一种热波成像膜层厚度检测系统及方法与流程

本发明涉及一种基于热波成像技术的膜层厚度检测系统及方法，特别是采用脉冲式均匀热激励，并采用逐行扫描热成像技术实现对膜层厚度的检测，属红外无损检测技术领域。

背景技术：

随着科学技术的快速发展，涂层与薄膜的应用越来越广泛，工业界对膜层厚度的测量提出了更高的要求，比如要求在线、非接触、实时检测等等。目前对膜层厚度的检测所使用的常规方法主要包括涡流、超声、X射线、探针法和光学法等，但这些方法不能完全满足现代工业对膜厚测量的要求，如涡流法对衬底材料性质有要求，必须导电；超声法需要耦合剂，并且不能有效测量薄膜层；X射线要求样品必须是可进行透射检测，并且有特殊安全防护的要求；探针法属接触型的检测，可能会伤害样品；而光学法要求膜层必须是透明介质，且具有很高光洁度，等等。目前很多涂层的具有厚度薄、非透明、脆弱易受损等特性，因此满足这些膜层的测量需要采用更先进的技术手段。

热波成像技术是近代发展起来的一项无损检测手段，其基本原理是采用热激励源对试件表面进行加热，产生热脉冲并向试件内部传播，当热波在试件内部遇到缺陷或者热阻抗发生变化的地方热能就会产生一部分反射回到试件的表面，在试件表面形成动态的温度分布。采用红外热像仪记录试件表面温度随时间变化的信息，再通过图像处理对热波信号进行校正、数据处理和分析，实现对膜层厚度的检测。相比传统的无损检测手段，热波成像技术具有独特的优势，比如非接触、大面积快速成像、适合非透明涂层、对材料的热学性质敏感等，可以满足现代工业中对膜层厚度检测的需求。

采用热波成像技术检测膜层时需要得到热波信号随时间变化的曲线，这通常是通过对样品表面连续采集一系列红外图像得到的，每帧图像代表一个数据点，采样频率即为帧频，例如对50Hz帧频的热像仪来说，采样周期就为20毫秒。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，如在几十甚至几毫秒时间以内，因此通常的热像仪无法采集足够的数据点来得到完整的热波信号随时间变化的曲线。为此目前只有采用高帧频的热像仪，而这种热像仪十分昂贵，从因而限制了该项技术的应用。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对目前膜层厚度测量技术的不足，提出一种新的基于热波成像技术的膜厚检测方法。其具体方法是：首先对样品表面进行全幅脉冲热激励，即样品表面各点的热脉冲产生于同一时刻；在对样品表面热波信号进行采集时，采用逐行扫描的形式，即相邻两行的采集时间有个时间为行频周期的延时。这样得到的一幅热波图像上不同行的热波信号具有不同的延时，沿着热像仪行扫描的方向，这个延时在逐步的增加。这样热波信号在沿着扫描方向的变化等同于该信号在时间上的变化。沿着热像仪行扫描的方向将每行的热波信号连成曲线，再将其与理论模型进行拟合，从而可以推导出膜层的厚度。在这种情况下，热波信号采样频率为热像仪的行频，因此相比于传统方法中采样频率为帧频的情况提高了数百倍，这样对热像仪的性能要求大幅降低。

根据上述原理，本发明的一种测量膜层厚度的典型方法包括如下步骤：

a、根据被测试件膜层的特性，确定热激励源的能量，并对被测试件的表面进行脉冲加热激励热波；

b、采用逐行扫描方式采集被测试件表面的热波图像；

c、在该热波图像中沿着逐行扫描方向选取多个像素值，将所述多个像素值顺序排列，形成膜层的热波信号曲线；

d、将上述热波信号曲线与所述膜层相对应的理论模型进行数值拟合，得出所述膜层的厚度及其它物理参数。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式系统方框图；

图2为热波成像原理示意图；

图3为不同厚度膜层的热波信号随时间变化曲线；

图4为本发明方法的原理示意图；

图5为本发明的另一种实施方式系统方框图；

图6为本发明的又一种实施方式系统方框图。

具体实施方式

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。

首先图2所示的是热波成像无损检测的原理，脉冲热激励单元22对样品表面30进行短周期脉冲加热，产生脉冲热波33向样品内部传播，当遇到涂层31和基板32的界面36时，一部分透射热波35继续往样品内部传播，另外一部分反射热波34会回到样品表面，热波反射回来的时间、强度等是与膜层的厚度及两种材料的物理特性相关的。因此样品表面的温度随时间的变化将与膜层的物理参数，如厚度、热导率等相关。图3所示的是几种典型的热波信号随时间变化的曲线，曲线37表示的是在没有膜层的情况下样品表面热波信号，曲线38、39则代表有涂层时的状况，三条曲线在早期是重合在一起的，这是因为反射热波34还没从界面36反射回来。当反射热波34到达表面时，三个信号开始分离，涂层越薄，分离的时间越早，如图3中的38和39所示，其中曲线38所代表的涂层就比曲线39的要薄，并且涂层越薄则信号越强。采用热像仪对样品表面的温度进行实时采集，得到温度随时间变化的曲线，再利用相应公式对该曲线进行拟合便可以得知包括涂层厚度在内的物理参数。因此膜层检测的关键是准确地得到该膜层表面温度随时间的变化关系。

