测量高速移动的弯曲物体上沉积涂层厚度的不依赖于物体位置的方法技术

本申请提供了测量移动物体上涂层厚度的方法和装置。在物体上预定位置处将光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用。拍摄至少一个波长通道的ID和/或2D最大强度，其由与物体相互作用的那部分光产生。将测得的该波长通道的平均强度和/或多个波长通道几何特征的强度及其算术衍生结果转化为ID(平均)和/或2D厚度值。基于这些值评估涂层的可接受度并计算厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】测量高速移动的弯曲物体上沉积涂层厚度的不依赖于物体位置的方法相关申请的交叉参考本申请涉及2016年1月7日提交的题为“测量高速移动的弯曲物体上沉积涂层厚度的不依赖于物体位置的方法”的第62/275,912号美国临时申请并要求其权益，其内容通过参考完整地纳入本文以用于所有目的。专利
本专利技术涉及在线生产中移动的容器上沉积的涂层的厚度的光学测量方法和装置。专利技术背景在形成玻璃容器的过程中，玻璃容器外部通常施涂金属氧化物涂料。这种涂料可包含锡、钛或者其他反应性金属化合物或有机金属化合物，可用来保护玻璃容器免受表面损伤，如磨伤和擦伤，所述损伤导致玻璃容器损失抗张强度。玻璃容器的高抗张强度是有利的，特别是在以下情况下：大批量生产容器，容器极为贴近地沿着高速传送线快速移动，装有在容器内会产生气压的碳酸饮料、食物等，并装运。金属氧化物涂料通常在玻璃容器以受热并完全成型的状态从玻璃器皿成型机中出来的时候施涂，也就是在系统“热端”施涂。传送机将容器从成型机送走。玻璃容器表面存在超过400摄氏度的温度，所以，当向其施涂可热分解的无机金属或有机金属化合物时，该化合物会立即反应并转化为金属氧化物涂层。在形成玻璃的过程中，宜定期检查涂层。目前的质检程序通常涉及离线过程。在容器冷却到低于约100摄氏度之后(在系统“冷端”)，定期将一个或多个容器从生产线拉出来。然后测量金属氧化物涂层厚度，以确定厚度是否处在厚度容差范围内。若厚度超出容差范围，则必须检测最后一次成功检测以来所生产的其他容器，以确定工艺何时偏离规范，不合格容器可以销毁。例如，样品容器可每4-8小时检测一次。若每分钟形成约400-500个瓶子(或者每小时约25000至约55000个瓶子)，生产4小时后才发现涂层缺陷可能导致存货损失严重。同样重要的是要注意到，合格厚度与不合格厚度之间的差异可能小到5CTU，具体取决于制造商的规范(CTU＝涂层厚度单位，1nm约等于3.45CTU)。因此，瓶子生产工艺需要高度可复制的超灵敏技术。有多种方法探测待检物体中的缺陷。第4,651,568号美国专利涉及玻璃瓶检查方法和装置，其采用声波脉冲探测缺陷。声波距离和缺陷测量设备首先受限于声波的有效耦合，其次受限于物体尺寸。最后的限制直接与形成解析良好的脉冲有关。该缺陷将声波对固态物体上涂层厚度的探测限制到大于0.1mm,但无论如何可能需要低于5nm的厚度精度。WO2004/065902涉及基材如瓶子上涂层的无接触测量方法和装置，其基于对反射自容器表面的紫外辐射的捕集。该系统受限于光谱的UV区，因为它依赖于低于约350nm的玻璃吸收性质，图1中透明火石玻璃的透射光谱说明了这一点。对于低于320nm的波长，玻璃一般透射不超过约10％的入射光。参见图2，对于圆柱形玻璃容器，可能发生多种反射：(1)在可能被涂覆的第一玻璃“壁”的外表面处；(2)在第一“壁”的内表面处；(3)在容器相对“壁”的内表面处；(4)在玻璃容器相对“壁”的外表面处。由于低于320nm下的低透射率，反射2-4将会非常弱，可忽略不计，因而只须考虑来自第一界面的反射。