CN101120230A - 薄膜厚度的测量方法和设备 - Google Patents

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Abstract

运动的卷筒材料或片的非接触式厚度或纸的厚度测量技术采用包括第1传感器头和第2传感器头的传感器装置，两传感器头互相分离以便限定运动的卷筒材料通过的路径。传感器装置将激光产生的多点图案投射到运动卷筒材料的上表面上。图案的图案识别算法分析确定运动卷筒材料的取向、如倾斜度。该装置还测定薄膜的倾斜度、在第1传感器头和第1卷筒材料表面之间的距离、在第2传感器头和第2卷筒材料表面之间的距离和两个传感器头之间的距离以便提供高精度的运动卷筒材料在线厚度测量。

Description

薄膜厚度的测量方法和设备
技术领域
本发明一般涉及用于非接触式厚度或纸的厚度(caliper)的测量，和特别是涉及一种装置，它投射激光产生的多点图案，到沿着垂直间隔的两个传感器头之间的路径运动的薄膜上表面上。该装置测量薄膜的倾斜度、在上传感器头和薄膜上表面之间的距离、在下传感器头和薄膜下表面之间的距离、和两个传感器头之间的距离以便测定移动卷筒材料的厚度。
背景技术
现有很多方法来测量运动卷筒材料(web)或薄片，如纸的厚度。两种最通用的技术包括使用接触的滑道或滑轨直接测量厚度，它们沿着卷筒材料的两个表面轻轻地滑过，和非接触式的推理方法，应用卷筒材料的辐射吸收来测定卷筒材料单位面积的重量然后推理出厚度，只要已知有足够精度的该材料的密度。现有这些方法的许多变型和改进，但是每种技术有很多潜在的缺点。
接触方法有3个基本的问题。第1，要测量材料的强度可能限制该方法。例如，对薄纸这样易碎的片，接触的轨道有可能在片的表面上磨出偏差，在片上造成伤痕或最终造成片的撕裂。第2，片本身可能伤害纸厚度传感器，由于在接触元件上的磨损或者由于在片断裂时引起的实质损害。对横过该片的纸厚度传感器，当传感器跨过该片的边缘时也可能造成伤害。第3，由于在接触元件上污染物的累积可能对接触式传感器造成有害的影响，如对于有涂层的或有填料的片或者包含回收材料的片都可能发生这种情况。
非接触式推理的厚度测量法避免了接触式方法的许多问题，但是仍有一组新的问题。例如，当已知产品的密度时厚度测量通用的放射性源，在某些卷筒材料市场上是禁止使用的。还有放射性的测量是推理式的，这意味着如果不能预测卷筒材料的密度，在计算得出的厚度值可以有很大的误差。
几个专利已经提出使用激光测量运动卷筒材料的厚度与现有的其他方法比较起来可能是很有前途的选择。一个这样的***是Kramer的美国专利5,210,593号和另一个这样的***描述在Watson的美国专利4,276,480中。在两个***中，激光纸厚度测定仪包括在卷筒材料两侧的激光源，它们的光对准卷筒材料的表面接着被反射到接受器。然后利用接受的激光信号的特征来测定每个接受器到卷筒材料表面的距离。将这些距离加在一起，从两个激光接受器之间已知的距离中减去和值。所得的值代表卷筒材料的厚度。
上述厚度测量的非接触方法有所希望的特性，它们消除了接触式方法和非接触式推理方法的许多缺点。但是，前面的非接触式技术仍有很多困难，可能限制它们的应用在相对精度较低的场合。
一个问题是卷筒材料不可能总是垂直于入射的光，这是由于卷筒材料有跳动式间歇地成波浪运动的倾向。如果卷筒材料不是垂直于入射光和从两个相对光源来的光束不是精确地对准在卷筒材料上的同一点，那么测量中就可能会产生很大的误差。许多因素都可能造成这种情况。首先，从第1激光测量点到第2激光测量点的实际卷筒材料厚度变化可能造成不正确的厚度的测量。其次，如果卷筒材料不垂直于入射光，那么测量技术将造成厚度值的误差与卷筒材料的角度和在片的表面上两个测量点的位移成比例。卷筒材料的跳动和振荡都可能进一步加大这个误差。
投射激光到纸或薄膜上的另一个问题是，该表面通常不是完全限定的以及纸或薄膜是半透明的。使用位置敏感的探测器，如侧面作用探测器(LEP)、4传感器或2传感器的探测器，的目前激光三角网传感器包含的信息不够求出该表面的“实际”表面位置。