在短脉冲面热源进行热激励的情况下，样品内部温度场的分布可由一维模型表达：

，

其中α= K/ (ρC_V)为热扩散率，K是热传导系数，ρ是密度，C_V 是热容，q是热激励能量密度。

如果忽略空气的热传导，在样品为半无穷大的情况下，解上面的公式得到样品表面温度随时间的变化：

，

其中C = q/(ρC_V)。

当样品的表面有厚度为d的膜层时，表面温度可近似成：

其中r是界面36的热反射系数，决定于两种材料的热学参数。在上述公式中，和涂层厚度d相关项是r*exp(-d²/αt)，可以看出当膜层很薄时，即d<<1，只有在t很小时，这个与涂层厚度相关项才有意义，也就是说在很短的时间内热波信号的变化可以反映出膜层厚度，过了这段时间后热波信号的变化主要决定于衬底材料的特性，和膜层基本无关。因此要检测薄膜层厚度，就必须在很短时间内采集热波信号随时间变化的曲线。

对于较厚的涂层，反射热波34 到达样品表面的时间比较晚，并且热波信号的变化比较缓慢，因此利用普通帧频的热像仪也可以采集到足够帧数的图像。但是如果涂层比较薄，例如在数百微米以下，热波信号的变化很快，有用的信息在毫秒量级的时间里就出现和消失。常规的热像仪的帧频周期在20毫秒左右，在这个时期里采集不到几幅图像，不能准确地描绘出热波信号随时间变化的曲线，因而不能精确得到涂层厚度的信息。虽然高帧频热像仪在一定程度上能改善这个问题，但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下降。

图1所示为本发明所采用的热波成像膜层测量系统原理图。系统包括数据采集处理系统27、同步控制单元23、热激励驱动源21、热激励单元22、红外成像装置25等。在数据采集处理系统27的控制下，热激励驱动源21驱动热激励单元22产生高功率、短脉冲的热激励，对被测试件24的表面进行加热，这种脉冲热激励源可以是大功率闪光灯、激光器及其它高能量辐射源。数据采集处理系统27通过红外成像装置25连续采集样品表面温度的变化，同步控制单元23用于协调热激励脉冲发生与图像采集之间的时序关系。

红外热像仪的工作方式具有凝视型和逐行扫描型之分，凝视型是指整幅图像的所有像素都在同一时刻积分并将信号保持在芯片中，然后逐行输出，因此每行像素之间没有时间延迟。而本发明系统中的红外成像装置25必须采用逐行扫描型，也就是每行像素的积分为不同时刻，图像在行扫描方向逐行延迟，相邻两行的延迟时间为行扫描周期。目前市场上多数非制冷型红外焦平面探测器都是采用逐行扫描形式的。

图4进一步说明了本发明的原理。当采用逐行扫描的热像仪时，其焦平面探测器41的每个像素行顺序从上往下依次积分并读出，每行的采样时间不同，都有一个行频周期的延迟。如果沿焦平面探测器41的行扫描方向将各行热波信号顺序连接起来，如图4（b）所示，就可以得到热波信号随时间的变化曲线42，其采样频率为行频。假如采用一个常规50Hz帧频的热像仪，如果有500行像元，其行频为2500Hz，因此可以大大地提高热波图像的采样频率。对热波信号随时间的变化曲线42进行数据处理，例如背景信号修正及去噪，再通过与相应理论模型的拟合，便可得到涂层的厚度及其它信息。

上述实施方式中，是通过对热波信号在空间的变化来实现对时间变化的检测，或者说是将随时间变化的信号转换成随空间变化的信号。因此如果要准确测量涂层的厚度，要求涂层在样品表面一定范围内比较均匀。

上述实施方案采用逐行扫描焦平面红外热像仪进行热波图像的采集，但是也可以采用其它图像采集方式，如图5所示的另一种实施方案中采用了一维红外阵列探测器51结合扫描振镜53的方式。一维红外阵列探测器51由单行（或数行）红外阵列传感器组成，振镜53在扫描驱动器52的控制下对被测试件24的表面进行一维扫描，从而得到试件24表面的热波图像。这种一维红外阵列探测器的价格较二维红外热像仪低很多，因此可以在较低成本的情况下，采用信噪比较高的制冷型、或者具有较高像素的一维红外阵列探测器。当然本发明也可以采用单个像素的红外传感器通过二维振镜扫描的方式来实现。

图6所示的是本发明的另外一种实施方式，为了达到逐行扫描的目的，系统同样采用一维红外阵列探测器51，并进一步包括电机驱动器61及一维移动平台62。被测试件24置放于移动平台62上，在电机驱动器61的驱动下移动平台62进行一维扫描，同步控制单元23用于控制移动平台62的扫描与热激励脉冲之间的时序关系。

综上所述，本发明采取的膜厚测量方法包括如下步骤：

a、根据被测试件24膜层的特性，确定热激励单元22的能量，并对被测试件24的表面进行脉冲加热激励热波；

b、采用逐行扫描方式采集被测试件24表面的热波图像；

c、在该热波图像中沿着逐行扫描方向选取多个像素值，将所述多个像素值顺序排列，形成膜层的热波信号随时间变化曲线42；

d、将上述热波信号随时间变化曲线42与所述膜层相对应的理论模型进行数值拟合，得出所述膜层的厚度及其它物理参数。

为了准确得到膜层的厚度，理论模型中的一些其它参量需要通过对标准试件的测量进行标定，标准试件与被测试件具有同样的物理特性，并且膜层的厚度已通过其它手段事先测定。

本发明主要应用是测量膜层厚度，膜层可以是单层或多层的，也可以应用于对其他膜层物理特性的检测，如膜层及衬底的热学特性、力学参数、及膜层与衬底的粘合质量等。

以上对本发明的描述为说明性的，而非限制性，在权利要求书的范围中对其进行修改、变化及等效，都将落于本发明的保护范围。