利用THz传感器对连续非均匀织物的卡尺度涂层测量

摘要

分析模型仿真辐射穿过有涂层的连续织物的传播，其中层厚度和折射率作为变量确定透射辐射的速度和方向。该模型基于入射辐射的特性和层厚度的初始指派值来预测透射辐射的特性。在过程中查明涂层厚度，从而将已知特性的入射辐射导向到有涂层的织物上，并且此后，将透射辐射的实际测量与预测特性进行比较。使用拟合算法，调整该模型的层的所指派的厚度并且重复该过程，直到实际值和预测值在期望的限制内，此时，所指派的厚度表示被测卡尺度。利用太赫兹时域光谱设备来获得辐射测量，该太赫兹时域光谱设备创建连续参考，借此可以跟踪和校正样本脉冲的相位和幅度。

说明书

相关申请的引用

本申请在35U.S.C.§119(e)下要求2012年2月8日提交的共同未决申请No. 61/596,595的优先权，通过引用将该申请并入于此。

技术领域

本发明总体涉及用于确定涂层和薄膜层的厚度、基重以及相关性质的技术， 该技术利用太赫兹光谱测量。

背景技术

为了测试和控制的目的，连续织物材料的工业生产通常需要对卡尺度 (caliper)或基重(每面积单位的重量)的测量。例如，在制造涂层、共挤塑料以 及相关的多层产品的情况下，通常有必要测量每个层和/或每个涂层的卡尺度或 基重。用于确定连续织物涂层的卡尺度的标准手段包括例如依赖于核测量或x 射线测量的差分称重技术。这种非接触式方案利用双扫描器，每个扫描器都配 备有传感器，该双扫描器在涂覆过程之前和之后测量织物重量，其中差异为涂 层重量。类似的双扫描器方法是接触式差分卡尺度测量，其中涂层过程之前和 之后织物卡尺度的相减产生涂层重量。最后，红外辐射探测利用涂层的独特IR 特征来探测和测量涂层重量。

这些现有技术卡尺度测量技术的功用受多个缺点限制。双扫描器差分系统 过度昂贵且需要过多的空间来容纳这两个扫描器。此外，对于探测被涂敷到厚 基底材料上的相对薄的涂层，该技术自身并不可靠。确实，双扫描器测量通常 产生所计算出的具有显著误差的涂层厚度。基层的可变性是双扫描器系统中的 另一个误差来源。为了补偿该可变性，双扫描器系统通常包括同点软件，其比 较由这两个扫描器从移动织物上的相同点获得的测量结果。不幸的是，扫描器 并不保持完美对准，并且其不能跟随相同点使测量变得无用，尤其是当扫描器 正在测量厚度在机器方向上不均匀的行进的织物时。已经表明，传统的双扫描 器系统在测量基板上的薄聚合物涂层时可能展现出比所测量的涂层厚度大的误 差。最后，由于测量材料中的高IR衰减或者缺少将允许涂层材料差异化的独特 IR特征，IR感测有时不可能实现。本领域需要一种准确且可重复的技术，用于 测量在连续的、行进的非均匀织物上形成的涂层和薄膜的厚度以及相关性质。

发明内容

本发明部分地基于分析模型的开发，其描述了太赫兹辐射脉冲通过有涂层 的织物以及尤其是通过连续织物样本材料的涂层和基底衬底层的传播。随着辐 射行进通过这些层时，其行进的方向和速度尤其受到这些层的厚度以及它们的 折射率的影响。相应地，在模型中使用的数学关系并入了层厚度和层折射率作 为变量，来预测入射辐射在其透射通过有涂层的织物时如何表现。假定可以测 量入射和透射辐射并且可以初始查明或测量折射率，那么在迭代过程中查明样 本中的涂层的厚度，借此将已知特性的入射电磁辐射导向到有涂层的织物，并 且此后，将实际测量与所预测的透射辐射特性进行比较。调整模型的层的所指 派的厚度并且重复该过程，直到实际测量与所预测的透射电磁辐射值处于期望 限制内，此时，所指派的厚度表示被测卡尺度值。

当采用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)实施时，卡尺度测量特别准确和精 确，该太赫兹时域光谱系统创建参考脉冲的连续集合，借此可以跟踪和校正样 本脉冲的相位和幅度。本发明可以利用优选地采用两个传感器头且配备有用于 测量传感器头之间的z距离的装置的设备而实施。在操作中，被分析的样本(例 如具有非均匀厚度的行进织物)被定位在两个传感器头之间。通过实时测量z 距离和THz信号，可以校正THz信号以增强光谱仪测量精度。非接触式卡尺度 涂层测量实际上对在其上涂敷有涂层的基底衬底(例如，纸)的基重、厚度或 者其它物理参数的变化不敏感。

