RU2168151C2

RU2168151C2 - Remote measurement of film thickness

Info

Publication number: RU2168151C2
Application number: RU99116933A
Authority: RU
Inventors: М.Л. Белов; С.В. Березин; В.А. Городничев; В.И. Козинцев
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: measurement technology; operational express control of petroleum product film thickness in treating facilities of inland waters, port water areas, etc. SUBSTANCE: method includes radiation treatment of surface by optical radiation, change of radiation wave length, recording of signal reflected from surface followed by analysis of dependence of intensity of reflected signal versus wave length characterizing the film thickness; dependence of intensity of reflected signal versus length of wave is approximated by sinusoid; parameters of this approximation are calculated and thickness of film is found by period of approximating sinusoid. EFFECT: possibility of measuring thickness of thin films when number of extreme becomes lesser than two depending on intensity of reflected radiation versus wave length. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного экспресс-контроля толщины пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п. The invention relates to measuring equipment and can be used, in particular, for rapid express control of the thickness of the films of petroleum products in wastewater treatment plants, in inland waters, port waters, etc.

Известны способы измерения толщины пленки на поверхности материала [1,2] , заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, перестраивают длину волны излучения падающего на поверхность пленки, регистрируют отраженный от поверхности сигнал, измеряют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны и определяют толщину пленки по результатам вычисления расстояния между экстремумами или числа экстремумов на кривой зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны в диапазоне перестройки. Known methods for measuring the thickness of the film on the surface of the material [1,2], which consists in the fact that optical radiation is directed to the surface of the film, the radiation wavelength of the radiation incident on the film surface is tuned, the signal reflected from the surface is recorded, the dependence of the reflected signal intensity on the wavelength is measured, and determine the film thickness according to the results of calculating the distance between the extrema or the number of extrema on the curve of the dependence of the intensity of the reflected signal on the wavelength in the range of Menus.

Недостатком этих способов является невозможность измерения толщины тонких пленок, когда число экстремумов в зависимости интенсивности отраженного излучения от длины волны становится меньше двух. The disadvantage of these methods is the impossibility of measuring the thickness of thin films when the number of extrema depending on the intensity of the reflected radiation on the wavelength becomes less than two.

Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу измерения толщины пленки на поверхности материала, включающему облучение поверхности оптическим излучением, перестройку длины волны излучения, регистрацию отраженного от поверхности сигнала с последующим анализом зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения, для измерения толщины пленки используют аппроксимацию зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны синусоидой, вычисляют параметры этой аппроксимации и определяют толщину пленки по периоду аппроксимирующей синусоиды. This disadvantage can be avoided by the fact that according to the method of measuring the film thickness on the surface of the material, including irradiating the surface with optical radiation, tuning the wavelength of the radiation, recording the signal reflected from the surface, and then analyzing the dependence of the reflected signal intensity on the radiation wavelength, an approximation is used to measure the film thickness the dependence of the intensity of the reflected signal on the wavelength of a sinusoid, calculate the parameters of this approximation and determine the thickness of the NKI on the period of the approximating sinusoid.

Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна". The presence of a distinguishing feature indicates compliance with the criterion of "novelty."

Указанный отличительный признак неизвестен в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень". The specified distinguishing feature is unknown in the scientific, technical and patent literature, and therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ. In FIG. 1 schematically shows a device that implements the proposed method.

Устройство содержит перестраиваемый по длине волны источник излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 вычисления зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения, блок 4 вычисления толщины пленки на поверхности материала 5. The device comprises a wavelength tunable radiation source 1, a photodetector 2, a unit 3 for calculating the dependence of the intensity of the reflected signal on the radiation wavelength, a unit 4 for calculating the film thickness on the surface of the material 5.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Оптическое излучение источника 1 отражается поверхностью 5, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 вычисления зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения. Затем в блоке 4 вычисленную зависимость интенсивности отраженного сигнала I(λ) от длины волны излучения аппроксимируют функцией I_a(λ) следующего вида:
I_a(λ) = A(λ,d)sin[f(λ,d)+Φ]+B
где
A(λ,d) - - амплитуда аппроксимирующей синусоиды,
В - постоянная составляющая отраженного сигнала,
Φ - фаза аппроксимирующей синусоиды,

n - показатель преломления материала пленки,
k - показатель поглощения материала пленки,
d - толщина пленки,
λ - длина волны излучения.The optical radiation of the source 1 is reflected by the surface 5, the intensity of the reflected radiation is recorded by the photodetector 2, the signal from the photodetector is fed to the unit 3 for calculating the dependence of the intensity of the reflected signal on the radiation wavelength. Then, in block 4, the calculated dependence of the intensity of the reflected signal I (λ) on the radiation wavelength is approximated by a function I _a (λ) of the following form:
I _a (λ) = A (λ, d) sin [f (λ, d) + Φ] + B
Where
A (λ, d) - is the amplitude of the approximating sinusoid,
B is the constant component of the reflected signal,
Φ is the phase of the approximating sinusoid,

n is the refractive index of the film material,
k is the absorption coefficient of the film material,
d is the film thickness,
λ is the radiation wavelength.

