激光掃描紅外熱波成像在膜厚測(cè)量中的應(yīng)用

江海軍，陳 力

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激光掃描紅外熱波成像在膜厚測(cè)量中的應(yīng)用

江海軍，陳 力

（南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210046）

隨著涂層及薄膜材料的廣泛應(yīng)用，工業(yè)界對(duì)膜厚的測(cè)量與質(zhì)量控制提出了更高的要求，膜層厚度測(cè)試變得尤為重要。針對(duì)目前檢測(cè)方法的不足，介紹了一種激光掃描紅外熱波測(cè)量膜厚的方法。采用“溫度波線行波法”分析，使長(zhǎng)時(shí)間激光掃描樣品表面溫度場(chǎng)函數(shù)簡(jiǎn)化?；诖?，得出激光掃描樣品表面的溫度時(shí)間曲線可以轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的溫度空間曲線與掃描速度的乘積，從而可以把樣品表面的溫度時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為樣品表面的溫度空間曲線。通過(guò)溫度空間曲線與理論公式曲線進(jìn)行擬合，即可測(cè)量出膜層的厚度，最后通過(guò)自主研發(fā)的激光掃描紅外熱波成像設(shè)備對(duì)50～350μm膜層厚度進(jìn)行了測(cè)量，重復(fù)性好且測(cè)量精度在5%以內(nèi)。

激光掃描；紅外熱波成像；無(wú)損檢測(cè)；溫度場(chǎng)；膜厚測(cè)量

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，涂層及薄膜的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，膜厚的測(cè)試變得尤為重要。薄膜的厚度決定性地影響薄膜的光學(xué)性能、力學(xué)性能和電磁性能等，因此工業(yè)界對(duì)膜厚的測(cè)量與質(zhì)量控制提出了更高的要求，比如要求在線、動(dòng)態(tài)、非接觸、實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量等等。目前主流膜厚測(cè)量正朝著快速、連續(xù)、無(wú)接觸、非破壞的方法發(fā)展[1-3]。常見(jiàn)的膜厚測(cè)量可分為接觸式和非接觸式，接觸式測(cè)量指應(yīng)用測(cè)量工具通過(guò)接觸直接感應(yīng)出薄膜的厚度，常見(jiàn)方法有精密輪廓掃描法、螺旋測(cè)微法、探針?lè)?，這類方法不僅容易損壞被測(cè)對(duì)象，而且會(huì)帶來(lái)人為誤差；非接觸式測(cè)量根據(jù)一定的物理關(guān)系，將相關(guān)計(jì)算的物理量轉(zhuǎn)化為薄膜厚度，從而達(dá)到測(cè)量厚度的目的，常見(jiàn)方法有超聲測(cè)厚法、射線測(cè)厚法、光學(xué)測(cè)厚法。超聲測(cè)厚法對(duì)薄膜種類有很大選擇性，并且不能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量；射線測(cè)厚法由于其信號(hào)放射性強(qiáng)、輻射保護(hù)裝置要求嚴(yán)格、價(jià)格昂貴、不適合對(duì)聚合物進(jìn)行測(cè)量；光學(xué)方法大多要求樣品為透明介質(zhì)，無(wú)法有效檢測(cè)一些如涂層以及漆層的非透明樣品[4-7]。這些方法實(shí)時(shí)性都不太理想，不能完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)膜厚測(cè)量的要求，因此需要采用一些先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)手段，熱波成像技術(shù)是近代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)手段。相比傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)手段，如超聲波、渦流、X射線等技術(shù)，紅外熱波成像技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如非接觸、大面積成像、對(duì)熱學(xué)性質(zhì)敏感等，因此能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)很多對(duì)膜層厚度進(jìn)行檢測(cè)的要求[8]。

對(duì)于較薄的膜層特別是高導(dǎo)熱率材料膜層的檢測(cè)，因其熱波信號(hào)變化很快，要求熱激勵(lì)的時(shí)間必須很短，否則熱波的回波到達(dá)試件表面時(shí)熱激勵(lì)還沒(méi)結(jié)束，影響檢測(cè)精度。對(duì)快速變化熱波信號(hào)的檢測(cè)需要解決兩個(gè)問(wèn)題：高能量短脈沖熱激勵(lì)和高速圖像采集。針對(duì)高能量短脈沖熱激勵(lì)的問(wèn)題，目前國(guó)外市場(chǎng)上的產(chǎn)品都采用高能量閃光燈作為脈沖熱激勵(lì)源。但這種高能量閃光燈有很多局限，例如其總能量有限、重復(fù)性不佳、光照不均勻、拖尾長(zhǎng)度等等。這些缺點(diǎn)限制了閃光燈熱激勵(lì)紅外熱波檢測(cè)技術(shù)對(duì)于微米量級(jí)膜厚測(cè)量[9]。

針對(duì)目前膜厚測(cè)量技術(shù)的不足，提出基于激光掃描熱波成像技術(shù)的膜層厚度測(cè)量方法，激光器具有輸出功率穩(wěn)定，能量分布均勻，因此能很好地用于膜厚的測(cè)量。

