一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术是一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置及方法，包括光学隔振平台，所述光学隔振平台上竖向连接有光学升降柱，所述光学升降柱上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块，所述夹持式固定滑块上设置有光谱共焦探头，所述光谱共焦探头下方的光学隔振平台上用于放置多层透明被测物，使得光谱共焦探头发出的测量光束聚焦至多层透明被测物上进行测厚。本发明专利技术仅需单个光谱共焦探头照射在多层透明材料的表面上，即可测量出照射区域内透明材料各层的厚度，操作简单，极大地提高了测厚效率，并能保证测厚精度，通过可调节的探头固定座以及夹持式固定滑块可以在同台设备上实现多种型号的光谱共焦探头的测量，具备通用性与实用性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置及方法


[0001]本专利技术涉及精密测量及传感
，具体涉及一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置及方法。

技术介绍

[0002]光谱共焦位移传感器被广泛用于工业自动化领域的距离测量、厚度测量等，典型应用如晶圆测高、玻璃测厚、膜层测厚等。光谱共焦位移传感器具备高速、高精度、非接触的优良特点，与激光三角法位移传感器相比，光谱共焦位移传感器不仅能测距，而且能对透明材料测厚，加上光学探头不发热等优点，因此环境适应性更强、使用范围更广。
[0003]目前基于光谱共焦原理的单个光谱共焦传感器，能实现单层透明材料厚度的精密测量，但对于多层透明材料厚度的精密测量仍是业界的一个难题。由于被测物存在一定的折射率，从色散透镜组发出的光线经过被测物时会产生折射现象，进而导致光线发生偏折。在厚度测量过程中，若不考虑这一影响，直接将聚焦于被测物上下表面的两个不同波长的光线所对应的距离相减得到被测物厚度，必然会产生较大的测量误差。不同波长的光线对同一材料而言，折射率会有所差异，绝大多数材料的折射率会随着光波长的变化而变化，波长越长，折射率越小，忽略该因素会导致高精密测量过程中产生不可忽略的测量误差。
[0004]此外，由于光谱共焦位移传感器外形多样、量程多种，测厚安装装置上需适配不同型号的光谱共焦位移传感器，因此要求测厚安装装置具有良好的通用性与适应性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置及方法，仅通过单个光谱共焦探头照射在待测的多层透明被测物上，即可一次性测量出透明材料的各层材料厚度，不仅可以显著提升测量效率，而且能够有效确保测量精度，给多层透明材料的生产与检测带来了极大的便利。
[0006]为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，包括光学隔振平台，所述光学隔振平台上竖向连接有光学升降柱，所述光学升降柱上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块，所述夹持式固定滑块上设置有光谱共焦探头，所述光谱共焦探头下方的光学隔振平台上用于放置多层透明被测物，使得光谱共焦探头发出的测量光束聚焦至多层透明被测物上进行测厚。
[0007]进一步的，在所述光谱共焦探头与夹持式固定滑块之间连接有微调精密平台，所述微调精密平台上分别设有探头Z轴平移微调旋钮、探头X轴平移微调旋钮和探头R轴旋转微调旋钮，分别用于微调光谱共焦探头的Z轴方向平移、X轴方向平移、绕R轴旋转的角度，其中，R轴位于Z轴与X轴的交汇处且相互垂直，从而精准调节光谱共焦探头测量光束的聚焦焦点位置。
[0008]进一步的，在所述光谱共焦探头与微调精密平台之间设有探头固定座，所述光谱
共焦探头固定在探头固定座上，探头固定座连接在微调精密平台上，便于换装不同型号大小的光谱共焦探头。
[0009]进一步的，所述光谱共焦探头的光信号输入端通过光纤跳线连接光谱共焦控制器，用于向光谱共焦探头发出光束。
[0010]进一步的，所述光谱共焦控制器通过有线或无线通信网络连接上位机，用于通过上位机观察光谱图像并将测量数据上传至上位机处理显示。
[0011]一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1）首先把选定的光谱共焦探头安装于探头固定座上，通过光纤跳线连接到光谱共焦控制器，光谱共焦控制器与上位机相连接；步骤2）将多层透明被测物放置在光学隔振平台上，调节夹持式固定滑块、探头Z轴平移微调旋钮、探头X轴平移微调旋钮、探头R轴旋转微调旋钮，使多层透明被测物位于光谱共焦探头的量程零点位置；步骤3）通过上位机观察多层透明被测物反射回来的光谱图像，并确保光谱图像上的峰均在光谱共焦探头的量程范围内；步骤4）通过光谱共焦控制器对反射的信号进行提取、分析、运算得到第1个峰的距离值、第2个峰的距离值；依据多层透明被测物中的单层透明材料的厚度表达式求出厚度值d；测量多层透明被测物的厚度时，通过光谱共焦控制器依据多层透明被测物的厚度值表达式，迭代求出多层透明被测物的各层透明材料的厚度值d
i
。
[0012]进一步的，所述多层透明被测物中的单层透明材料的厚度表达式为：，式中，由聚焦光波长为和的光线所对应的距离测量值相减得到，对应于光谱图像中第1个峰与第2个峰对应的距离测量值相减，作为入射角的色散透镜组的像方孔径角与对应聚焦光波长之间的关系式为：，其中，a、b、c为三个系数，由光谱共焦探头的设计光学参数确定；依据光学系统的折射率