相应地，在一个方面中，本发明涉及一种测量有涂层的连续织物上的涂层 的厚度的方法，包括以下步骤：

(a)开发具有一个或多个涂层以及衬底层的有涂层的连续织物的分析模型， 其中该模型表示作为以下各项的函数的、电磁场穿过有涂层的连续织物的透射： (i)每个涂层的厚度；(ii)衬底层的厚度；(iii)每个涂层以及衬底的折射率，其值被 初始指派；以及(iv)太赫兹辐射到有涂层的连续织物上的入射角；

(b)通过采用时域太赫兹光谱设备来建立有涂层的连续织物样本的样本测 量，该时域太赫兹光谱设备包括生成辐射脉冲的发射器和接收辐射脉冲的探测 器，该建立是通过包括以下步骤的技术来进行的：

(i)沿发射器与探测器之间的光学路径定位分束器，以形成参考辐射脉冲和 被导向到样本的样本辐射脉冲，并且参考辐射脉冲不与样本交互；

(ii)将第一镜定位为将样本辐射脉冲反射到探测器；以及

(iii)将第二镜定位为将参考辐射脉冲反射到探测器，并且利用反射的辐射脉 冲监测参考辐射脉冲的相位和幅度的波动；

(c)在不放置用于测量的任何样本的情况下，通过执行步骤(b)(i)、(b)(ii)和 (b)(iii)，利用时域光谱建立有涂层的连续织物样本的参考测量；以及

(d)将样本测量与参考测量进行比较，并基于在步骤(a)中定义的模型来迭代 地指派涂层厚度和衬底层厚度的值，以达到样本测量与参考测量之间的最佳拟 合关系，从而确定涂层厚度。

在另一个方面中，本发明涉及一种用于分析具有一个或多个涂层以及衬底 层的有涂层的连续织物样本以测量连续织物上的涂层的厚度的设备，包括：

用于建立有涂层的连续织物样本的样本测量数据的装置，其采用时域太赫 兹光谱设备；

用于建立有涂层的连续织物样本的参考测量数据的装置，其采用时域太赫 兹光谱设备；以及

电子数据处理装置，被编程且在操作上连接以处理样本测量数据和参考测 量数据，其中数据处理装置被编程为将样本测量数据与参考测量数据进行比较， 并基于有涂层的连续织物的分析模型来迭代地指派涂层厚度和衬底层厚度的 值，以达到样本测量数据与参考测量数据之间的最佳拟合关系，从而确定涂层 厚度。

附图说明

图1是涂层板的分析模型，被描绘为四层光学系统。

图2是基于示例性THz或近THz-TDS透射的片材测量系统的表示；

图3描绘了用于生成时域光谱中的连续参考(CR)的设备；

图4示出了由分束器生成的典型连续CR轨迹；

图5比较了两组脉冲之间的脉冲间抖动；以及

图6是示出了两组脉冲之间的延迟以及对其的校正延迟的曲线图。

具体实施方式

图1将表示涂层板4的模型描绘为具有四个层的多层光学系统，该四层由 空气5、涂层材料6、基底材料或板7以及最后的空气8组成。这些层具有各自 的折射率，分别被表示为n_air、n_c和n_b。随着太赫兹脉冲的电磁场E通过该系统 传播，其遇到这些层之间的三个不同边界，分别被表示为1、2和3，其修改了 电场和磁场。

为了描述该系统中的THz电磁场交互，使用了ABCD矩阵分析(Optics， Eugene Hecht，2d edition，Addison-Wesley Publishing Co.，Inc.，1987，p.373-378)并且 假定了THz束可以被视为平面波。注意到，可以适配高斯束的形式。因此，在 边界处，电场(E)和磁场(H)之间的关系由通过层i和i+1定义的特征矩阵M_i给出：

$\left(\begin{array}{c}{E}_i\\ H_i\end{array}\right)=M_i\left(\begin{array}{c}{E}_{i+1}\\ H_{i+1}\end{array}\right)$   等式1

M_i是2乘2矩阵，通过波号k、层厚度d以及场在层中相对于边界(θi+1)的角度 定义：

$M_i=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{kd}\right)& \frac{j\sin \left(\mathrm{kd}\right)}{Y_{i+1}\left({\theta }_{i+1}\right)}\\ j\sin \left(\mathrm{kd}\right)Y_1\left({\theta }_{i+1}\right)& \cos \left(\mathrm{kd}\right)\end{array}\right)$   等式2

