激光扫描红外热波成像在膜厚测量中的应用

江海军，陈 力



激光扫描红外热波成像在膜厚测量中的应用

江海军，陈 力

（南京诺威尔光电系统有限公司，江苏 南京 210046）

随着涂层及薄膜材料的广泛应用，工业界对膜厚的测量与质量控制提出了更高的要求，膜层厚度测试变得尤为重要。针对目前检测方法的不足，介绍了一种激光扫描红外热波测量膜厚的方法。采用“温度波线行波法”分析，使长时间激光扫描样品表面温度场函数简化。基于此，得出激光扫描样品表面的温度时间曲线可以转化为相对应的温度空间曲线与扫描速度的乘积，从而可以把样品表面的温度时间曲线转化为样品表面的温度空间曲线。通过温度空间曲线与理论公式曲线进行拟合，即可测量出膜层的厚度，最后通过自主研发的激光扫描红外热波成像设备对50～350μm膜层厚度进行了测量，重复性好且测量精度在5%以内。

激光扫描；红外热波成像；无损检测；温度场；膜厚测量

0 引言

随着科学技术的快速发展，涂层及薄膜的应用越来越广泛，膜厚的测试变得尤为重要。薄膜的厚度决定性地影响薄膜的光学性能、力学性能和电磁性能等，因此工业界对膜厚的测量与质量控制提出了更高的要求，比如要求在线、动态、非接触、实时进行测量等等。目前主流膜厚测量正朝着快速、连续、无接触、非破坏的方法发展[1-3]。常见的膜厚测量可分为接触式和非接触式，接触式测量指应用测量工具通过接触直接感应出薄膜的厚度，常见方法有精密轮廓扫描法、螺旋测微法、探针法，这类方法不仅容易损坏被测对象，而且会带来人为误差；非接触式测量根据一定的物理关系，将相关计算的物理量转化为薄膜厚度，从而达到测量厚度的目的，常见方法有超声测厚法、射线测厚法、光学测厚法。超声测厚法对薄膜种类有很大选择性，并且不能够实时测量；射线测厚法由于其信号放射性强、辐射保护装置要求严格、价格昂贵、不适合对聚合物进行测量；光学方法大多要求样品为透明介质，无法有效检测一些如涂层以及漆层的非透明样品[4-7]。这些方法实时性都不太理想，不能完全满足现代工业对膜厚测量的要求，因此需要采用一些先进的检测技术。

红外热波无损检测技术是近代发展起来的一项无损检测手段，热波成像技术是近代发展起来的一项无损检测手段。相比传统的无损检测手段，如超声波、涡流、X射线等技术，红外热波成像技术具有独特的优势，比如非接触、大面积成像、对热学性质敏感等，因此能够满足现代工业很多对膜层厚度进行检测的要求[8]。

对于较薄的膜层特别是高导热率材料膜层的检测，因其热波信号变化很快，要求热激励的时间必须很短，否则热波的回波到达试件表面时热激励还没结束，影响检测精度。对快速变化热波信号的检测需要解决两个问题：高能量短脉冲热激励和高速图像采集。针对高能量短脉冲热激励的问题，目前国外市场上的产品都采用高能量闪光灯作为脉冲热激励源。但这种高能量闪光灯有很多局限，例如其总能量有限、重复性不佳、光照不均匀、拖尾长度等等。这些缺点限制了闪光灯热激励红外热波检测技术对于微米量级膜厚测量[9]。

针对目前膜厚测量技术的不足，提出基于激光扫描热波成像技术的膜层厚度测量方法，激光器具有输出功率稳定，能量分布均匀，因此能很好地用于膜厚的测量。

1 激光扫描红外热波检测原理

当连续输出的高功率激光在涂层表面快速扫描时，对于涂层任何一个固定点，其被激光照射的时间可以看成是一个短脉冲，脉冲的宽度决定于扫描速度。在扫描时，试件表面的热激励不是发生在同一时刻，而是在扫描方向上有个连续变化的延迟，因此在热像仪采集的图像中，沿着激光扫描方向的像素代表不同延迟时间的热波信号，即热波信号在空间的分布反映了该试件的热波信号随时间的变化。在实际检测中，激光扫描速度主要取决于试件热导率和膜层的厚度[10]。