‑
波长经验关系Sellmeier等式：，式中，n为折射率，λ为波长，A
i
和B
i
均为Sellmeier系数，Sellmeier系数通过查找相应资料库得到或借助已知测量数据进行标定计算求得；结合测得的单层透明材料上下表面的两个距离值，计算出单层透明材料厚度d。
[0013]进一步的，所述多层透明被测物的厚度值测量模型建立在单层厚度测量的基础之上，依据Snell折射定律和几何关系，得出多层透明被测物的厚度值表达式：上，依据Snell折射定律和几何关系，得出多层透明被测物的厚度值表达式：，
式中，d
i
为多层透明被测物的第i层的厚度，为波长为和的光线所对应的距离测量值相减得到，对应于光谱图像中第1个峰和第2个峰的距离测量值，为波长汇聚光束最大入射角，n
i
表示第i层透明被测物的折射率。
[0014]本专利技术的有益效果是:本专利技术的多层透明材料测厚方法，仅需单个光谱共焦探头照射在多层透明材料的表面上，即可测量出照射区域内透明材料各层的厚度，操作简单，极大地提高了测厚效率，并能保证测厚精度，此外，通过可调节的探头固定座以及夹持式固定滑块可以在同台设备上实现多种型号的光谱共焦探头的测量，具备通用性与实用性。
附图说明
[0015]图1是本专利技术的装置结构示意图；图2是本专利技术的单层透明材料厚度测量示意图；图3是专利技术的多层透明材料厚度测量示意图；图4是专利技术的多层透明材料测量光谱图像示意图；图5是专利技术的多层透明材料厚度测量流程图。
[0016]图中标号说明：1、多层透明被测物，2、光谱共焦探头，3、探头固定座，4、探头Z轴平移微调旋钮，5、探头X轴平移微调旋钮，6、光学升降柱，7、夹持式固定滑块，8、探头R轴旋转微调旋钮，9、光学隔振平台，10、光纤跳线，11、光谱共焦控制器，12、上位机，13、微调精密平台。
具体实施方式
[0017]下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本专利技术。
[0018]如图1所示，一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，包括光学隔振平台9，所述光学隔振平台9上竖向连接有光学升降柱6，所述光学升降柱6上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块7，所述夹持式固定滑块7上设置有光谱共焦探头2，所述光谱共焦探头2下方的光学隔振平台9上用于放置多层透明被测物1，使得光谱共焦探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，包括光学隔振平台（9），所述光学隔振平台（9）上竖向连接有光学升降柱（6），所述光学升降柱（6）上竖向滑动地连接有夹持式固定滑块（7），所述夹持式固定滑块（7）上设置有光谱共焦探头（2），所述光谱共焦探头（2）下方的光学隔振平台（9）上用于放置多层透明被测物（1），使得光谱共焦探头（2）发出的测量光束聚焦至多层透明被测物（1）上进行测厚。2.根据权利要求1所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，在所述光谱共焦探头（2）与夹持式固定滑块（7）之间连接有微调精密平台（13），所述微调精密平台（13）上分别设有探头Z轴平移微调旋钮（4）、探头X轴平移微调旋钮（5）和探头R轴旋转微调旋钮（8），分别用于微调光谱共焦探头（2）的Z轴方向平移、X轴方向平移、绕R轴旋转的角度，其中，R轴位于Z轴与X轴的交汇处且相互垂直，从而精准调节光谱共焦探头（2）测量光束的聚焦焦点位置。3.根据权利要求2所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，在所述光谱共焦探头（2）与微调精密平台（13）之间设有探头固定座（3），所述光谱共焦探头（2）固定在探头固定座（3）上，探头固定座（3）连接在微调精密平台（13）上，便于换装不同型号大小的光谱共焦探头（2）。4.根据权利要求3所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，所述光谱共焦探头（2）的光信号输入端通过光纤跳线（10）连接光谱共焦控制器（11），用于向光谱共焦探头（2）发出光束。5.根据权利要求4所述的基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚装置，其特征在于，所述光谱共焦控制器（11）通过有线或无线通信网络连接上位机（12），用于通过上位机（12）观察光谱图像并将测量数据上传至上位机（12）处理显示。6.一种基于光谱共焦原理的多层透明材料测厚方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1）首先把选定的光谱共焦探头（2）安装于探头固定座（3）上，通过光纤跳线（10）连接到光谱共焦控制器（11），光谱共焦控制器（11）与上位机（12）相连接；步骤2）将多层透明被测物（1）放置在光学隔振平台（9）上，调节夹持式固定滑块（7）、探头Z轴平移微调旋钮（4）、探头...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钧，戴霖，陈旺，张文浩，黄进，
申请(专利权)人：苏州创视智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：