其中，j是虚数(为了避免与索引i混淆)，并且Y_i+1(θ_i+1)是由下式定义的函数：

$Y_{i+1}\left({\theta }_{i+1}\right)=\sqrt{\frac{{ϵ}_0}{{\mu }_0}}{n}_{i+1}\cos \left({\theta }_{i+1}\right)$   等式3

当电场不在入射平面中时，n_i+1是层i+1的折射率。因此，在多层系统的情况下， 系统的特征矩阵M由每个边界处的所有特征矩阵M_i之间的乘积给出：

$M=M_i{M}_{i+1}{M}_{i+2}...=\left(\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right)$   等式4

其中，m_ij是矩阵元素。在时域太赫兹测量中，首先优选地测量无任何样本或涂 层板的THz电场E_o。以下，在系统中，E_o将被称为入射电场E_i。由于模型的应 用用于所传输的电场E_t的表示，因此E_i与E_t之间的关系由如下传递函数t给出：

$t=\frac{E_0}{E_t}=\frac{2Y_0\left({\theta }_0\right)}{Y_0\left({\theta }_0\right)m_{11}+Y_0\left({\theta }_0\right)Y_t\left({\theta }_t\right)m_{12}+m_{21}+Y_t\left({\theta }_t\right)m_{22}}$   等式5

Y函数(等式3)的索引o和t分别对应于THz束在其中传播的初始层和最终层。 在这种情况下，这两层都是空气。在优选的特定应用中，为了优化传感器灵敏 度，THz脉冲两次经过涂层板，使得最终的传递函数是等式5的平方。如果板 厚度未知，则优选地建立涂层与基底材料之间的充分对比，以使该技术产生良 好的结果。最小的对比取决于传感器灵敏度。在模型和设备的一个实施方式中， 涂层折射率n_c优选地随频率被保持为恒定，而板折射率n_b被假定为与纸类似(参 见Applied Optics，vol.48，no.33，p.6541-6546)。在等式2和3中使用这些折射率。 由于THz时域技术在探测对参考脉冲的路径长度差时的微秒，等式2中的相位 kd应当被相应地调整。取代单独使用n_c或n_b来定义波号，使用精确地作为对真 空或空气的路径长度差的(n_c-1)或(n_b-1)。对于本发明，通过将n_c、n_b、E_o、E_t并 入到非线性最小二乘拟合算法中，可以准确地提取涂层卡尺度。注意到，尽管 在图1中示出入射辐射为涂层的法向，但应当理解的是，该角度可以是斜角并 且该分析模型被相应地调整。的确，可以初始测量该角度，并且对已经被编程 到处理器中的合适模型进行选择以计算涂层厚度。一旦确定了厚度，就还可以 使用针对密度数据的标准技术来计算基重和相关性质。卡尺度涂层测量技术特 别适用于测定连续织物，其中，涂层或衬底层中的每一层都由纸、板、塑料、 聚合物、天然橡胶、金属、天然纤维和/或合成纤维制造。

图2图示了连续实时参考生成设备10，位于时域光谱仪的发射器12和探 测器14之间。设备10特别适用于建立涂层样本的样本和参考测量。该设备包 括分束器16，其将来自发射器12的入射光18分割为反射光22和透射光20。 透射光20由平面镜30反射回来成为光21，通过分束器16反射后由探测器14 接收。反射光22透射通过样本40并且此后由平面镜32朝着分束器16反射回 来成为光23，在分束器16处，其透射到探测器14中。在这种设备10加强了太 赫兹光谱仪的情况下，发射器和探测器例如可以是光电导天线。对于太赫兹辐 射，优选的分束器包括厚片的高电阻率(＞10000 O-cm)硅板。分束器的厚度被选 择为足够大以使得来自其背表面的反射位于测量窗以外。如果使用较薄的分束 器，则脉冲形状将看起来不同，因为来自背面的多个反射被包括在窗中。原理 上，任一配置可以随本发明一起采用。较厚的分束器是优选的，因为其不易振 动。高电阻率硅板特别适于用作分束器，因为其具有高折射率，在太赫兹频率 中有可接受的吸收作用。可替换地，可以使用蓝宝石或聚乙烯作为分束器，尽 管它们具有比硅的吸收作用更高的吸收作用。

在优选实施例中，设备10包括容纳发射器12、探测器14和镜30的上部 头或模块51以及容纳镜32的下部头52。有涂层的非均匀连续织物样本40横穿 通过的传感器头51、52之间的间隙或位移距离“z”可以特别地当双传感器头 作为扫描器的一部分处于运动中时变化。为了计及该z“游动”以及因此计及行 进的辐射的变化长度，可以连续地测量间隙分离。可以利用传统设备来实现动 态测量，诸如例如，采用电感或磁测量设备的位移传感器26。来自z测量的距 离信号可以被传送到处理器，处理器基于z测量计算时间延迟，并生成时间延 迟信号。尽管基于太赫兹时域光谱的设备10被图示在透射模式中，但应当理解 的是，本发明还适用在反射模式中。