激光扫描热波成像采用线型激光束在样品（薄膜或涂层样品背面贴在金属表面上）表面进行快速扫描，形成高密度功率的脉冲热激励并形成热波，热波向样品内部传播，当热波传播到金属表面时，热波发生反射与透射，有一部分热波反射回样品表面，引起样品表面温度的变化，利用热像仪采集红外热图序列，通过红外热图序列分析处理实现样品厚度的检测和评估。

图1所示的是激光扫描红外热波检测示意图，高功率激光器的光束经透镜整形，形成一均匀线型光斑照射在样品表面上，数据采集处理系统通过扫描控制装置，根据样品的特性来调节振镜和热像仪的扫描时序关系，从而实现对样品内部的缺陷进行检测。

图1 激光扫描红外热波成像无损检测技术示意图

2 激光扫描样品表面温度场

高斯线型光斑沿轴正方向扫描样品表面，则其表面温度场分布为[11]：

上述表面温度梯度场与时间关系中，第1项反映了激光扫描后样品表面温度梯度场随时间变化的冷却过程；第2项表示热波传播到×处被反射回样品表面迭加形成的温度梯度场随时间的变化过程。由于薄膜厚度在微米量级，对于＞1的高阶次项不能忽略。

激光扫描样品表面的温度梯度场分布是红外热波无损检测技术研究的一个重要参数，与运动点热源类似，激光扫描样品表面温度场也存在一个等效时间0，0以后时刻激光扫描作用点在一定范围内的温度与0时刻的作用点相对应的范围内温度相等。假设0时刻温度曲线为曲线1，0＋D（D＞0）时刻温度曲线为曲线2，如图2所示，激光扫描速度3cm/s，曲线1对应于7s样品表面温度空间曲线，曲线2对应于9s样品表面温度空间曲线。则是的函数记为：

由等效作用时间假设，曲线＝2()是曲线＝1()以速度向右移动秒的结果，可以称其为温度“波线”＝1()的行波。

因此，可以推出：

＝1()＝2(－) (3)

图2 温度“波线”T＝f1(x)的行波

用“温度波线行波法”定义线型激光扫描样品表面温度梯度场数学模型，可以使长时间激光扫描均品表面的温度梯度场数学表达和计算简化。

从而，激光扫描样品表面温度场在点(,,)的冷却速度数学表达式为：

分别对等式两边进行积分，一个对时间进行积分，一个对空间距离进行积分，得到：

同功酶是基因分化的产物，而基因的分化又是生物进化过程中为适应愈趋复杂的代谢而引起的一种分子进化，以适应不同组织或不同细胞器在代谢上的不同需要，是基因编码的蛋白质表现型。

()＝－() (5)

式(4)的物理意义是：激光扫描样品表面温度场在点(,,)的冷却（或加热）速度为温度空间曲线沿轴的方向导数与扫描速度的乘积。

式(5)的物理意义是：激光扫描样品表面温度梯度场在点(,,)处的温度时间曲线为相对应的轴方向的温度空间曲线与扫描速度的乘积。从而，可以把样品表面的温度时间曲线转化为样品的温度空间曲线。负号的意义在于温度时间曲线与温度空间曲线方向是反向的。

图3与图4分别为薄膜样品表面温度的时间和空间理论曲线，激光扫描速度＝11cm/s，光斑半径0.3mm，激光功率200W，薄膜厚度50mm，图3中为空间距离为30cm处，样品表面温度时间曲线，图4为时间为3s处，样品表面温度空间曲线。

图3 样品表面温度随时间变化曲线

图4 薄膜表面温度随空间距离变化曲线

3 检测平台

图5所示为激光扫描红外热波检测设备，该设备主要由控制系统、扫描检测单元、测试平台部分组成。扫描检测单元由激光器即冷却系统、扫描振镜、热像仪及光路系统等组成，实现激光对样品表面的扫描。热像仪完成红外图像的采集。扫描控制系统用于控制热像仪和激光扫描振镜之间的同步。控制系统用于硬件控制、系统监测、图像分析与处理等。

4 检测结果

为了验证检测原理我们制做了一个简单样品，采用50mm的特殊胶带粘附在铝板上，从左到右层数分别从一层到七层，厚度为50～350mm左右，采用激光束扫描，得到热波图像如图6所示。在每个厚度的中心沿激光扫描的垂直方向取样，得到图7所示的热波信号随空间变化的曲线。这些曲线可以明显地区分不同厚度的薄膜，并具有很好的重复性。350mm的曲线不平整，有多个突起，从图6可以看出这些都是样品本身制作时产生的空谷“缺陷”所造成。