部分是由测量仪器实际尺寸的热效应或由装置标定造成的各种***几何形状的瞬间变化都可能使测量精度下降。这些效应可能很难通过测量在仪器中各点的温度和应用合适的校正装置来直接定量表示。当测量装置的精度水平接近于测量和控制如新闻纸或其他薄的产品所需的水平时，这些有害的影响实际上变得更加明显。
发明内容
本发明部分是根据测量薄膜厚度特别是厚度小于1毫米的运动薄膜的非接触技术开发出来的。本发明采用光学传感器仪表，它有间隔的两个传感器头来限定定位薄膜的路径。将已知几何形状的图案映射到薄膜的表面上和用图案识别算法分析该图像以便测定传感器头到薄膜的距离和薄膜的倾斜度。不象原有的技术，本发明不需要检测光束最大程度的重叠以便补偿纸的倾斜，这是目前的方法采用在纸片的两侧有Z距离的单点激光距离测量所要求的。本方法也不需要对所测纸张两侧上的激光束对准度作出严格的容限要求。形成图像的一种优选方法是仅将激光束图案投射在一个表面和在另一表面上使用单点激光。可供选择的另一种方法是在每个表面上的投射不同的激光束图案。可以使用本发明所属技术领域的普通技术人员已知的许多代替的方法来产生和投射激光图案，如线条、点的矩阵或圆形，例如这些包括：(a)衍射光学元件(DOE)，(b)声光束偏导器，(c)电流计驱动的扫描镜(检流计镜)，和(d)基本的光学元件，如分光器、镜子、和棱镜。
在一个实施例中，本发明目标是用于测量有第1表面和第2表面的卷筒材料厚度的一种***，它包括：
(a)设置在卷筒材料第1表面附近的第1传感器头，其中第1传感器头包括(i)产生和投射图像到卷筒材料第1表面上的机构和(ii)检测该图像和将该图像转换成与电子图像相对应的电信号的机构；
(b)分拆该电子图像以便测定第1传感器头与卷筒材料第1表面所选位置之间距离的机构；
(c)设置在卷筒材料第2表面附近的第2传感器头，其中第2传感器头包括测量从第2传感器头到第2表面上所选位置之间距离的机构；
(d)测量从第1传感器头到第2传感器头的距离的机构；
(e)计算该卷筒材料厚度的机构。
在另一个实施例中，本发明目标是测量有第1和第2表面的卷筒材料厚度的非接触方法，所述方法包括如下各步骤：
(a)将第1传感器头定位在卷筒材料的第1表面附近；
(b)将第2传感器头定位在卷筒材料的第2表面附近；
(c)测量从第1传感器头到第2传感器头的距离；
(d)将有图案的图像投射到卷筒材料的第1表面上；
(e)检测和分析该图像，应用局部光强最大来定义该图像，以便测定卷筒材料表面相对第1传感器头、第2传感器头、或者两者的取向；
(f)检测和分析该图像，应用局部光强最大来测定卷筒材料表面和第1传感器头之间的距离；
(g)测量从第2传感器头到卷筒材料第2表面上某位置的距离；
(h)测量垂直于第1(上)和第2(下)传感器头连线的方向上的距离偏差；和
(i)计算该卷筒材料的厚度。
附图说明
图1和图2是非接触式厚度测定仪；和其修改方案的剖面图；
图3说明被投射到运动纸片上表面上图案的平面图。
具体实施方表面24和表面44优选地是互相平行和互相分隔一段记为Z的距离。式
如在图1中所示，本发明非接触式卷筒材料或片的厚度测量装置包括第1和第2机壳或头10和20，它们是垂直间隔的。该头不必有机械平的表面。各传感器的平面最好是平行的。每个传感器头包括各种光学传感器如这里要进一步描述的那样用于测量选定的尺寸。定位在传感器头之间的卷筒材料18在y轴方向线性运动。
由于很难机械地约束运动的卷筒材料，卷筒材料18不是必定沿着平行于平表面24、44的直线运动。在这个例子中，卷筒材料18是倾斜的；将卷筒材料18的上或第1表面24与X轴之间的夹角记为θ。通常卷筒材料的上和下的平的表面是互相平行的，所以与上表面形成的夹角θ与下表面形成的夹角φ是相等的。
定位在卷筒材料18的第1表面26上面的第1头10包括激光源12、和生成图案的镜片13，镜片把图像14投射到卷筒材料18的第1表面26上。图像14可以是任何的图案，例如包括几何图形、线条、十字、一组点、和类似的图形。可以使用已知的许多代替的方法在生成图案的镜片中产生和投射激光图案，如线条、点的矩阵或圆形，这些方法包括但不局限于：
