激光掃描紅外熱波成像在膜厚測量中的應用

江海軍，陳 力

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激光掃描紅外熱波成像在膜厚測量中的應用

江海軍，陳 力

（南京諾威爾光電系統有限公司，江蘇 南京 210046）

隨著涂層及薄膜材料的廣泛應用，工業界對膜厚的測量與質量控制提出了更高的要求，膜層厚度測試變得尤為重要。針對目前檢測方法的不足，介紹了一種激光掃描紅外熱波測量膜厚的方法。采用“溫度波線行波法”分析，使長時間激光掃描樣品表面溫度場函數簡化。基于此，得出激光掃描樣品表面的溫度時間曲線可以轉化為相對應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間曲線轉化為樣品表面的溫度空間曲線。通過溫度空間曲線與理論公式曲線進行擬合，即可測量出膜層的厚度，最后通過自主研發的激光掃描紅外熱波成像設備對50～350μm膜層厚度進行了測量，重復性好且測量精度在5%以內。

激光掃描；紅外熱波成像；無損檢測；溫度場；膜厚測量

0 引言

隨著科學技術的快速發展，涂層及薄膜的應用越來越廣泛，膜厚的測試變得尤為重要。薄膜的厚度決定性地影響薄膜的光學性能、力學性能和電磁性能等，因此工業界對膜厚的測量與質量控制提出了更高的要求，比如要求在線、動態、非接觸、實時進行測量等等。目前主流膜厚測量正朝著快速、連續、無接觸、非破壞的方法發展[1-3]。常見的膜厚測量可分為接觸式和非接觸式，接觸式測量指應用測量工具通過接觸直接感應出薄膜的厚度，常見方法有精密輪廓掃描法、螺旋測微法、探針法，這類方法不僅容易損壞被測對象，而且會帶來人為誤差；非接觸式測量根據一定的物理關系，將相關計算的物理量轉化為薄膜厚度，從而達到測量厚度的目的，常見方法有超聲測厚法、射線測厚法、光學測厚法。超聲測厚法對薄膜種類有很大選擇性，并且不能夠實時測量；射線測厚法由于其信號放射性強、輻射保護裝置要求嚴格、價格昂貴、不適合對聚合物進行測量；光學方法大多要求樣品為透明介質，無法有效檢測一些如涂層以及漆層的非透明樣品[4-7]。這些方法實時性都不太理想，不能完全滿足現代工業對膜厚測量的要求，因此需要采用一些先進的檢測技術。

紅外熱波無損檢測技術是近代發展起來的一項無損檢測手段，熱波成像技術是近代發展起來的一項無損檢測手段。相比傳統的無損檢測手段，如超聲波、渦流、X射線等技術，紅外熱波成像技術具有獨特的優勢，比如非接觸、大面積成像、對熱學性質敏感等，因此能夠滿足現代工業很多對膜層厚度進行檢測的要求[8]。

對于較薄的膜層特別是高導熱率材料膜層的檢測，因其熱波信號變化很快，要求熱激勵的時間必須很短，否則熱波的回波到達試件表面時熱激勵還沒結束，影響檢測精度。對快速變化熱波信號的檢測需要解決兩個問題：高能量短脈沖熱激勵和高速圖像采集。針對高能量短脈沖熱激勵的問題，目前國外市場上的產品都采用高能量閃光燈作為脈沖熱激勵源。但這種高能量閃光燈有很多局限，例如其總能量有限、重復性不佳、光照不均勻、拖尾長度等等。這些缺點限制了閃光燈熱激勵紅外熱波檢測技術對于微米量級膜厚測量[9]。

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

1 激光掃描紅外熱波檢測原理

當連續輸出的高功率激光在涂層表面快速掃描時，對于涂層任何一個固定點，其被激光照射的時間可以看成是一個短脈沖，脈沖的寬度決定于掃描速度。在掃描時，試件表面的熱激勵不是發生在同一時刻，而是在掃描方向上有個連續變化的延遲，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間的熱波信號，即熱波信號在空間的分布反映了該試件的熱波信號隨時間的變化。在實際檢測中，激光掃描速度主要取決于試件熱導率和膜層的厚度[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）表面進行快速掃描，形成高密度功率的脈沖熱激勵并形成熱波，熱波向樣品內部傳播，當熱波傳播到金屬表面時，熱波發生反射與透射，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，通過紅外熱圖序列分析處理實現樣品厚度的檢測和評估。

圖1所示的是激光掃描紅外熱波檢測示意圖，高功率激光器的光束經透鏡整形，形成一均勻線型光斑照射在樣品表面上，數據采集處理系統通過掃描控制裝置，根據樣品的特性來調節振鏡和熱像儀的掃描時序關系，從而實現對樣品內部的缺陷進行檢測。