在操作中，激光脉冲分别被导向到发射器12和探测器14。(可以代之以使 用连续波光电导体。)最初，由光电导天线发射器生成太赫兹辐射脉冲，并且以 45度角将该太赫兹辐射脉冲入射到硅分束器16上，导致在垂直方向上行进的两 个脉冲。一个脉冲透射通过样本40，而另一个脉冲用于跟踪时间和幅度的波动。 由于这两个脉冲是在相同时间和位置处生成的，因此它们的相位和幅度非常强 地相关，并且这种相关性用于校正测量误差。这种方法特别适用于基于光纤的 时域太赫兹光谱仪，其中光纤弯曲和温度波动可以在幅度和相位测量的精度方 面有较强的不利影响。仅需要一个探测器，尽管可以采用多个探测器。

如图2中描绘的那样配置但不具有分离的头51和52的连续实时参考生成 设备10被并入到基于THz或近THz-TDS透射的片材测量系统100中，如图3 中所示。已经表明，采用这种THz-TDS系统100，抖动会限制系统的测量精度。 所期望的是，恒定参考技术的实施会显著增强其精度。系统100包括近THz或 THz生成器，包括至少一个脉冲激光源(例如飞秒(fs)激光器)105，其用于发射光 脉冲束。分束器106将光束分割为两束：反射束102和透射束103。反射束102 被导向到包括光学器件108的反射延迟件，该反射延迟件包括“伪”延迟级。 伪延迟的目的是使THz-TDS系统100的源(发射器)和接收器(探测器)臂二者都具 有名义上相等的光学路径长度；这使得源和接收器fs脉冲从相同的原始fs脉冲 导出。伪延迟的意图在于最小化噪声。然而，一般不需要这种伪延迟，并且在 某些应用中，一般还可以在没有这种伪延迟的情况下操作THz-TDS系统100。

透射束103经由镜104而被导向到包括光学器件109的延迟件，被示出为 线性延迟级。包括光学器件108和109的延迟件被配置为使反射束102到探测 器110的光学路径长度名义上等于透射束103到近THz或THz透射器111的光 学路径长度。

近THz或THz透射器111包括发射天线，该发射天线可操作以在片材材料 上的样本位置处发射频率在0.05THz与50THz之间的THz或近THz辐射脉冲。 THz发射天线一般将具有偏置电压施加到它(未示出)，该偏置电压可以被调制 以用于系统100中的锁定探测方案的利用。探测器110包括接收天线，该接受 天线可操作以接收通过入射辐射而辐照的样本130上的位置所透射的近THz或 THz辐射。本发明的实施例不限于使用如这里描述的光电导天线。例如，也可 以使用其它方法，诸如使用诸如碲化锌(ZnTe)之类的晶体的光整流。THz探测器 110耦合到接收天线且也耦合以接收来自包括光学器件108的延迟件的延迟光 脉冲，以用于同步探测由片材材料样本130透射的THz或近THz辐射。探测器 110生成电探测信号。虽然图3示出了与样本130交互的THz聚焦束，但应当 理解的是，也可以使用诸如准直几何之类的其它光学几何。

信号处理系统125耦合到探测器110，以接收电探测信号。信号处理系统 125包括存储器126。信号处理系统125还包括处理用电子设备128，其一般包 括跨阻抗(电流到电压)放大器、滤波器和模数(A/D)转换器。处理器127从处理 电子设备128接收经过处理的电信号(放大、滤波以及转换成数字信号)。处理器 127可以将与透射脉冲相关联的信号与校准数据和参考信号脉冲组合在一起，以 确定从含水量、基重以及卡尺度中选择的片材材料样本的至少一个性质。

关于参考脉冲以及用于应用校正的技术，信号处理系统125中的处理器127 可以将参考脉冲的连续集合与样本脉冲进行比较，并针对时间抖动和幅度变化 执行必要的校正。特别地，处理器127计算有涂层的织物样本的样本和参考测 量数据，并被编程为将样本测量数据与参考测量数据进行比较。通过基于有涂 层的连续织物的分析模型迭代地指派涂层厚度和衬底层厚度的值，达到样本测 量数据与参考测量数据之间的最佳拟合关系，从而计算涂层的卡尺度。

