【技术实现步骤摘要】
一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统及测量方法
[0001]本专利技术涉及一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，属于薄膜光学与光学测量领域。
技术介绍
[0002]21世纪以来，塑料工业和塑料薄膜技术发展较快，随着近年来辐射固化、多层共挤等加工技术以及功能材料的发展，使得这些高分子薄膜材料的功能性得到进一步完善，应用价值上升。通常功能薄膜都具有电学、磁学、光学、声学、力学、化学和生物功能等中的某一或某些特殊功能，因此在节能环保、新能源、高端装备制造业、生物技术等新兴行业具有广阔的应用空间。现有测量薄膜厚度的方法主要有探针法、波长极值法、石英晶振法、干涉光谱分析法和椭圆偏振法等，其中非接触式无损厚度测量方法主要为宽光谱分析法和椭圆偏振法两种。椭圆偏振法利用经过薄膜反射的光的偏振态发生变化的原理进行测量，能测量出薄膜的折射率和厚度，测量误差小于1nm，重复性小于0.01nm，是目前测量精度最高的方法，但是设备昂贵复杂，测量需转动波片、调整入射角，过程繁琐、耗时较长，无法实现快速测量。波长极值法常用于监控薄膜的生长，当薄膜光学厚度达到监控光波长1/4的整数倍时，薄膜的透射率出现极值，由于在极值点处的透射率变化率低，因此波长极值法测量精度有限。干涉光谱分析法依据反射和干涉原理，光经过薄膜上下表面的多次反射、透射后，由于不同路径的光线存在光程差而互相干涉，导致薄膜对不同波长的反射率或透射率不同，采集薄膜反射或透射光谱可分析出薄膜的厚度。该方法实施难度低，且测量速度可以达到毫秒级。本专利技术对干涉光谱分析法进行研究。>[0003]现有的利用透射率测量薄膜折射率和厚度的方法，其厚度计算依赖透射率极值点的精确数值，并未利用完整的光谱数据；目前广泛采用的计算方法是全谱拟合法，依据透射率变化率与波长成反比的特性，对透射率求倒数并进行周期估计求解薄膜厚度。以上利用干涉光谱的测量方法中，主要采用垂直入射反射光谱测量方式，且将薄膜折射率视为已知量，无法同时求出薄膜的折射率和厚度。因此，为了同时测量薄膜的折射率和厚度，本专利技术利用透射干涉光谱测量折射率并利用全谱拟合法解算薄膜厚度。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的：为了克服现有技术的不足，有效解决现有折射率和膜厚解算方法对极值点精确度的依赖性和全谱拟合法不能测量薄膜折射率的问题，提供一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，利用透射率与折射率的关系计算折射率，并将所求的折射率代入全谱拟合法求解薄膜厚度。
[0005]上述的目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，该方法包括如下步骤：
[0007](1)按照图1所示，搭建一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统，其特征在于，所述厚度测量系统包括光源1、入射会聚透镜2、薄膜样品3、接收会聚透镜4、微型光谱仪5、
数据处理部6。光源1与入射会聚透镜2通过光纤连接，入射会聚透镜2与接收会聚透镜4的主光轴重合，调整入射会聚透镜2与接收会聚透镜4的焦点至无穷远处，薄膜样品3放置于入射会聚透镜2与接收会聚透镜4之间，薄膜样品3的法线与入射会聚透镜2、接收会聚透镜4主光轴之间的夹角为入射角，接收会聚透镜4与微型光谱仪5通过光纤连接，微型光谱仪5与数据处理部6通过USB数据线缆连接。当光源1发出的光线经过入射会聚透镜2并射向薄膜样品3时，在薄膜样品3的另一侧使用接收会聚透镜4接收透射光线，并使用微型光谱仪5测量透射干涉光谱P
t
(λ)，将透射干涉光谱P
t
(λ)传输至数据处理部6；