图5 激光扫描红外热波检测设备

图6 薄膜厚度检测样品的热波图

图7为薄膜厚度检测样品的热波信号在空间的分布曲线。从图中可以看到，不同厚度的薄膜，其空间下降曲线是不一样的，由上述分析理论可以得知，温度空间曲线与温度时间曲线可以相互转化，在单帧图像中通过温度空间曲线可以求出温度时间曲线。通过温度空间理论曲线来拟合实验曲线，便可以检测出膜层的厚度，图8为实验曲线的拟合，表1为膜层实测厚度与检测厚度。

图7 薄膜厚度检测样品的热波信号在空间分布曲线

图8 实验数据拟合

表1 膜层的实测厚度与检测厚度

5 结论

1）以“温度波线行波法”分析得出了使长时间激光扫描样品表面温度场函数简化；

2）用公式推导出了激光扫描样品表面温度时间曲线与温度空间曲线的关系，并用理论曲线进行了验证；

3）提出用样品表面温度空间曲线与温度时间曲线转化，从而可以用样品表面温度空间曲线进行拟合对样品厚度进行测量；

4）通过激光扫描红外热波成像设备对50～350mm膜层样品进行了测试，并用数据拟合的方式对膜层厚度进行了测量，测量精度在5%以内。

[1] LI Jingtao, CHEN Qi, DONG Xiangyuan. Electrical capacitance tomography measurement of flow patterns and film thickness in a thermosyphon[J]., 2005, 1(3): 65-69.

[2] Carlos Spinola, M J Martin Vazquez, A F Bohorquez, et al. Calibration of thickness measurement instruments based isoclines bilinear look up tables[C]//, 2001. DOI:10.1109/IMTC.2001.928246.

[3] 王晓宇. 薄膜厚度在线测量系统的研制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.

WANG Xiaoyu. Development of Measurement System of Thin-film Thickness[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2012.

[4] 何平, 曹胜梅, 李岐等. 基于红外技术的薄膜厚度在线检测系统的设计[J]. 哈尔滨商业大学学报, 2013, 29(6): 674-677.

HE Ping, Cao Shengmei, LI Qi, et al. On-line detection system of film thickness based on infrared technology[J]., 2013, 29(6): 674-677.

[5] 胡秀丽, 游佰强, 于海涛.一种提高薄膜厚度测量灵敏度的方法[J]. 材料开发与应用, 2010, 25(5): 98-101.

HU Xiuli, YOU Baiqiang, YU Haitao. A Method to increase the sensitivity of film thickness testing[J]., 2010, 25(5): 98-101.

[6] 李波欣. 薄膜厚度测量方法的研究与实现[D]. 大连: 辽宁师范大学, 2004.

LI BoXin. Research and implementation of thin film thickness measurement method[D]. DaLian:Liaoning Normal University, 2004.

[7] 高德梅. 三层共挤重包装膜自动测厚系统的实践应用[J].国外塑料, 2011(5): 58-61.

GAO Demei. Three-lay co-extrusion heavy packaging film production automatic gauging system application analysis[J]., 2011(5): 58-61.

[8] 李艳红. 特种涂层涂敷质量的红外热波无损检测技术研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2009.

LI Yanhong. Infrared Thermal Wave Nondestructive Inspection for Special Coating Quality[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2009.

[9] 霍雁. 蜂窝夹层结构复合材料的脉冲红外热波检测技术研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2011.

XUE Yan. The Study on Composite Sandwich Structure Using Pulsed Thermography[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2011.

[10] 江海军, 陈力, 张淑仪. 激光扫描红外热波成像技术在无损检测中的应用[J]. 无损检测, 2014(12): 20-23.

JIANG Haijun, CHEN Li, ZHANG Shuyi. Applications of the laser scanning infrared thermography for nondestructive testing[J]., 2014(12): 20-23.

[11] 江海军, 陈力, 张淑仪. 激光扫描红外热波成的温度场分析[J]. 无损检测, 2014(11): 24-27.

JIANG Haijun, CHEN Li, ZHANG Shuyi. The analysic of temperature field for laser scanning infrared thermography[J]., 2014(11): 24-27.

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.

江海军（1988-），男，硕士，研发工程师，主要从事红外热波无损检测研究。E-mail：hjiang@novelteq.com。

科技部中小企业技术创新项目（14C26213201110）。