1、南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司,報告人：江海軍,激光掃描紅外熱波成像在膜厚測量中應用,江海軍 ，陳力 南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司,激光掃描紅外熱波成像在膜厚測量中應用,目錄,1,2,4,膜厚測量現狀分析,激光掃描紅外熱波成像技術測厚原理分析,檢測平臺與實驗結果,總結,3,隨著涂層及薄膜材料的廣泛應用，工業(yè)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(tài)、非接觸、實時進行測量等等，膜層厚度測試變得尤為重要，常見的膜厚測量分為接觸式與非接觸式，如表1所示。,表1：薄膜厚度測量技術對比,膜厚測量現狀分析,1,紅外熱波無損檢測技術是近代發(fā)展起來的一項無損檢測手段，相比傳統(tǒng)的無損檢測手段，如超聲

2、波、渦流、X射線等技術，紅外熱波成像技術具有獨特的優(yōu)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(yè)很多對膜層厚度進行檢測的要求。,目錄,6,1,2,32,4,膜厚測量現狀分析,激光掃描紅外熱波成像技術測厚原理分析,檢測平臺與實驗結果,總結,圖2-1：激光掃描紅外熱波成像技術示意圖,圖2-2：試件表面溫度-時間變化曲線,激光掃描紅外熱波成像無損檢測技術原理,2,2.1 激光掃描無缺陷區(qū)域溫度場分析,在t=0時刻植入點熱源后，樣品中的溫度梯度場分布為：,其中，Q-電熱源瞬時發(fā)熱量，-密度，c-比熱容，-熱擴散系數；,一般常見的激光分布為高斯型，設激光中心功率密度為P0,光斑半徑

3、為R，則功率密度分布函數為：,設樣品表面對光能的吸收系數0 ，則求得高斯分布激光沿著x軸正向以速度v掃描作用下t時刻樣品表面溫度梯度場分布:,如果采用高斯分布的線光源，則需要對y方向進行積分：,圖2-3：激光掃描二維熱傳導模型,熱波信號的快速衰減，無缺陷區(qū)域可看為半無限大空間； 缺陷區(qū)域可看成有限厚度區(qū)域，對于有限厚熱傳導分析，通常采用“鏡像熱源法”；“鏡像熱源法”的核心在于把絕熱邊界看成一面鏡子，介質內某處的溫度分布看成真實熱 源與無限個鏡像熱源效果的迭加。,綜合各個熱源的作用，對于厚度為d的試件，在試件表面z=0，得到溫度分布方程為：,2.2激光掃描有缺陷區(qū)域溫度場分析,圖2-4：具有兩個

4、絕熱邊界時的鏡像熱源,上述討論中，所有參數沒有一項與缺陷的屬性有相關性，主要在于“鏡像熱源法”假定缺陷界面為絕熱界面，所有熱波在缺陷界面內發(fā)生全反射，沒有考慮界面下缺陷的特性對熱波傳播的影響。 對于實際情況，熱波在兩種不同介質組成的材料傳遞過程中，在兩種不同介質的界面處熱波將會發(fā)生反射和透射現象；,2.2 激光掃描有缺陷區(qū)域溫度場分析,圖2-5：熱波在界面處傳播示意圖,邊界條件：,2.2 激光掃描有缺陷區(qū)域溫度場分析,對于紅外無損檢測，熱源通常采用正入射的激勵方式，即 ，利用反射定律與透射定律，在界面處的反射系數和透射系數可以表示為：,由上述分析可得，熱波在雙層結構組成的樣品中傳播時，考慮界面

5、的反射與透射，則樣品表面溫度梯度場為：,圖2 溫度“波線” 的行波,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 t0， t0以后時刻激光掃描作用點在一定范圍內的溫度與 t0時刻的作用點相對應的范圍內溫度相等。如圖2-6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。,2.3 溫度場空間曲線分析,圖2-6：溫度波線“行波”,2.3 溫度場空間曲線分析,則溫度場T是x的函數為：,從而可以推導出：,上述用“溫度波線行波法”定義線型激光掃描樣品表面溫度梯度

6、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,上式的物理意義是：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x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。,2.3 溫度場空間曲線分析,圖2-7與圖2-8所示為薄膜樣品表面溫度時間和空間理論曲線，激光掃描v=11cm/s，光斑半徑3mm，激光功率200w，薄膜厚度50

7、m，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2-7： 樣品表面溫度隨時間變化曲線 圖2-8： 薄膜表面溫度隨空間距離變化曲線,2.3 溫度場空間曲線分析,目錄,6,1,2,32,4,膜厚測量現狀分析,激光掃描紅外熱波成像技術測厚原理分析,檢測平臺與實驗結果,總結,顯示器,掃描檢測單元,測試平臺,控制系統(tǒng),圖3-1 激光掃描紅外熱波膜厚測量設備,圖3-1所示的為激光掃描紅外熱波檢測設備，該設備主要由控制系統(tǒng)、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(tǒng)、掃描振鏡、熱像儀及光路系統(tǒng)等組成，實現激光對樣品表面的掃描。熱像儀完

8、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?？刂葡到y(tǒng)用于硬件控制、系統(tǒng)監(jiān)測、圖像分析與處理等。,3.1 檢測平臺,為了驗證檢測原理我們制做了一個簡單樣品，采用50m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，厚度約為50m到350m左右，采用激光束掃描，得到熱波圖像如圖3-2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(qū)分不同厚度的薄膜，并具有很好的重復性。350m的曲線不平整，有多個突起，從圖3-2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。,3.2 實驗結果,圖3-2： 薄膜厚度檢

9、測樣品的熱波圖,300 250 200 150 100 50,單位：m,圖3-3： 薄膜厚度檢測樣品的熱波信號在空間分布曲線,從圖3-3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，通過溫度空間曲線可以在單幀圖像中得到。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，,3.2 實驗結果,300 250 200 150 100 50,單位：m,圖3-4為實驗曲線的擬合。表1為膜層厚度測量，左邊為渦流測厚儀測量得到，渦流測厚儀可單點測量磁性金屬基地上非磁性涂層厚度測量，測量重復性不高；右邊為通過激光掃描紅外熱波測厚設備測量得到，通過該技術測量的曲線重復性高、測量精度在5%以內。,3.2 實驗結果,圖3-4：實驗數據擬合,3.2 實驗結果,圖3-5：涂層可見光圖像,圖3-6：涂層紅外光圖像,圖3-7： 涂層熱波信號在空間分布曲線,涂層樣品可見光圖像如圖3-5所示，激光掃描速度為23cm/s，其紅外圖像如圖3-6所示，熱波信號空間分布曲線如圖3-7所示。,29m 39m 52m 63m 85m,目錄,6,1,2,32,4,膜厚測量現狀分析,激光掃描紅外熱波成像技術測厚原理分析,檢測平臺與實驗結果,總結,總結,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； 以公式推導出了