圖1 激光掃描紅外熱波成像無損檢測技術示意圖

2 激光掃描樣品表面溫度場

高斯線型光斑沿軸正方向掃描樣品表面，則其表面溫度場分布為[11]：

上述表面溫度梯度場與時間關系中，第1項反映了激光掃描后樣品表面溫度梯度場隨時間變化的冷卻過程；第2項表示熱波傳播到×處被反射回樣品表面迭加形成的溫度梯度場隨時間的變化過程。由于薄膜厚度在微米量級，對于＞1的高階次項不能忽略。

激光掃描樣品表面的溫度梯度場分布是紅外熱波無損檢測技術研究的一個重要參數，與運動點熱源類似，激光掃描樣品表面溫度場也存在一個等效時間0，0以后時刻激光掃描作用點在一定范圍內的溫度與0時刻的作用點相對應的范圍內溫度相等。假設0時刻溫度曲線為曲線1，0＋D（D＞0）時刻溫度曲線為曲線2，如圖2所示，激光掃描速度3cm/s，曲線1對應于7s樣品表面溫度空間曲線，曲線2對應于9s樣品表面溫度空間曲線。則是的函數記為：

由等效作用時間假設，曲線＝2()是曲線＝1()以速度向右移動秒的結果，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數學模型，可以使長時間激光掃描均品表面的溫度梯度場數學表達和計算簡化。

從而，激光掃描樣品表面溫度場在點(,,)的冷卻速度數學表達式為：

分別對等式兩邊進行積分，一個對時間進行積分，一個對空間距離進行積分，得到：

同功酶是基因分化的產物，而基因的分化又是生物進化過程中為適應愈趨復雜的代謝而引起的一種分子進化，以適應不同組織或不同細胞器在代謝上的不同需要，是基因編碼的蛋白質表現型。

()＝－() (5)

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

式(5)的物理意義是：激光掃描樣品表面溫度梯度場在點(,,)處的溫度時間曲線為相對應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間曲線轉化為樣品的溫度空間曲線。負號的意義在于溫度時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，樣品表面溫度時間曲線，圖4為時間為3s處，樣品表面溫度空間曲線。

圖3 樣品表面溫度隨時間變化曲線

圖4 薄膜表面溫度隨空間距離變化曲線

3 檢測平臺

圖5所示為激光掃描紅外熱波檢測設備，該設備主要由控制系統、掃描檢測單元、測試平臺部分組成。掃描檢測單元由激光器即冷卻系統、掃描振鏡、熱像儀及光路系統等組成，實現激光對樣品表面的掃描。熱像儀完成紅外圖像的采集。掃描控制系統用于控制熱像儀和激光掃描振鏡之間的同步。控制系統用于硬件控制、系統監測、圖像分析與處理等。

4 檢測結果

為了驗證檢測原理我們制做了一個簡單樣品，采用50mm的特殊膠帶粘附在鋁板上，從左到右層數分別從一層到七層，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所示的熱波信號隨空間變化的曲線。這些曲線可以明顯地區分不同厚度的薄膜，并具有很好的重復性。350mm的曲線不平整，有多個突起，從圖6可以看出這些都是樣品本身制作時產生的空谷“缺陷”所造成。

圖5 激光掃描紅外熱波檢測設備

圖6 薄膜厚度檢測樣品的熱波圖

圖7為薄膜厚度檢測樣品的熱波信號在空間的分布曲線。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間曲線可以相互轉化，在單幀圖像中通過溫度空間曲線可以求出溫度時間曲線。通過溫度空間理論曲線來擬合實驗曲線，便可以檢測出膜層的厚度，圖8為實驗曲線的擬合，表1為膜層實測厚度與檢測厚度。

圖7 薄膜厚度檢測樣品的熱波信號在空間分布曲線

圖8 實驗數據擬合

表1 膜層的實測厚度與檢測厚度

5 結論

1）以“溫度波線行波法”分析得出了使長時間激光掃描樣品表面溫度場函數簡化；

2）用公式推導出了激光掃描樣品表面溫度時間曲線與溫度空間曲線的關系，并用理論曲線進行了驗證；

3）提出用樣品表面溫度空間曲線與溫度時間曲線轉化，從而可以用樣品表面溫度空間曲線進行擬合對樣品厚度進行測量；

4）通過激光掃描紅外熱波成像設備對50～350mm膜層樣品進行了測試，并用數據擬合的方式對膜層厚度進行了測量，測量精度在5%以內。

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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，研發工程師，主要從事紅外熱波無損檢測研究。E-mail：hjiang@novelteq.com。

科技部中小企業技術創新項目（14C26213201110）。