ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОГО ПОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПРОЗРАЧНОЙ ПЛЕНКИ Российский патент 2014 года по МПК G01B11/06 

Изобретение относится к областям промышленности и научных исследований, где требуется проведение оптических, бесконтактных, непрерывных измерений толщин прозрачной пленки.

Использование оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки возможно в энергетике и энергосбережении при измерении характеристик процессов охлаждения в топливных и атомных электростанциях, при создании холодильных машин, в диагностике течения в парогенерирующем канале паровых котлов, при удалении из топочных камер шлака в жидком состоянии. Оптический способ измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки может использоваться в пищевой промышленности для измерения толщины пленки жидкости в процессе охлаждения продуктов (например, молока или сливок); в химической промышленности при ректификации, производстве кислот, производстве редкоземельных металлов, производстве щелочей и хлора, при химическом фрезеровании; в металлургии - при производстве амальгамы, при очистке внутренних поверхностей емкостей и труб.

Кроме того, увеличение точности при диагностике различных гидродинамических потоков необходимо как непосредственно для совершенствования технологических процессов и техники, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета.

Важнейшим условием измерения толщины прозрачной пленки, например жидкости, в области энергетики и других областях промышленного применения является бесконтактность, невозмущающее воздействие на измеряемую пленку, дешевизна и простота в использовании способа измерений, позволяющего непрерывно измерять поле толщин прозрачной пленки с высокой точностью.

Известен способ измерения толщины пленки жидкости и/или коэффициента отражения (ЕР 0622624, МПК: G01B 11/06; G01N 21/21; G01N 21/41; G01N 21/84), при котором поверхность твердого тела или жидкости освещается белым светом, при этом каждая монохроматическая волна отраженного света линейно поляризована и отфильтрована анализатором. Отраженный свет, таким образом, раскрашен отдельной составляющей, что позволяет наблюдать по различию цвета толщину пленки и/или коэффициента отражения. Повышенная чувствительность, основанная на цветовой дифференциации, достигается очередным отражением отраженного света на поверхность твердого тела или жидкости. При многократном повторении описанного переотражения увеличивается цветовая дифференциация. Способ обеспечивает измерение толщины пленки и коэффициента отражения на основе цветовой дифференциации.

Недостатком способа является наличие большого количества оптических элементов, требующих точной настройки и сложной калибровки. Еще одним недостатком способа является то, что он позволяет проводить измерения в точке. Для измерения поля толщин этим способом требуется сложная оптическая конструкция.

Известен способ для измерения толщины тонкой пленки (JP 2004061141, МПК: G01В 11/06), при котором на исследуемую поверхность с пленкой на ней направляют пучок света через систему призм. Измерение толщины пленки производят по состоянию поляризации светового пучка, отраженного поверхностью раздела фаз и преломленного на ней. Падающий на поверхность плоскополяризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию вследствие наличия тонкой пленки на поверхности.

Недостаток этого способа состоит в том, что он позволяет проводить измерение неподвижной пленки в одной точке и требует использования дополнительного оборудования (систему призм).

Наиболее близким по технической сущности заявляемому способу является способ измерения толщины пленки резиста (JP 1260304, G01B 11/06; G03C 1/74; G03F 7/16; H01L 21/027; H01L 21/30), при котором на поверхность, покрытую пленкой, направляют пучок света, а вычисление толщины пленки производят по разнице в интенсивности падающего и отраженного от поверхности света.

Недостаток данного способа состоит в том, что он позволяет проводить измерение неподвижной пленки жидкости в одной точке.

Задачей заявляемого изобретения является создание простого способа измерения толщины прозрачной пленки, обладающего несложной калибровкой и обеспечивающего возможность прямых непрерывных измерений меняющегося во времени поля толщин прозрачной пленки с малой погрешностью измерения.

В оптическом способе измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки поставленная задача решается тем, что на поверхности, покрытой пленкой, образуют источник света, облучая ее пучком света, который образует на поверхности световое пятно, служащее источником света от поверхности, или помещая первичный источник света на поверхности. Лучи света от источника света на поверхности, приходящие на границу раздела пленка - воздух под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения, преломляются и выходят из пленки, а лучи, приходящие на границу раздела пленка - воздух под углом, равным или большим угла полного внутреннего отражения, отражаются к поверхности. В результате на твердой поверхности под пленкой возникает изображение искаженного светового кольца. Изображение светового кольца фиксируют на видеокамеру в течение всего промежутка времени, в течение которого надо провести измерения толщины пленки. Затем изображение светового кольца обрабатывают на компьютере. По геометрическим размерам светового кольца определяют мгновенную толщину пленки в зоне измерения. Измеряя геометрические размеры последовательных изображений светового кольца, получают информацию об изменении толщины пленки во времени. Для измерения поля толщин пленки на поверхности образуют несколько источников света.

Способ основан на явлении полного внутреннего отражения света границей раздела двух сред. Эффект полного внутреннего отражения возникает на границе раздела двух сред с разными коэффициентами преломления. Предельный угол отражения зависит от толщины пленки и коэффициента преломления материала пленки.

Основное отличие заявленного способа от имеющихся аналогов заключается в том, что толщину пленки определяют не по сравнению характеристик падающего на поверхность и отраженного от нее света, а по геометрическим размерам образованного на поверхности светового кольца, которое возникает в результате эффекта полного внутреннего отражения. Причем источником света на поверхности может быть либо световое пятно, которое формируется падающим на поверхность пучком света, либо первичный источник света на поверхности.