(a)衍射的光学元件(DOE)，其中转变激光束到预定角度的衍射产生图案，如从MEMS Optical公司(Huntsville AL)或Stoker Yale公司(Salem，NH)可以获得的那些元件。
(b)声光束偏导器，其中由转变激光束衍射产生图案和通过使用合适的驱动电子设备可以动态调节衍射角，如从Isomet公司(Springfield，VA)可以获得的那些元件。
(c)电流计驱动的扫描镜(检流计镜)，其中通过合适的控制电子设备驱动的电流计操纵的镜子将激光束反射到预定的角度来产生图案，如从Cambridge Technology公司(Cambridge，MA)，或NutfieldTechnology公司(Nutfield，NH)可以获得的那些元件。
(d)基本的光学元件，例如包括光束分光器、镜子、和棱镜。
一般来说，只需测量和分析3个离散的点来测定空间取向和卷筒材料第1表面26相对第1传感器平面24的距离。例如，可以产生和投射的一个图案是圆形，由投射的光圆锥体与同圆锥轴垂直的表面相交时产生。该圆的直径正比于光源与该表面之间的距离和当投射到倾斜的表面上时和当偏离轴线位置观察时它转变成椭圆。椭圆的数学方程式是简单的和可以用曲线拟合算法相对容易地实现。图像检测器16，如固态摄像机，检测图像14并将图像转换成与电子图像对应的电信号。合适的图像检测器是硅电荷耦合器件(CCD)相机或互补型金属氧化物半导体(CMOS)相机。与检测器16电气连接的计算机***(50)包括图像识别软件以便对电子图像进行处理如这里要进一步描述的那样。
定位在卷筒材料18的下或第2表面28下的第2头20有激光距离传感器，它测量从头44到卷筒材料18表面28的距离。投射点(它是表面26上的“C”点)应在检测器16的视野内，它有要计算的在传感器平面内上下投射轴线之间的偏差距离(dx)(偏差距离也可看作是上、下头的不对准造成的)。该偏差距离也被用于如这里所述的卷筒材料厚度计算中。获得XY头不对准值的另一种方法是使用磁控电阻桥网络(magnetoresistor bridge network)，它从Honeywell International公司(Morristown，NJ)可以购得，型号为Honeywell XY-Sensor部件号08696700。这种装置特别适合测量厚的或不透明的产品如板或金属。在图1所示的这个例子中，垂直距离传感器32C测量到卷筒材料18下表面28上“B”点的垂直距离、垂直距离传感器可以是常规的激光三角网传感器，例如它有能发射激光束到下表面28上某点的固态激光源和以倾斜角度定位的检测器，检测器在该点显像激光点并测量它的反射角。这样的传感器从日本的Osaka市的Keyence Corporation公司购得。传感器32A到32N代表可能取代的传感器位置，它们都在检测器16的视野范围内。在下头20上优选地有单个传感器。为了区别由第1头10中激光投射的图案和由第2头20中激光的图案，可将图像识别能力设计到分析软件中。另一种是，可以选择激光操作在两个不同的波长，或者还有一种是，可以由电子装置或软件交替循环地开和关它们来控制图像的获取和分析。
为了测定随着卷筒材料取向变化的θ角，计算机***50包括图像识别软件，它连续分析由图像传感器检测到的投射图案14。由于投射的图案14检测到的图像包括已经穿透到通常半透明的卷筒材料材料中和接着反向散射和再散射的光直到它在检测器16方向从表面射出，所以在检测到的图像中任何线或点的尺寸都将比实际投射到卷筒材料18上表面26上的要大。通过使用数学的曲线拟合算法来限定跨过图案元件光强分布图的最大光强位置可以减小这种测量误差源，即在垂直于直线的方向上或跨过点形成的圆盘找到光强分布中的最大值。由于这些位置代表没有发生多重散射的位置它们构成投射的图案在卷筒材料18表面26上的轨迹。软件使用数学的曲线拟合算法或者它可以比较图像与存储在数据库中的图案来测定θ角。特别是，软件使用相关函数将实际的、获得的图像14与代表图像和它们对应的倾斜角的参考数据进行比较。可以进行实验来创立数据库、如将激光产生的图案投射到薄膜上并操纵该薄膜改变它的取向。特别是，操纵薄膜经过很大范围的倾斜角并检测它们对应的图案。记录下角度和对应的图案两者。另一种是，可以用数学模型技术产生数据库，如对给定的倾斜角计算出投射图案，以便产生一组图案代表在不同的倾斜角下该图案的几何形状。
