ДИСТАНЦИОННЫЙ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК Российский патент 2009 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 тонкой пленки на поверхности материала [1, 2], заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение на нескольких длинах волн, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны.

Наиболее близким к предлагаемому является дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок [2], заключающийся в том, что поверхность облучают оптическим излучением на трех длинах волн λ_1,2,3, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн λ_1,2,3, выбранных так, чтобы λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, причем Δλ, выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n₂ - показатель преломления пленки.

Недостатком этого способа является его неустойчивая работа при наличии случайных ошибок величин измеряемых сигналов (которые всегда имеют место из-за погрешности измерений, шумов приемного тракта и т.п.). Это приводит к необходимости использования очень длительного усреднения входных сигналов (для подавления случайных ошибок величин измеряемых сигналов). Однако длительное усреднение входных сигналов может быть использовано только в случае очень медленного изменения толщины измеряемой пленки (иначе оно вызывает искажение определяемой толщины).

Избежать этого можно тем, что согласно дистанционному способу измерения толщины тонких пленок поверхность облучают оптическим излучением на четырех длинах волн λ_1,2,3,4, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн λ_1,2,3,4, выбранных так, чтобы λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n₂ - показатель преломления тонкой пленки; а дополнительно используемая четвертая длина волны λ₄ выбирается из условия

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 четырех длин волн λ_1,2,3,4 на поверхность; фотоприемник 2 для регистрации излучения на четырех длинах волн; блок обработки 3 для определения по результатам измерения отраженного от поверхности сигнала на четырех длинах волн λ_1,2,3,4 толщины пленки 4 на поверхности материала подложки 5 (см.фиг.1).

Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1 на каждой из длин волн λ_1,2,3,4 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 λ_1,2,3 выбираются так, чтобы λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n₂ - показатель преломления тонкой пленки. Длина волны λ₄ выбирается из условия

Фотоприемник 2 регистрирует мощности излучения P(λ_1,2,3,4) на четырех длинах волн λ_1,2,3,4. Каждая из этих мощностей может быть представлена в виде (см., например, [3]):

P(λ)=AR_ref(λ,d),

где R_ref(λ,d) - коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки», зависящий от длины волны λ и толщины d; A - величина, зависящая от параметров источника излучения, приемника, расстояния до поверхности, неровностей поверхности и слабо (по сравнению с множителем R_ref(λ,d)) изменяющаяся с изменением длины волны излучения.

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(λ_1,2,3,4) нормируются соответственно на мощности P_s(λ_1,2,3,4), излучаемые источником на длинах волн λ_1,2,3,4:

- вычисляются относительные величины:

Величины B_1,3,4 с высокой степенью точности представляют собой отношение коэффициентов отражения поверхности с пленкой (трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки») на длинах волн λ₁, λ₂; λ₃, λ₂ и λ₄, λ₂ соответственно и определяются для тонких пленок следующим образом (см., например, [2, 4]):

где:

r₁₂(λ), r₂₃(λ) - коэффициенты отражения на границах «воздух - пленка» и «пленка - подложка», зависящие от длины волны λ и показателей преломления и поглощения сред и не зависящие от толщины пленки d. Выражение (1) справедливо при r₁₂(λ)<<1 или r₂₃(λ)<<1.

Из-за периодического характера тригонометрических функций, входящих в (1), по результатам измерений только одной величины В₁ (или В₃, или В₄) толщину пленки d можно однозначно определить лишь для пленок толщиной несколько десятых долей микрометра. Способ [2] позволяет в несколько раз увеличить диапазон измеряемых величин d. Физической основой способа [2] является измерение разности набега фаз в пленке (величины Δβ) для длин волн λ₁, λ₂ (или λ₁, λ₃). Величина Δβ определяется по данным измерений (величинам В₁ и В₃) из системы двух уравнений [2]:

где:

Левые части (2), (3) содержат данные измерений (В₁ и В₃) и оптические константы

(r₁₂(λ_1,3), r₂₃(λ_1,3), а правые части (2), (3) содержат оптические константы и две группы неизвестных (поскольку d неизвестна) тригонометрических функций: тригонометрические функции с аргументом 2β(λ₂, d) и тригонометрические функции с аргументом Δβ.