[0008](2)将步骤(1)中所述的薄膜样品3移除，当光源发出的光线经过入射会聚透镜2射向接收会聚透镜4，使用微型光谱仪测量光源光谱P
o
(λ)，将光源光谱P
o
(λ)传输至数据处理部6；
[0009](3)将步骤(1)和步骤(2)中所得的透射干涉光谱P
t
(λ)和光源光谱P
o
(λ)相除，得到薄膜样品的透射率T(λ)，透射率T(λ)是关于入射角、入射光波长、薄膜样品折射率、薄膜样品厚度的函数，即：
[0010][0011]式中，r1为空气与薄膜样品界面的反射系数，r2为薄膜样品与空气界面的反射系数，δ为相邻两透射光线的相位差，其表达式为：
[0012][0013]式中，n(λ)为薄膜样品的折射率，h为薄膜样品的厚度，单位为米，θ为入射角，单位为度或弧度，λ为光源的波长，单位为米。
[0014](4)优选地，当光源的光线垂直入射于薄膜样品3，反射系数r1和r2表示为：
[0015][0016]式中，n0为入射侧介质的折射率，n(λ)为薄膜样品的折射率，n
G
为出射侧介质的折射率；此时透射率T(λ)表示为：
[0017][0018]式中，n0为入射侧介质的折射率，n(λ)为薄膜样品的折射率，n
G
为出射侧介质的折射率，h为薄膜厚度，单位为米，λ为光源的波长，单位为米，α、C1、C2是为了简化计算设的中间量，无物理含义，且α＝exp(
‑
4πnh/λ)，C1＝(n+n0)(n
G
+n)，C2＝(n
‑
n0)(n
G
‑
n)。
[0019]由此计算出薄膜样品的折射率n(λ)为：
[0020][0021]式中n0为入射侧介质的折射率，n
G
为出射侧介质的折射率，N(λ)是为了简化计算设的中间量，无物理含义，且
[0022][0023]式中，T
max
(λ)为经过透射率T(λ)的全部极大值点的上包络线，T
min
(λ)为经过透射率T(λ)的全部极小值点的下包络线；
[0024](5)对步骤(3)所得的透射率T(λ)进行经验模态分解，将透射率T(λ)表示为q个本征模态函数的和。求解本征模态函数的具体方法为：
[0025](5.1)利用透射率T(λ)的所有极大值点和极小值点，通过三次样条函数拟合出透射率T(λ)的上包络线e
max
(λ)和下包络线e
min
(λ)；求上下包络线的均值作为透射率T(λ)的均值包络线m
11
(λ)＝[e
max
(λ)+e
min
(λ)]/2，其中m的下标ij表示第i个分量的第j次筛选；
[0026](5.2)分解出的第一个分量h
11
(λ)用原信号和均值包络表示为h
11
(λ)＝T(λ)
‑
m
11
(λ)；
[0027](5.3)检查所得第一个分量h
11
(λ)是否符合本征模态函数的两个条件，即在一个本征模态函数上，局部极值点的数量和零点的数量应相等或相差1；对于任意时刻，极大值包络线和极小值包络线的局部均值为0；
[0028]若不符合，将(本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统，其特征在于，该厚度测量系统包括光源、入射会聚透镜、薄膜样品、接收会聚透镜、微型光谱仪、数据处理部；所述光源与入射会聚透镜通过光纤连接，入射会聚透镜与接收会聚透镜的主光轴重合，调整入射会聚透镜与接收会聚透镜的焦点至无穷远处，薄膜样品放置于入射会聚透镜与接收会聚透镜之间，薄膜样品的法线与入射会聚透镜、接收会聚透镜主光轴之间的夹角为入射角，接收会聚透镜与微型光谱仪通过光纤连接，微型光谱仪与数据处理部通过USB数据线缆连接。2.根据权利要求1所述的一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统，其特征在于，所述入射角为0度。3.一种用权利要求1或2所述的基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统进行塑料薄膜厚度测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1.搭建基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量系统，当光源发出的光线经过入射会聚透镜并射向薄膜样品时，在薄膜样品的另一侧使用接收会聚透镜接收透射光线，并使用微型光谱仪测量透射干涉光谱P