从图1中清楚可见，投射到表面26上的图像14的尺寸取决于图案生成镜片13与卷筒材料18之间的距离。因此，卷筒材料18越靠近第2传感器头20，那么投射到表面26上的图像14的横截面就越大。图案识别程序可以读取的数据库也可以包括使特定图案图像与第1传感器头和卷筒材料18上表面26之间距离如垂直距离d2，相关联的数据，d2是在图案生成镜片13和上表面26之间的距离。这个数据库的数据可以通过实验收集或者也可由数学模型产生。
从图1中清楚可见，给定的第1传感器头表面24和第2传感器头表面44是平行的，所以可相对任一个表面来测量倾斜角。为了方便，术语“倾斜角”衡量由卷筒材料表面即在其上面投射图像的表面限定的平面与由设置在该表面附近的传感器头限定的平面之间的夹角。在图1的厚度测定仪的这种情况下，相对第1传感器头10的表面24和相对卷筒材料18的上表面26来测量该倾斜角。当第1传感器头的表面24平行于卷筒材料18的上表面26时该倾斜角为零。
图3说明由图1的图案生成镜片13投射到卷筒材料18上表面26上的圆形图案在卷筒材料上表面26的上的平面图。当θ角为零时产生图案4，即当卷筒材料18的上表面26平行于传感器表面24时。很清楚，圆形图案是对称的和点“A”对应于几何的圆心。当上表面倾斜时产生的图案14相对图案4是歪斜的。换句话说，当表面26倾斜时圆形图案4转换成图案14。从图1清楚可见，投射到上表面26上的图案14的尺寸也与图案生成镜片13和卷筒材料18上表面上直接在其下面的A点之间的距离成比例，该距离标记为d2。当d2减小时投射的图案14的尺寸减小而当d2增加时该尺寸也增加。所以，当计算机50将投射的图案与它数据库中那些数据比较时，比较将提供角θ和d2的值。很清楚，当观察轴线不是垂直于卷筒材料上表面26时那么图3中的圆形图案4将变成椭圆和几何中心将是在椭圆长轴和短轴的交叉点。在根据传感器观察角简单地变换图像数据之后可以进行矩离和取向的分析，或者另一种是，在数据库中可以包括由非垂直观察角引起的变形失真。
图1说明传感器头10的图案生成镜片13和传感器头20激光传感器32C的投射轴线(先通过的路线)不一致的几何表示。它们不一致的水平距离在图1中记为dx。如果卷筒材料光学上是足够的薄，如用轻薄涂覆(LWC)纸或新闻纸将是这种情况，由头20上激光三角网传感器32C投射的激光点到卷筒材料18的下表面28上的“B”点，在卷筒材料18的上表面26上将是可见的。通过定位出传感器32C投射到上表面26上图像中激光点的光强最大处和计算出在投射的激光点和第1传感器头10的图案生成镜片13的投射轴线之间的分离距离，然后用图像传感器测量该距离dx。可将图案识别能力设计到分析软件中以便区别由上头10投射的图案还是由下头20投射的图案。另一种是，用颜色敏感的传感器可以选择激光源操作在两个不同的波长上。还有一种是，由图像获取控制电子设备和软件可以选择地开和关激光源。如上所述由卷筒材料18上表面26中的图像计算得到“A”点表示第1传感器头10图案生成镜片13投射轴线的位置。另外一种获得上下激光头XY偏差的方法将是使用磁控电阻传感器(magnetoresitive sensor)、如Honeywell型号08696700。这种方法不只限于测量光学上薄的材料。