探测电子设备一般利用锁定探测方案(未示出)，其中将经过调制的偏置电 压施加到发射天线。该调制信号还被馈送到锁定探测电子设备，这提高了系统 的信噪比以及最小化了任何背景信号的影响。在源飞秒激光束105中可以使用 机械断路器，以实现锁定探测——在DC偏置电压被施加到天线的情况下。

在实施用于测量卡尺度涂层的发明技术时，根据所公布的数据确定被测材 料(基底和涂层)的折射率，或者可以利用传统设备测量它们。此外，添加另一传 感器来测量基底层(或任何其它层)的特定参数也可以是有用的。例如，可以使用 红外量规来测量基底材料的水分，从而校正折射率。

此后，进行参考测量，其中在设备10中不使用样本来生成图2中所示的连 续参考。可以利用Z传感器信号来校正参考信号。有涂层的、行进的连续织物 被定位在设备的间隙之间，并且进行样本测量。来自探测器的测量信号被捕获 和存储以用于将来分析。可以利用Z传感器信号来对测量信号进行校正。应用 拟合算法，其中，在该算法中利用测量信号相对于参考信号的延迟和幅度以及 材料的折射率，来确定基底和涂层材料的厚度。作为该过程的结果，供给了涂 层材料的厚度。

利用图3的基于THz-TDS透射的片材测量系统100，对于由太赫兹光谱仪 的发射器生成的每一个脉冲，分束器生成两个脉冲，一个脉冲经过所关注的样 本并且另一个脉冲行进通过空气。图4描绘了由分束器形成的两个典型脉冲。 每个脉冲都具有特性曲线和峰值，并且左侧脉冲被指定为“左”脉冲以及右侧脉 冲被指定为“右”脉冲。可以选择中间某处的任意点分离这两个脉冲。在上面的 分析中，使用“右”脉冲既作为参考(即，这里脉冲行进通过空气)又作为样本脉冲 (即，这里脉冲行进通过样本)。存在相继进行的两个分离的测量。

一种实施连续参考过程的方法是初始采集参考脉冲的集合。在该集合中， 两个脉冲(“左”脉冲和“右”脉冲)行进通过空气。此后，将所关注的样本插入到光 谱仪的一个臂(即，右臂)中，并且采集新数据集合。现在可以利用参考和样本“右” 脉冲测量来执行所有的分析。左侧脉冲用于跟踪右侧脉冲的时间和幅度的改变。 由于“左”脉冲的任何改变将最可能在“右”脉冲中显现，因此可以监测“左”脉冲并 使用“左”脉冲校正“右”脉冲，并从而减少抖动的影响。

图5示出了100个不同被测脉冲的“左”脉冲和“右”脉冲之间的脉冲间时间 抖动。x轴上的“索引”标号指的是实验测量号(1-100)，使得曲线图上的每个点对 应于左脉冲和右脉冲的集合。该图表示出了左脉冲与右脉冲之间的成对时间延 迟。这种相关图表进一步建立：这两个脉冲同步移动，这允许校正其中一个脉 冲的时间抖动。该比较表明：抖动的标准差可以减少到1/2。

对于在其中相位测量特别关键的基于光纤的太赫兹时域光谱仪，连续参考 过程可以补偿温度以及原本会与相位测量发生干扰的其它因素的不利影响。特 别地，对于基于光纤的光谱仪，由于随着传感器在其扫描样本时的移动而发生 的光纤扭曲或伸展，偏振和/或路径长度改变发生。图6的顶图表是200个不同 被测脉冲的“左”脉冲和“右”脉冲之间的脉冲间时间抖动，此时太赫兹时域光谱仪 的光纤连接被手动地扭曲以仿真典型地用在造纸机中的扫描型系统的移动的效 果。该图表示出了偏振改变影响脉冲的延迟。图6的下图表表明：由于这两个 脉冲被类似地影响并且一个脉冲可以用于跟踪另一个脉冲的改变，因此可以采 用本发明的技术来跟踪和校正这些延迟。

一旦获得参考脉冲的连续集合，就可以在必要时跟踪和校正样本脉冲的相 位和幅度。例如，可以通过对样本脉冲加或减延迟，使用参考脉冲，来校正时 间抖动。为了针对参考脉冲校正幅度变化，可以利用通过乘法因子对样本幅度 的扩缩来增大或减小其强度。

前述内容已经描述了本发明的原理、优选实施例以及操作模式。然而，本 发明不应当理解为限于所讨论的特定实施例。因此，上述实施例应当被认为是 说明性的而非限制性的，并且应当意识到的是，在不脱离如以下权利要求所限 定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可以对这些实施例作出变化。