激光扫描热波成像膜厚测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光扫描热波成像膜层厚度测量方法，采用高功率线状激光束对试件表面进行快速扫描，试件表面在扫描方向上的不同位置具有不同的热激励时间，采用热像仪将这些不同位置的热波信号同时记录下来，可以得到试件的热波信号随时间变化的曲线，再将得到的曲线与理论模型进行拟合，从而得到被测试件的厚度。本发明通过上述技术方案，采用激光扫描方式进行高帧频采集，实现对较薄膜层的厚度测量。
【专利说明】激光扫描热波成像膜厚测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于热波成像技术的膜厚测量方法，特别是激光扫描热波成像技术，属红外无损检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的快速发展，涂层及薄膜的应用越来越广泛，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、实时的进行检测等等。这些都需要采用更先进的技术和检测手段。目前对膜层厚度的检测所使用的方法主要包括探针法和光学法，但这些方法不能完全满足现代工业对膜厚测量的要求，如探针法属接触型的检测，不适用于很多应用场合，而光学法大多要求试件为透明介质，无法有效检测一些如涂层以及漆层的非透明试件，因此需要采用一些先进的检测技术。
[0003]热波成像技术是近代发展起来的一项无损检测手段，其基本原理是首先采用热激励源对试件表面进行加热，产生的热脉冲向试件内部传播，当热波在试件内遇到缺陷或者热阻抗发生变化的地方就会有一部分热能被反射回到试件的表面，在试件表面产生一定的温度分布，并且随时间变化。利用红外热像仪连续采集来自试件表面的温度随时间变化的信息，再通过现代图像信息处理技术对热波信号进行采集、数据处理和分析，从而实现对试件厚度的测量。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，因此可以满足现代工业很多对检测膜层厚度的要求。
[0004]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、光束发散、不能远距离作用，等等。而针对高速图像采集的问题，目前只有采用具有高帧频功能的热像仪。这种热像仪十分昂贵，而且输出的图像分辨率随着帧频的提高而大幅度下降。上述种种现有技术的缺点限制了膜厚测量的精度。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对目前膜层厚度测量技术的不足，提出一种基于激光扫描热波成像技术的膜层厚度的测量方法。激光器具有输出功率稳定，能量分布均匀，故能很好地运用于膜厚的检测。本发明采用大功率连续激光器作为热激励源，由光束整形装置控制光斑的形状，由光束偏转装置对试件的表面进行快速扫描，再通过红外热像仪记录膜层表面热波信号的分布，再与理论模型进行拟合，进而推导出膜层厚度。
[0006]激光扫描热波成像技术可以有效地解决短脉冲热激励和高帧频采集两个问题。首先当连续输出的高功率激光在膜层表面快速扫描时，对于膜层任何一个固定点，其被激光照射的时间可以看成是一个短脉冲，由于在扫描时，试件表面的热激励不是发生在同一时亥IJ，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具有不同的热波信号，将这些信号按空间位置排列起来，就是该试件的热波信号随时间的变化曲线，也就是说，热波信号在空间的分布代表了该试件的热波信号随时间的变化，其等效的采样周期是激光束扫过两个像素的时间，因此可以通过改变激光扫描速度来达到采样频率的改变。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厚度。
[0007]根据上述原理，本发明在测量膜层厚度时包括如下步骤:
a、根据被测试件膜层的特性，选择激光功率和扫描速度；
b、采用线状激光束 对膜层表面进行快速扫描，同时采用红外热像仪采集被测试件膜层的热波图像；
c、沿着扫描方向选取像素值，得到被测试件膜层的热波信号随时间变化曲线；
d、将该时间随温度变化曲线与膜层相应的理论模型进行拟合，得出被测试件的膜层厚度。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为用于本发明方法的激光扫描热波成像系统方框图；
图2为试件表面不同点的热波信号随时间变化示意图；
图3为不同厚度膜层的热波信号随时间变化曲线；
图4为根据本发明方法进行检测的实验结果；
图5 —种激光二维扫描方式不意图。
【具体实施方式】
[0009]为了使本发明的特点能够更好地被理解，以下将结合具体附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0010]当采用线状激光扫描进行热激励时，试件内部温度场可以近似为二维热传导方程的求解问题，通过试件表面温度场的变化可以导出膜层的厚度。对于无穷大均匀介质，平行于试件表面的线状均匀激光束扫描时，所激励的热波场可以简化成下面的热传导方程:
【权利要求】
1.一种激光扫描热波成像膜厚测量方法，其特征在于包括如下步骤:根据被测试件膜层的特性，选择激光器(27)的功率和光束偏转装置(22)的扫描速度；激光束(23)经光束偏转装置(22)对被测试件(25)表面进行快速扫描，同时采用红外热像仪(26)采集所述被测试件(25)膜层的热波图像；在所述热波图像中沿着扫描方向选取多个像素值，将所述像素值顺序排列，得到所述被测试件(25)膜层的热波信号变化曲线；将所述热波信号变化曲线与所述膜层相对应的理论模型进行拟合，得出所述被测试件(25)的膜层厚度。
2.根据权利要求1所述的激光扫描热波成像膜厚测量方法，其特征在于，所述激光束(23 )具有线状均匀光斑(24 )，所述扫描偏转装置(22 )进行一维扫描。
3.根据权利要求1所述的激光扫描热波成像膜厚测量方法，其特征在于，所述激光束(23)具有点状均匀光斑(24)，所述扫描偏转装置(22)进行二维扫描。
4.根据权利要求1所述的激光扫描热波成像膜厚测量方法，其特征在于，所述理论模型中的参数由已知厚度的标准试件进行标定。
【文档编号】G01B11/06GK103673904SQ201310742687
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】陈力, 江海军 申请人:南京诺威尔光电系统有限公司