1 激光掃描紅外熱波檢測(cè)原理

當(dāng)連續(xù)輸出的高功率激光在涂層表面快速掃描時(shí)，對(duì)于涂層任何一個(gè)固定點(diǎn)，其被激光照射的時(shí)間可以看成是一個(gè)短脈沖，脈沖的寬度決定于掃描速度。在掃描時(shí)，試件表面的熱激勵(lì)不是發(fā)生在同一時(shí)刻，而是在掃描方向上有個(gè)連續(xù)變化的延遲，因此在熱像儀采集的圖像中，沿著激光掃描方向的像素代表不同延遲時(shí)間的熱波信號(hào)，即熱波信號(hào)在空間的分布反映了該試件的熱波信號(hào)隨時(shí)間的變化。在實(shí)際檢測(cè)中，激光掃描速度主要取決于試件熱導(dǎo)率和膜層的厚度[10]。

激光掃描熱波成像采用線型激光束在樣品（薄膜或涂層樣品背面貼在金屬表面上）表面進(jìn)行快速掃描，形成高密度功率的脈沖熱激勵(lì)并形成熱波，熱波向樣品內(nèi)部傳播，當(dāng)熱波傳播到金屬表面時(shí)，熱波發(fā)生反射與透射，有一部分熱波反射回樣品表面，引起樣品表面溫度的變化，利用熱像儀采集紅外熱圖序列，通過(guò)紅外熱圖序列分析處理實(shí)現(xiàn)樣品厚度的檢測(cè)和評(píng)估。

圖1所示的是激光掃描紅外熱波檢測(cè)示意圖，高功率激光器的光束經(jīng)透鏡整形，形成一均勻線型光斑照射在樣品表面上，數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過(guò)掃描控制裝置，根據(jù)樣品的特性來(lái)調(diào)節(jié)振鏡和熱像儀的掃描時(shí)序關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 激光掃描紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)示意圖

2 激光掃描樣品表面溫度場(chǎng)

高斯線型光斑沿軸正方向掃描樣品表面，則其表面溫度場(chǎng)分布為[11]：

上述表面溫度梯度場(chǎng)與時(shí)間關(guān)系中，第1項(xiàng)反映了激光掃描后樣品表面溫度梯度場(chǎng)隨時(shí)間變化的冷卻過(guò)程；第2項(xiàng)表示熱波傳播到×處被反射回樣品表面迭加形成的溫度梯度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過(guò)程。由于薄膜厚度在微米量級(jí)，對(duì)于＞1的高階次項(xiàng)不能忽略。

激光掃描樣品表面的溫度梯度場(chǎng)分布是紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的一個(gè)重要參數(shù)，與運(yùn)動(dòng)點(diǎn)熱源類似，激光掃描樣品表面溫度場(chǎng)也存在一個(gè)等效時(shí)間0，0以后時(shí)刻激光掃描作用點(diǎn)在一定范圍內(nèi)的溫度與0時(shí)刻的作用點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)溫度相等。假設(shè)0時(shí)刻溫度曲線為曲線1，0＋D（D＞0）時(shí)刻溫度曲線為曲線2，如圖2所示，激光掃描速度3cm/s，曲線1對(duì)應(yīng)于7s樣品表面溫度空間曲線，曲線2對(duì)應(yīng)于9s樣品表面溫度空間曲線。則是的函數(shù)記為：

由等效作用時(shí)間假設(shè)，曲線＝2()是曲線＝1()以速度向右移動(dòng)秒的結(jié)果，可以稱其為溫度“波線”＝1()的行波。

因此，可以推出：

＝1()＝2(－) (3)

圖2 溫度“波線”T＝f1(x)的行波

用“溫度波線行波法”定義線型激光掃描樣品表面溫度梯度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，可以使長(zhǎng)時(shí)間激光掃描均品表面的溫度梯度場(chǎng)數(shù)學(xué)表達(dá)和計(jì)算簡(jiǎn)化。

從而，激光掃描樣品表面溫度場(chǎng)在點(diǎn)(,,)的冷卻速度數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

分別對(duì)等式兩邊進(jìn)行積分，一個(gè)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，一個(gè)對(duì)空間距離進(jìn)行積分，得到：

同功酶是基因分化的產(chǎn)物，而基因的分化又是生物進(jìn)化過(guò)程中為適應(yīng)愈趨復(fù)雜的代謝而引起的一種分子進(jìn)化，以適應(yīng)不同組織或不同細(xì)胞器在代謝上的不同需要，是基因編碼的蛋白質(zhì)表現(xiàn)型。

()＝－() (5)

式(4)的物理意義是：激光掃描樣品表面溫度場(chǎng)在點(diǎn)(,,)的冷卻（或加熱）速度為溫度空間曲線沿軸的方向?qū)?shù)與掃描速度的乘積。

式(5)的物理意義是：激光掃描樣品表面溫度梯度場(chǎng)在點(diǎn)(,,)處的溫度時(shí)間曲線為相對(duì)應(yīng)的軸方向的溫度空間曲線與掃描速度的乘積。從而，可以把樣品表面的溫度時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為樣品的溫度空間曲線。負(fù)號(hào)的意義在于溫度時(shí)間曲線與溫度空間曲線方向是反向的。