На фиг.1 представлена схема осуществления оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки.

На фиг.2 представлена схема установки для калибровки оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки.

Способ осуществляют следующим образом. Поверхность (1), покрытую тонкой прозрачной пленкой (2), облучают пучком света (3), который образует на поверхности световое пятно (4), служащее источником света от поверхности, или помещая первичный источник света на поверхности (1). На границе раздела воздух - пленка лучи света от светового пятна, приходящие под углом, меньшим предельного угла отражения, преломляются и выходят из жидкости (5). Лучи от светового пятна, приходящие под углом, большим предельного угла отражения, отражаются к поверхности дна (6). В результате преломления света на границе раздела сред пленка - воздух и полного внутреннего отражения на твердой поверхности под пленкой возникает изображение искаженного светового кольца (7). Изображение светового кольца фиксируют на видеокамеру (8). Изображение обрабатывают на компьютере, измеряя геометрические размеры светового кольца. По главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца, определяют толщину пленки (9) по следующей математической формуле:

h=(D-d)/[4tg arcsin (n₂/n₁)],

где

h - толщина пленки,

D - длина главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца,

d - размер источника света на поверхности,

n₂ - коэффициент преломления воздуха,

n₁ - коэффициент преломления материала пленки.

Для определения изменения толщины пленки во времени производят обработку последовательных изображений светового кольца, снятого видеокамерой. Для измерения поля толщин пленки используют несколько источников света.

Для определения погрешности способа на установке была проведена калибровка оптического способа измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки на пленке жидкости известной толщины.

Установка состоит из кюветы с жидкостью (10), лазера (11) и видеокамеры (12). Пучок света лазера (13) формирует источник света в плоскости дна (14). На границе раздела воздух - жидкость лучи света от светового пятна, приходящие под углом, меньшим предельного угла отражения, преломляются и выходят из жидкости (15). Лучи от светового пятна, приходящие под углом, большим предельного угла отражения, отражаются к поверхности дна (16). В результате полного внутреннего отражения вокруг источника света формируется световое кольцо (17). Изображение светового кольца (17) фиксируют на видеокамеру (12) и обрабатывают на компьютере. Погрешность обусловлена наличием мениска на поверхности воды (~0,1%), наклоном дна кюветы (~4%), неточностью в определении задаваемого объема (~2%), неточностью в обработке изображения (~5%) и искажением изображения жидкостью (~2%). Имеется систематическая погрешность, не превышающая 10%.

Представленный способ измерения толщины прозрачной пленки является простым в реализации, требует несложной калибровки. Использование заявляемого изобретения обеспечивает возможность прямых непрерывных измерений меняющегося во времени поля толщин прозрачной пленки с систематической погрешностью измерения толщины пленки не более 10%.

Способ может быть использован для бесконтактных, непрерывных измерений толщин прозрачной пленки. Способ включает направленное воздействие лучей света на пленку, их полное внутреннее отражение на границе раздела сред и последующую обработку отраженного света. Источник света помещают над пленкой или под пленкой, от которого образуются лучи света, направленные под углами - меньшими предельного угла отражения на границе пленка - воздух и большими предельного угла отражения на границе пленка - воздух. Фиксируют изображение искаженного светового пятна, образованного на твердой поверхности под пленкой в результате полного внутреннего отражения света на границе раздела пленка - воздух, на видеокамеру в течение всего времени измерения, обрабатывают на компьютере, измеряют геометрические размеры светового пятна и определяют толщину пленки по формуле: h=(D-d)/[4tg arcsin (n₂/n₁)], где h - толщина пленки, D - длина главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца, d - размер источника света на поверхности, n₂ - коэффициент преломления воздуха, n₁ - коэффициент преломления материала пленки. Технический результат - создание простого способа, обладающего несложной калибровкой и обеспечивающего возможность прямых непрерывных измерений меняющегося во времени поля толщин прозрачной пленки с малой погрешностью измерения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ оптического измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки, включающий направленное воздействие лучей света на пленку, их полное внутреннее отражение на границе раздела сред и последующую обработку отраженного света, отличающийся тем, что источник света помещают над пленкой или под пленкой, от которого образуются лучи света, направленные под углами - меньшими предельного угла отражения на границе пленка - воздух и большими предельного угла отражения на границе пленка - воздух, а затем фиксируют изображение искаженного светового пятна, образованного на твердой поверхности под пленкой в результате полного внутреннего отражения света на границе раздела пленка - воздух, на видеокамеру в течение всего времени измерения, обрабатывают на компьютере, измеряют геометрические размеры светового пятна и определяют толщину пленки по следующей математической формуле:
h=(D-d)/[4tg arcsin (n₂/n₁)], где h - толщина пленки, D - длина главной диагонали эллипса, аппроксимирующего область светового кольца, d - размер источника света на поверхности, n₂ - коэффициент преломления воздуха, n₁ - коэффициент преломления материала пленки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхности формируют несколько источников света.

3. Способ по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что на компьютере обрабатывается несколько последовательных изображений светового кольца и по изменению геометрических размеров светового кольца определяют изменение толщины пленки во времени.