с высокой степенью точности представляют собой отношение коэффициентов отражения поверхности на длинах волн λ₁, λ₂ и λ₃, λ₂ соответственно и определяются для тонких пленок следующим образом (см., например, [6]):

где:

r₁₂(λ),r₂₃(λ) - коэффициенты отражения на границах «воздух - материал пленки» и «материал пленки - материал подложки», зависящие от длины волны λ и показателей преломления и поглощения сред и не зависящие от толщины пленки d (индексы 1, 2, 3 относятся соответственно к воздуху, материалу пленки и материалу подложки).

В принципе каждое из соотношений (1) и (2) позволяет найти толщину пленки d. Однако результат измерений величины В₁ (или В₃) не однозначно определяет толщину пленки d, так как величина d входит в аргумент тригонометрической функции. Зная величину В₁ (или В₃), толщину пленки d из формул (1) или (2), можно найти лишь в начальном интервале однозначности функции cos[2β(λ,d)], т.е. при условии 2β(λ,d)≤π. Это условие приводит к следующему ограничению на толщину измеряемых пленок: . Например, при λ=1,43 мкм для нефти величина n₂(λ₂)≈1,5, и тогда для ограничения на толщину измеряемых пленок имеем: d≤0,24 мкм.

Таким образом, без использования специальных способов измерения величину d можно определить лишь для пленок толщиной несколько десятых долей микрометра.

Используя три близкие друг к другу длины волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃,_{можно увеличить диапазон измеряемых величин d.}

Действительно, преобразуя (1), (2) и беря их разность и сумму, имеем (учтя, что λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, Δλ≪λ₂):

где:

Левые части (3), (4) содержат данные измерений (B₁ и В₃) и оптические константы (r₁₂(λ_1,3), r₂₃(λ_1,3)), а правые части (3), (4) содержат оптические константы и две группы неизвестных (поскольку d неизвестна) тригонометрических функций: тригонометрические функции с аргументом 2β(λ₂,d) и тригонометрические функции с аргументом . Так как синусы и косинусы выражаются друг через друга, то неизвестных функций всего две, например, cos[2β(λ₂,d)] и .

Таким образом, решение системы двух уравнений (3), (4) позволяет решить задачу определения двух неизвестных: cos[2β(λ₂,d)] и .

По найденным значениям можно определить толщину пленки d на интервале однозначности функции .

Условие однозначности функции эквивалентно условию или . Например, при λ=1,43 мкм для пленки нефти величина n₂(λ₂)≈1,5 и для Δλ=0,1 мкм имеем: d≤1,7 мкм.

Таким образом, описанный способ позволяет в несколько раз расширить диапазон измеряемых значений толщины пленки d, используя всего три близко расположенные длины волны зондирования.

Предлагаемый трехволновой способ (использующий близкие друг к другу длины волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃) позволяет найти толщину пленки d по результатам измерений, не только решая в блоке обработки (например, используя встроенный спецпроцессор) систему нелинейных уравнений вида (3), (4), но и более простым способом - непосредственно из данных измерений, используя численный алгоритм определения d, основанный на поиске минимума невязки:

где:

В₁, В₃ - нормированные величины, определяемые из данных измерений на длинах волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃ (см. выше);

B₁(λ₁,λ₂,d)_mod, B₃(λ₂,λ₃,d)_mod - модельные значения соответствующих величин, зависящие от толщины пленки d (представляющие собой правые части формул (1), (2)).

На фиг.2 приведены результаты математического моделирования работы трехволнового способа измерения толщины тонких нефтяных пленок. Здесь показана зависимость найденного (определенного численным алгоритмом (5)) значения толщины пленки d от заданного при моделировании значения толщины пленки для d≤1,6 мкм.

Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля толщины тонких пленок нефтепродуктов, что особенно важно в очистных сооружениях при контроле степени очистки воды.

Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Устройство для автоматического измерения толщины пленки. Патент 3-57407. Япония. 1993 г. Кл. G01В 11/06. (РЖ Изобретения стран мира, 1993, выпуск 82, N3, с.45).

2. Method of measuring film thickness. United States Patent. Patent Number: 4645349. Date of Patent: Feb. 24, 1987. Int. Cl. G01В 11/06.

3. Дистанционный способ измерения толщины пленок. Патент РФ на изобретение №2168151 от 27.05.01. МКИ G01В 11/06.

4. Способ измерения толщины пленок на подложке. Патент РФ на изобретение №2207501 от 27.06.03. МКИ G01В 11/06.

5. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды / Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л. и др. М.: Изд-во МГТУ, 2002, 528 с.

6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики, М.: Наука, 1970, 855 с.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения и контроля толщины тонких пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п. Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала путем облучения поверхности оптическим излучением на трех длинах волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определения толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, отличающийся тем, что указанные длины волн λ₁, λ₂, λ₃ выбирают так, чтобы λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства , где n₂ - показатель преломления тонкой пленки. Технический результат заключается в уменьшении числа волн зондирования и в увеличении диапазона измеряемых величин толщины пленки. 2 ил.

Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала путем облучения поверхности оптическим излучением на трех длинах волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определения толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, отличающийся тем, что указанные длины волн λ₁, λ₂, λ₃ выбирают так, чтобы λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства

,

где n2 - показатель преломления тонкой пленки.