圖3與圖4分別為薄膜樣品表面溫度的時(shí)間和空間理論曲線，激光掃描速度＝11cm/s，光斑半徑0.3mm，激光功率200W，薄膜厚度50mm，圖3中為空間距離為30cm處，樣品表面溫度時(shí)間曲線，圖4為時(shí)間為3s處，樣品表面溫度空間曲線。

圖3 樣品表面溫度隨時(shí)間變化曲線

圖4 薄膜表面溫度隨空間距離變化曲線

3 檢測(cè)平臺(tái)

圖5所示為激光掃描紅外熱波檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備主要由控制系統(tǒng)、掃描檢測(cè)單元、測(cè)試平臺(tái)部分組成。掃描檢測(cè)單元由激光器即冷卻系統(tǒng)、掃描振鏡、熱像儀及光路系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)激光對(duì)樣品表面的掃描。熱像儀完成紅外圖像的采集。掃描控制系統(tǒng)用于控制熱像儀和激光掃描振鏡之間的同步。控制系統(tǒng)用于硬件控制、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、圖像分析與處理等。

4 檢測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證檢測(cè)原理我們制做了一個(gè)簡(jiǎn)單樣品，采用50mm的特殊膠帶粘附在鋁板上，從左到右層數(shù)分別從一層到七層，厚度為50～350mm左右，采用激光束掃描，得到熱波圖像如圖6所示。在每個(gè)厚度的中心沿激光掃描的垂直方向取樣，得到圖7所示的熱波信號(hào)隨空間變化的曲線。這些曲線可以明顯地區(qū)分不同厚度的薄膜，并具有很好的重復(fù)性。350mm的曲線不平整，有多個(gè)突起，從圖6可以看出這些都是樣品本身制作時(shí)產(chǎn)生的空谷“缺陷”所造成。

圖5 激光掃描紅外熱波檢測(cè)設(shè)備

圖6 薄膜厚度檢測(cè)樣品的熱波圖

圖7為薄膜厚度檢測(cè)樣品的熱波信號(hào)在空間的分布曲線。從圖中可以看到，不同厚度的薄膜，其空間下降曲線是不一樣的，由上述分析理論可以得知，溫度空間曲線與溫度時(shí)間曲線可以相互轉(zhuǎn)化，在單幀圖像中通過(guò)溫度空間曲線可以求出溫度時(shí)間曲線。通過(guò)溫度空間理論曲線來(lái)擬合實(shí)驗(yàn)曲線，便可以檢測(cè)出膜層的厚度，圖8為實(shí)驗(yàn)曲線的擬合，表1為膜層實(shí)測(cè)厚度與檢測(cè)厚度。

圖7 薄膜厚度檢測(cè)樣品的熱波信號(hào)在空間分布曲線

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

表1 膜層的實(shí)測(cè)厚度與檢測(cè)厚度

5 結(jié)論

1）以“溫度波線行波法”分析得出了使長(zhǎng)時(shí)間激光掃描樣品表面溫度場(chǎng)函數(shù)簡(jiǎn)化；

2）用公式推導(dǎo)出了激光掃描樣品表面溫度時(shí)間曲線與溫度空間曲線的關(guān)系，并用理論曲線進(jìn)行了驗(yàn)證；

3）提出用樣品表面溫度空間曲線與溫度時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化，從而可以用樣品表面溫度空間曲線進(jìn)行擬合對(duì)樣品厚度進(jìn)行測(cè)量；

4）通過(guò)激光掃描紅外熱波成像設(shè)備對(duì)50～350mm膜層樣品進(jìn)行了測(cè)試，并用數(shù)據(jù)擬合的方式對(duì)膜層厚度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量精度在5%以內(nèi)。

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Application of Laser Scanning Infrared Thermography forMeasuring Film Thickness

JIANG Haijun，CHEN Li

（.,210046,)

With the wide application of coating and thin film materials, the industry has put forward higher requirements for film thickness measurement and quality control testing. Film thickness testing is particularly important considering the shortcomings of the current detection method; therefore, we introduce a method of laser scanning infrared thermography. The long scanning of the sample surface temperature field function is simplified using the traveling-wave method on the temperature wave line. Based on this, we obtain the temperature–time curve of laser scanning the sample surface, which can be transformed into the product of temperature curve in space and the scanning velocity; this can convert the temperature–time curve of the sample surface into the temperature–space curve of the sample surface. By fitting the temperature–space curve and the theoretical formula of the space curve, we can measure the film thickness. Finally, a 50-350mm film is measured through independent research and development of equipment, and the measurement accuracy is within 5%.

laser scanning，infrared thermography，nondestructive testing，temperature field，film thickness measurement

TH978

A

1001-8891(2017)12-1144-05

2016-11-14；

2017-05-25.

江海軍（1988-），男，碩士，研發(fā)工程師，主要從事紅外熱波無(wú)損檢測(cè)研究。E-mail：hjiang@novelteq.com。

科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（14C26213201110）。