但是，对于大于320nm的波长，所有四种主要散射光线将会合并在反射光学元件中。仅机理1与第一界面处的涂层厚度直接相关。其余的机理增加测量系统的噪声。因为玻璃容器不是完美的圆筒，所以噪声水平将会增大；事实上，多数玻璃容器可用横截面的n边形描述，如图3A-B所示。该事实使分析反射光变得复杂。因此，申请WO2004/065902中描述的方法受限于UV，其中来自次表面的多数信号因强吸收而可忽略不计；该方法仅对320nm附近或以下的波长真正有效。320nm光学机构的搭建成本很高，需要一些特殊的光学元件、探测器和光源。该方法的另一限制是作者所展示的测量依赖于距离。在正常生产条件下，容器很少在传送带中央完美对齐。恰恰相反，瓶子在垂直于中心线的任一方向上可能变化数英寸，图4。该不一致性会导致容器与位于传送带附近的任何测量设备之间的距离存在相当的变化。距离变化会造成噪声水平进一步增大，这必须通过额外的定位系统或者厚度测量中复杂的校正来解决。此外，在该专利技术的权利要求书中，作者严重依赖于激发光束与进入光纤的反射光束的外耦合和耦合。我们在厚度测量点测出超过70℃的温度，使多数光纤耦合因光纤中的环氧失效而变得不可用。美国公开第2009039240号是使用UV激发源和用积分球收集的反射光测量厚度的改进技术。该途径成本高，因积分球尺寸而难以实施。积分球中用来制备反射表面的多数粘合剂(PTFE,等)在高于70℃时开始失效，使其不能用于瓶玻璃厂的环境。此外，由于长期持久的瞬时响应和测得的由多处漫反射引起的信号“脉冲展宽”，积分球用作稳态设备。同时，典型的600个瓶子/分钟的玻璃生产厂可能要求探测时间短于5毫秒。该途径预计也受容器与测量系统探测器之间可变距离的影响。美国专利申请公开第2013/0222575号涉及玻璃瓶检查装置和方法，其借助于一个或多个照明单元和至少一个照相机，通过成像过程探测玻璃瓶上的缺陷。美国专利申请公开第2009/0148031号涉及表面检查装置，其利用检查光扫描在检物体表面，从表面接收反射光，基于反射光生成物体表面的二维图像。该装置将二维图像的像素分为其色调对应于物体表面上的缺陷的像素和其色调不对应于物体表面上的缺陷的像素。美国专利申请公开第2004/0065841号涉及检验塑料容器上涂层厚度的方法和装置，其用紫外光照射容器，使之穿过容器到达一个或多个紫外光传感器，基于通过容器的紫外光的量确定厚度。第6,252,237号美国专利涉及经涂覆表面上涂层厚度的测量方法，其利用光敏元件的固态阵列测量荧光涂料组合物发射的光，测量涂料组合物的强度。第6,646,752号美国专利涉及超薄栅氧化物层厚度的测量方法和装置，其利用热处理和椭偏仪技术。椭偏仪技术是非常灵敏的技术，要求高质量的层构造，信号中只能有非常少的漫射光散射成分。它还需要相当长的时间获取反射信号。由于图3中瓶子表面上存在具体缺陷和不规则性，漫射光成分变得相当多。因此，它不可能用于在线涂层表征。第5,208,645号美国专利涉及圆柱形物体周围涂层厚度的测量方法和装置，其利用平行光线在垂直于样本长度的方向上辐射物体，并测量由样本衍射并通过图像探测设备接收的光的光强度峰值水平。第5,991,018号美国专利涉及检查涂层的厚度或退化情况的装置，其利用图像拾取单元接收反射光或透射光。图像拾取信号与参考公式比较，以确定涂层厚度。该检查装置可在生产线上测量涂层厚度。此技术受限于30-60度的反射几何特性。为获得完美的照明性质，它还要求以某种方式对入射光进行调适。它还依赖于参比光束的存在。它还限于厚度大于40nm的涂层。例如，对于厚度为零和45nm的容器，双色值X和Y的变化分别为小于7.3％和9％的变化。由于图3所示瓶子的复杂光散射，这些小变化在测量误差范围内。