还如图1中所示，在第1传感器头10和第2传感器头20之间的垂直距离记为Z，在开始操作非接触式厚度测定仪之前可以精确地测定这个距离。如果在整个操作中Z保持恒定，就不必进行进一步的测量。但是，两个传感器头之间分离的距离由于热膨胀、振动和其他因素可以轻微地改变，因此对精密测量来说优选地进行传感器头之间间隔的动态测量。可以采用各种技术进行动态测量，例如包括RF(射频)源和接受线圈、Hall装置、和磁控电阻装置(magnetoresistive device)。Holmgren等人的美国专利4,160,204号中描述了采用电磁感应的一种传感器，将它***这里作为参考。另一种优选的Z传感器是在传感器10上的RF线圈***，它在相反的传感器头20中感应出涡流电流和测量***的阻抗以便获得距离Z的指示。图中表示的动态垂直距离传感器30装在第2头20中，但是应该理解传感器30可以设置在其他地方或者该传感器可以包括设置在两个头10、20中或其他地方的多个部件。
尽管对本发明的实践应用不是必需的，但在卷筒材料接近片厚度测定装置之前为了稳定运动的卷筒材料，可在测量装置的上游优选地采用卷筒材料稳定器。在Moeller等人的美国专利申请2003/0075293号中描述了合适的非接触式稳定器，它包括用于连续的卷筒材料材料的空气夹持稳定器，该专利申请未***此处作为参考。该稳定器防止在卷筒材料倾斜中很大的波动并还可保证运动的卷筒材料不会碰撞测量装置的任一个传感器头。本发明将降低这些类型的装置对公差的要求。
在操作中，如在图1中所示，当卷筒材料18横向通过传感器头10和20之间时，将图像14投射到卷筒材料18的上表面26上。然后按照上述的方法测量Z、d1、d2、θ和dx。卷筒材料18的厚度可以按下面的方程式计算：
厚度＝(Z-(d1+d2))*cosθ+dx*sinθ。
图1还说明测量卷筒材料18厚度的另一个实施例，其中不需要dx距离而当测量垂直距离是沿着同一轴线进行时产生这种情况。例如，当测量d1和d3时，卷筒材料18的厚度简单地等于(Z-(d2+d3))*cosθ。通过闭环控制图案生成镜片13的投射轴线和从图像检测器来的信息可以做到这一点。通过很容易购买到的光束调整装置如2维的电流计驱动扫描镜装置和辅助的镜片、2维的声光扫描装置和辅助的镜片，或另一种是，通过简单地实际移动该头，可以完成光束的调整。
图2说明卷筒材料18倾斜在另一个方向的情况。如图所示定位在传感器头10、20之间的卷筒材料18沿着Y轴的方向运动。卷筒材料18上表面26和X轴的夹角记为β。与前面一样该装置测量各变量Z、d1、d2、θ和dx，但是在这个实施例中，优选地是采用“G”和“F”点。特别是，用垂直距离传感器32N测量d1。
虽然结合纸片测量已经说明了薄膜厚度测量装置的各个优点，应该理解该装置可以应用在必须测定运动卷筒材料材料厚度的任何环境中。例如在制造塑料和织物中可以很容易地使用厚度测量装置。该装置特别适合测量厚度在10至1000μm(微米)范围内的薄膜。该薄膜可在高速下运动通常在约800米/分钟到2100米/分钟的范围内，或更快。
上面已经描述了本发明各个原理、优选的实施例和操作模式。但是，不应认为本发明仅限于所讨论的特定实施例。因此，应将上述各实施例看作是说明性的而不是限制，应该理解本发明所属技术领域的普通技术人员可在那些实施例中进行各种改变而不会背离本发明由下面的权利要求书定义的范畴。

Claims (10)

1.一种***，用于测量有第1表面(26)和第2表面(28)的卷筒材料厚度，它包括：
(a)设置在卷筒材料(18)第1表面(26)附近的第1传感器头(10)，其中第1传感器头(10)包括(i)投射图案(13)到卷筒材料(18)第一表面(26)上的机构和(ii)检测所投射图案的图像(14)和将该图像(14)转换成与电子图像(16)相对应的电信号的机构；
(b)分析该电子图像(50)以便测定第1传感器头(10)与卷筒材料(18)第1表面(26)上所选位置之间距离的机构；
(c)设置在卷筒材料(18)第2表面(28)附近的第2传感器头(20)，其中第2传感器头(20)包括测量从第2传感器头(20)到第2表面(28)上所选位置之间距离(32C)的机构；
(d)测量从第1传感器头(10)到第2传感器头(20)的距离(30)的机构；