Вид аппроксимирующей функции I_a(λ) показан на фиг. 2, где (λ_min, λ_max) - диапазон перестройки длины волны излучения источника.The approximating function I _a (λ) is shown in FIG. 2, where (λ _min , λ _max ) is the tuning range of the source radiation wavelength.

Для узкого диапазона перестройки (λ_max-λ_min≪ λ_a, где λ_a - средняя длина волны излучения по диапазону перестройки) период аппроксимирующей синусоиды (1) можно вычислить по следующей формуле:

Параметры аппроксимирующей функции (постоянная составляющая B, амплитуда A₀, фаза Φ и период синусоиды T_λ) находят, минимизируя в многомерном пространстве параметров отклонение синусоиды от измеренной зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения. Показатели преломления и поглощения материала пленки считаются известными. Найденный период аппроксимирующей синусоиды T_λ используется в блоке 4 для вычисления толщины пленки d на поверхности материала.For a narrow tuning range (λ _max −λ _min ≪ λ _a , where λ _a is the average radiation wavelength over the tuning range), the period of the approximating sinusoid (1) can be calculated by the following formula:

The parameters of the approximating function (constant component B, amplitude A ₀ , phase Φ, and the period of the sinusoid T _λ ) are found by minimizing the deviation of the sinusoid from the measured dependence of the reflected signal intensity on the radiation wavelength in the multidimensional parameter space. The refractive indices and absorption of the film material are considered known. The found period of the approximating sinusoid T _{λ is} used in block 4 to calculate the film thickness d on the surface of the material.

В известных способах измерения толщины пленок на поверхности материала [1,2] толщина пленки определяется по расстоянию между экстремумами или числу экстремумов на кривой зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны в диапазоне перестройки. Поэтому эти способы не могут быть использованы для измерения толщины тонких пленок, для которых зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения либо вообще не имеет экстремумов, либо имеет только один экстремум (максимум или минимум). Предлагаемый способ свободен от этого недостатка. In the known methods for measuring the thickness of the films on the surface of the material [1,2] the film thickness is determined by the distance between the extrema or the number of extrema on the curve of the dependence of the intensity of the reflected signal on the wavelength in the tuning range. Therefore, these methods cannot be used to measure the thickness of thin films for which the dependence of the reflected signal intensity on the radiation wavelength either has no extrema at all, or has only one extremum (maximum or minimum). The proposed method is free from this disadvantage.

Толщину пленки по предлагаемому способу можно восстановить с высокой точностью аппроксимируя полученную зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения синусоидой как при наличии экстремумов, так и без экстремумов. The film thickness according to the proposed method can be restored with high accuracy by approximating the obtained dependence of the reflected signal intensity on the wavelength of the radiation by a sinusoid, both in the presence of extrema and without extrema.

Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного экспресс-контроля толщины пленок нефтепродуктов, что особенно важно в очистных сооружениях при контроле степени очистки воды. The claimed invention is directed, in particular, to solving the problem of rapid express control of the thickness of the films of oil products, which is especially important in wastewater treatment plants when controlling the degree of water purification.

Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонентов и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость". The measuring device can be assembled at the enterprises of the Russian Federation from components and assemblies manufactured in the Russian Federation, and meets the criterion of "industrial applicability".

Источники информации
1. Устройство для автоматического измерения толщины пленки. Патент 3-57407. Япония. 1993 г. Кл. G 01 B 11/06. (РЖ Изобретения стран мира, 1993, вып. 82, N3, с.45).Sources of information
1. Device for automatic measurement of film thickness. Patent 3-57407. Japan. 1993 Cl. G 01 B 11/06. (РЖ Inventions of the countries of the world, 1993, issue 82, N3, p. 45).

2. United States Patent. Method of measuring film thickness. Patent Number: 4645349. Date of Patent: Feb. 24, 1987. Int. Cl. G 01 B 11/06. 2. United States Patent. Method of measuring film thickness. Patent Number: 4645349. Date of Patent: Feb. 24, 1987. Int. Cl. G 01 B 11/06.

Claims

A remote method for measuring the film thickness on the surface of a material by irradiating the surface with optical radiation, tuning the radiation wavelength, recording the signal reflected from the surface, and then analyzing the dependence of the reflected signal intensity on the wavelength characterizing the film thickness, characterized in that the dependence of the reflected signal intensity on the wavelength approximate by a sinusoid, calculate the parameters of this approximation and determine the film thickness by the period of the approximating sinusoid ides.