目前付诸实践的光学厚度测量方法最常使用美国玻璃研究公司(AGR)供应的计量器具，该方法采用折射率匹配流体，利用直接接触测量途径，为环境温度附近(例如＜100℃)的静态瓶子提供了薄涂层厚度(例如小于约20nm)的准确测量，并且准确识别出涂层厚度的小变化。同时，在线生产过程中，在系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种不依赖于到物体的距离的测量物体上涂层厚度的装置，所述装置包含：至少一个光源，其构造成在物体上预定位置处将光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用；波长探测器，其构造成拍摄强度信号，所述强度信号由与物体相互作用的那部分光产生并包含至少一个通道；与波长探测器连接的测量设备，其构造成：基于所述至少一个通道中每个通道拍摄的平均最大峰值强度，确定所述至少一个通道的光的强度；以及基于所确定的强度，确定物体上涂层的厚度和/或涂层的可接受度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.07 US 62/275,9121.一种不依赖于到物体的距离的测量物体上涂层厚度的装置，所述装置包含：至少一个光源，其构造成在物体上预定位置处将光引导到物体，使得一部分光与物体相互作用；波长探测器，其构造成拍摄强度信号，所述强度信号由与物体相互作用的那部分光产生并包含至少一个通道；与波长探测器连接的测量设备，其构造成：基于所述至少一个通道中每个通道拍摄的平均最大峰值强度，确定所述至少一个通道的光的强度；以及基于所确定的强度，确定物体上涂层的厚度和/或涂层的可接受度。2.一种测量物体上涂层厚度的装置，所述装置包含：至少一个指向物体的光源；包含至少两个波长通道的多波长探测器，其构造成接收被物体表面反射或透射通过物体表面的一部分光；以及连接至波长探测器的测量设备，所述测量设备构造成基于所述至少两个波长通道的最大强度的算术运算确定涂层厚度。3.根据权利要求1的装置，还包含显示器，其构造成显示所确定的厚度、厚度图、所确定的厚度可接受的指征和所确定的厚度不可接受的指征中的至少一个。4.根据权利要求1的装置，其中与物体相互作用的那部分光包括穿过物体的那部分光和被物体反射的那部分光中的至少一个。5.根据权利要求1的装置，还包含：与所述光源、所述波长探测器和所述测量设备连接的控制器，所述控制器构造成控制所述光源、所述波长探测器和所述测量设备，使得测量设备从对应于物体上多个位置的相应多个一维(1D)或二维(2D)图确定多个相对波长强度，其中测量设备基于来自多个相对波长通道强度的平均最大波长强度确定物体上的涂层厚度，所述对应于多个位置的多个1D或2D强度图依序和/或同时拍摄。6.根据权利要求1的装置，其中物体上的涂层厚度是基于所确定的相对最大波长通道强度与涂层厚度之间的预定关系确定的。7.根据权利要求1的装置，其中光源构造成在包括可见光和红外光中的至少一种的预定波长范围内发射光。8.根据权利要求1的装置，还包含位置探测器，其构造成通过测量2D探测器表面上反射光斑尺寸来探测物体处于预定位置。9.根据权利要求1的装置，其中所述装置还包含穿过抛物柱面镜中的开口指向圆柱形物体的单激发波长源或多激发波长源；一组光学仪器，优选竖直狭缝和柱面透镜，其设置为改变光源的光斑，得到在穿过抛物柱面镜中的孔之前具有竖直对齐的长轴的半矩形形状；一组竖直狭缝，用来阻挡与反射2-4相关的反射噪声，并将与厚度相关的反射1传...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·E·莫伊勒，R·Y·科罗特科夫，R·C·史密斯，
申请(专利权)人：阿科玛股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US