t
(λ)，将透射干涉光谱P
t
(λ)传输至数据处理部；S2.将步骤S1中所述的薄膜样品移除，当光源发出的光线经过入射会聚透镜射向接收会聚透镜，使用微型光谱仪测量光源光谱P
o
(λ)，将光源光谱P
o
(λ)传输至数据处理部；S3.将步骤S1和步骤S2中所得的透射干涉光谱P
t
(λ)和光源光谱P
o
(λ)相除，得到薄膜样品的透射率T(λ)；S4.根据步骤S3所得的透射率T(λ)计算薄膜样品的折射率n(λ)；S5.对步骤S3所得的透射率T(λ)进行经验模态分解，将透射率T(λ)表示为q个本征模态函数的和；S6.对步骤S5所得的q个本征模态函数进行自适应选择，得到一个薄膜厚度的本征模态函数T
c
(λ)；S7.将步骤S6自适应选择得到的薄膜厚度的本征模态函数T
c
(λ)变换为一个常数与一个以K1为自变量的余弦函数的和T
K1
，并使用Lomb
‑
Scargle周期图法求解变换后的透射率T
K1
的功率谱P
T
(ω)，其中K1＝2πn(λ)cosθ/λ，n(λ)为步骤S4所得的薄膜折射率，θ为入射角，单位为度或弧度，λ为光的波长，单位为米；S8.提取步骤S7所得功率谱P
T
(ω)峰值处的频率ω0，计算所求薄膜样品厚度为ω0π。4.根据权利要求3所述的一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，其特征在于，步骤S3中透射率T(λ)是关于入射角、入射光波长、薄膜样品折射率、薄膜样品厚度的函数，即：式中，r1为空气与薄膜样品界面的反射系数，r2为薄膜样品与空气界面的反射系数，δ为相邻两透射光线的相位差，其表达式为：式中，n(λ)为薄膜样品的折射率，h为薄膜样品的厚度，单位为米，θ为入射角，单位为度或弧度，λ为光源的波长，单位为米。5.根据权利要求3所述的一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，其特征在于，步
骤S4的具体方法是：当光源的光线垂直入射于薄膜样品，反射系数r1和r2表示为：式中，n0为入射侧介质的折射率，n(λ)为薄膜样品的折射率，n
G
为出射侧介质的折射率；此时透射率T(λ)表示为：式中，n0为入射侧介质的折射率，n(λ)为薄膜样品的折射率，n
G
为出射侧介质的折射率，h为薄膜厚度，单位为米，λ为光源的波长，单位为米；α、C1、C2是为了简化计算设的中间量，无物理含义，且α＝exp(
‑
4πn(λ)h/λ)，C1＝(n(λ)+n0)(n
G
+n(λ))，C2＝(n(λ)
‑
n0)(n
G
‑
n(λ))；由此计算出薄膜样品的折射率n(λ)为：式中n0为入射侧介质的折射率，n
G
为出射侧介质的折射率，N(λ)是为了简化计算设的中间量，无物理含义，且式中，T
max
(λ)为经过透射率T(λ)的全部极大值点的上包络线，T
min
(λ)为经过透射率T(λ)的全部极小值点的下包络线。6.根据权利要求3所述的一种基于透射光谱的塑料薄膜厚度测量方法，其特征在于，步骤S5的具体方法是：S51.利用透射率T(λ)的所有极大值点和极小值点，通过三次样条函数拟合出透射率T(λ)的上包络线e
max
(λ)和下包络线e
min
(λ)；求上下包络线的均值作为透射率T(λ)的均值包络线m
11
(λ)＝[e
max
(λ)+e
min
(λ)]/2，其中m的下标ij表示第i个分量的第j次筛选；S52.分解出的第一个分量h
11
(λ)用原信号和均值包络表示为h
11
(λ)＝T(λ)
‑
m
11
(λ...
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