(e)测量卷筒材料(18)倾斜角(50)的机构；
(f)测量第1和第2传感器头(10、20)相对不对准度(16、32C)的机构；和
(g)计算卷筒材料(18)厚度(50)的机构。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于用于检测图像(14)和将图像(14)转换成与电子图像(16)相对应的电信号的机构，包括布置在第1表面(24)附近的用于接受被投射到卷筒材料(18)第1表面(26)上的图像(14)的检测器(16)；和
用于分析电子图像(50)的机构包括计算机***(50)，它与检测器(16)电气连接和包括图案识别程序以便处理电子图像和确定卷筒材料的取向。
3.如权利要求1所述的***，其特征在于投射到卷筒材料(18)第1表面(26)上的图像(14)有限定的外形并且第1传感器头(10)包括：
(i)测量从第1传感器头(10)上第1位置到沿第1垂直轴线垂直定位的卷筒材料(18)第1表面(26)上某位置的垂直距离(12、16、50)的机构；和
(ii)测量从卷筒材料(18)第1表面(26)上某参考点到第1垂直轴线的水平距离(32C、16)的机构。
4.如权利要求1所述的***，其特征在于第1传感器头(10)是上传感器头和第2传感器头(20)是下传感器头；和
其中，测量相对不对准度(16、32C)的机构用磁控电阻位移传感器(magnetoresistive displacement sensor)测量在上下传感器头(10、20)的传感器平面中上下投射轴线之间的偏差距离。
5.如权利要求1所述的***，其特征在于第1传感器头(10)是上传感器头和第2传感器头(20)是下传感器头；和
其中，测量相对不对准度(16、32C)的机构通过下激光点穿过片(18)的发射图像和用图像传感器(16)检测它来测量在上下传感器头(10、20)的传感器平面中上下投射轴线之间的偏差距离。
6.测量有第1表面和第2表面(26、28)的卷筒材料(18)厚度的一种非接触方法，所述方法包括如下各步骤：
(a)将第1传感器头(10)定位在卷筒材料(18)的第1表面(26)附近；
(b)将第2传感器头(20)定位在卷筒材料(18)的第2表面(28)附近；
(c)测量从第1传感器头(10)到第2传感器头(20)的距离；
(d)将包含图案(14)的图像投射到卷筒材料(18)的第1表面(26)上；
(e)检测和分析图像(14)以便测定卷筒材料(18)相对第1传感器头(10)、第2传感器头(20)、或者两者的取向；
(f)测量从第2传感器头(20)到卷筒材料(18)第2表面(28)上某位置的距离；和
(g)计算卷筒材料(18)的厚度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(e)包括将检测到的图像与参考图像比较以便测定卷筒材料(18)的取向。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(e)采用电荷耦合器件相机或CMOS相机装置(16)来检测图像和将图像(14)转换成与电子图像对应的电信号。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(e)包括采用图案识别程序来比较检测到的图像和参考图像以便测定卷筒材料(18)的倾斜角。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(d)中投射到卷筒材料(18)第1表面(26)上的图像(14)有限定的外形和该方法还包括如下各步：(i)测量从第1传感器头(10)上第1位置到沿第1垂直轴线垂直定位的卷筒材料(18)第1表面(26)上某位置的垂直距离和(ii)测量从卷筒材料(18)第1表面(26)上某参考点到第1垂直轴线的水平距离。
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