Если величины B₁ и В₃ измерены точно (без случайных ошибок или с крайне незначительными ошибками), то решение системы двух уравнений (2), (3) позволяет найти два неизвестных sin[Δβ] и sin[2β(λ₂,d)], (sin[2β(λ₂,d)] является вспомогательной величиной, необходимой для нахождения sin[Δβ]), и по найденным значениям sin[Δβ] определить толщину пленки d на интервале однозначности функции sin[Δβ]. Условие однозначности sin[Δβ] 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≤1,6 мкм [2].

В большинстве практических задач величины В₁ и В₃ известны со случайной ошибкой, обусловленной погрешностями измерения, шумами аппаратуры и т.п., и нет возможности длительного усреднения входных сигналов. В этих условиях (из-за случайных ошибок величин измеряемых сигналов) определить толщину пленки d из решения системы двух уравнений (2), (3) удается только с большими погрешностями (десятки и сотни процентов).

Это связано с неустойчивостью решения системы двух нелинейных уравнений (2), (3) при наличии случайных изменений величин В₁ и В₃.

Для устранения этой неустойчивости необходимо использование дополнительной информации о решении. Такую дополнительную информацию можно получить, используя дополнительную длину волны излучения λ₄, выбранную из условия:

или

Использование такой дополнительной длины волны излучения λ₄ позволяет по данным измерений величины B₄ провести дополнительное независимое определение знака и величины cos[2β(λ₂,d)] (величины cos[2β(λ₄,d)] и cos[2β(λ₂,d)] в выражении (1) связаны между собой условием (4)).

Таким образом, описанный способ позволяет путем использования дополнительного измерения на длине волны λ₄ обеспечить устойчивую работу способа измерения толщины тонких пленок при наличии случайных ошибок величин измеряемых сигналов.

Предлагаемый четырехволновой способ позволяет найти толщину пленки d по результатам измерений, не только решая в блоке обработки (например, используя спецпроцессор) систему нелинейных уравнений вида (1)-(3), но и более простым способом - непосредственно из данных измерений, используя численный алгоритм определения d, основанный на поиске минимума невязки:

где: B_1,3,4 - нормированные величины, определяемые из данных измерений на длинах волн λ_1,2,3,4; B₁(λ₁,λ₂,d)_mod, B₃(λ₂,λ₃,d)_mod, B₄(λ₂,λ₄,d)_mod - модельные значения соответствующих величин, зависящие от толщины d (представляющие собой правые части формул (1)).

На фиг.2, 3 приведены результаты математического моделирования работы четырехволнового способа измерения толщины тонких нефтяных пленок при относительном среднеквадратическом значении шума измерения 1%. На фиг.2 показана одна из реализаций зависимости найденного (определенного численным алгоритмом (5)) значения толщины пленки d от заданного при моделировании значения толщины пленки для d≤1,6. На фиг.3 приведены для этого случая результаты расчета среднеквадратичной относительной (в %) погрешности Е определения толщины пленки.

Таким образом, описанный способ позволяет путем использования дополнительного измерения на длине волны λ₄ обеспечить устойчивую работу способа измерения толщины тонких пленок в реальных условиях, когда шум измерения составляет единицы процентов.

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 компонентов и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Method for film thickness and refractive index determination. United States Patent №4909631. March 20, 1990.

2. Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок. Патент РФ на изобретение №2304759, кл. G01B 11/06, G01N 21/17.

3. 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.

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

Дистанционный способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала заключается в облучении поверхности материала оптическим излучением на длинах волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определении толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, причем длины волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃ выбираются так, чтобы λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n₂ - показатель преломления тонкой пленки, а длина волны зондирования λ₄ выбирается из условия Технический результат - обеспечение устойчивой работы способа измерения толщины тонких пленок в реальных условиях, когда шум измерения составляет единицы процентов. 3 ил.

Дистанционный способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала заключается в облучении поверхности материала оптическим излучением на длинах волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определении толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃, λ₄, причем длины волн зондирования λ₁, λ₂, λ₃ выбираются так, чтобы λ₁=λ₂-Δλ, λ₃=λ₂+Δλ, Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства , где n₂ - показатель преломления тонкой пленки, а длина волны зондирования λ₄ выбирается из условия .