基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，包括飞秒激光器、第一反射镜、分束器、光学延迟线、第二反射镜、太赫兹发射器、第一抛物面镜、IR滤波器、样品台、太赫兹探测器、第三反射镜、第四反射镜、太赫兹时域系统控制器和计算机；还包括检测方法：分别采集太赫兹波透过空气和被测塑料薄膜的信号，设定塑料薄膜初始厚度，代入薄样品的太赫兹传输函数模型计算其折射系数，随后运用傅里叶变换将折射系数信号变换到准空间，并求准空间中信号幅度的峰值；不断修改厚度值，直至准空间信号幅度峰值达到最小，得出塑料薄膜的厚度；本发明能够解决目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题，可实时快速准确地检测塑料薄膜厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种塑料薄膜厚度检测装置及方法，具体是一种基于太赫兹时域光谱技术 的塑料薄膜厚度检测装置及方法，属于塑料薄膜的无损、快速检测领域。

背景技术

目前，大多数塑料薄膜及涂覆产品的生产中还没有有效地进行在线监测的手段；甚至 有的领域对于几十微米或者不到十微米的的薄膜的厚度检测仍然采用千分尺进行，这不可 避免地将引入很大的测量和读数误差，造成测量精度较低。然而现在工农业生产的高速发 展，对塑料薄膜的厚度测量提出了更高的要求，传统的测量方法已远远不能满足发展的需 求，因此有必要寻找新的高精度在线测量方法。

目前有学者采用基于电容传感器的方法进行薄膜的厚度检测，然而此方法容易受到生 产线上各种干扰及温度的影响，测量精度仍有待提高；也有采用红外透射法进行薄膜厚度 测量，红外透射法基于郎伯比尔定量进行厚度的测量，然而在进行测量的过程中需要两束 单色红外光并行工作，而实际生产线的限制使得两束红外光不能同时照射在同一区域，因 此厚度测量的准确性受到很大影响。

太赫兹(1THz＝1012Hz)波通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，处于微 波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：

1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即 同时得到幅度和相位信息；

2)太赫兹辐射对陶瓷、塑料、干木片等很多物质透射率高，可以用于这些材料的质量 控制；

3)太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐射，频率为1THz的电磁波的光子能量只有4mev， 是X射线的百万分之一，对人体危害极小，可以用于无损检测；

4)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技 术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10¹⁰；

5)太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。

太赫兹波对塑料等材料的高透射性，因此可广泛应用到塑料薄膜的无损、快速检测领 域。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜 厚度检测装置及方法，能够解决目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题、以及克服传统 方法测量精度低、响应速度慢及易受环境影响等缺点，进一步实时快速准确的进行塑料薄 膜厚度的检测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料 薄膜厚度检测装置，

飞秒激光器发射激光经第一反射镜之后照射到分束器上，被分成两束，其中一束激光 经光学延迟线和第二反射镜后照射到太赫兹发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波经第 一抛物面镜后被聚，透过IR滤波器后聚焦到样品台上，透过样品后被第二抛物面镜重新聚 焦到太赫兹探测器上；

另一束激光经第三反射镜和第四反射镜后透过第二抛物面镜上预留的小孔与第二抛物 面镜聚焦后的太赫兹波共线地照射到太赫兹探测器上；太赫兹探测器的输出的信号经太赫 兹时域系统控制器被传送到计算机进行进一步的数据处理；

所述的计算机通过太赫兹时域系统控制器控制光学延迟线；所述太赫兹时域系统控制 器通过一束调制激光控制IR滤波器。

所述的太赫兹发射器和太赫兹探测器均为DSTMS有机晶体，分别基于DSTMS有机晶体 的非线性产生和探测太赫兹波，其中，太赫兹发射器所产生的太赫兹波的频率范围 0.1THz-12THz。

所述的IR滤波器由太赫兹时域系统控制器产生的波长975nm、重复频率1KHz的激光调 制，以配合太赫兹探测器中的锁相放大器采集太赫兹信号。

一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测方法，包括以下步骤，

1)使用上述检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的塑料薄膜的信号，作为时 域的参考信号和样品信号，并分别作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱信号；

2)建立太赫兹波与薄膜样品相互作用的太赫兹传输函数模型；

3)根据被测塑料薄膜的厚度先验知识，确定待测样品厚度的变化范围[a,b]，并确定容 许误差tol；

4)若b-a＞tol，则继续步骤5)，否则塑料薄膜厚度跳转到步骤9)；

5)确定初始的厚度搜索空间[a₀,b₀]，其中a₀＝a，b₀＝b，计算初始试探点 p₀＝a₀+0.382(b₀-a₀)，q₀＝a₀+0.618(b₀-a₀)；

首先将p₀和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折 射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值 peak(p₀)；

然后将q₀和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折 射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值 peak(q₀)，并设置i:＝0；

6)若peak(p_i)≤peak(q_i)转步骤7)，否则转步骤8)；

7)计算左试探点：

若|q_i-a_i|≤tol，令塑料薄膜的厚度z＝p_i，转步骤9)；

否则令a_i+1:＝a_i，b_i+1:＝q_i，q_i+1:＝p_i，p_i+1:＝a_i+1+0.382(b_i+1-a_i+1)，peak(q_i+1):＝peak(p_i)， 将p_i+1和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数， 然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(p_i+1)， 并令i:＝i+1，转步骤6)；

8)计算右试探点：

若|b_i-p_i|≤tol，令塑料薄膜的厚度z＝q_i，转步骤9)；

否则令a_i+1:＝p_i，b_i+1:＝b_i，p_i+1:＝q_i，q_i+1:＝a_i+1+0.618(b_i+1-a_i+1)，peak(p_i+1):＝peak(q_i)， 将q_i+1和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数， 然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(q_i+1)， 并令i:＝i+1，转步骤6)；

9)停止计算，输出塑料薄膜厚度值z。

本检测方法采用黄金分割算法进行迭代优化，每次迭代只需计算一次被优化函数的值。

与现有的电容传感器薄膜厚度检测法和红外透射薄膜厚度检测法相比，

本发明基于太赫兹波对塑料等材料的高透射性，从而保证太赫兹波对塑料薄膜厚度检 测的灵敏度，此外基于薄膜样品与太赫兹波的相互作用模型可以很好的抑制多重反射造成 的影响，同时避免了进行标定，解决了目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题、以及克 服了传统方法测量精度低、响应速度慢及易受环境影响等缺点，能够实时快速准确的进行 塑料薄膜厚度的检测。

附图说明

图1是本发明原理示意图；

图2是本发明太赫兹波与薄膜样品相互作用示意图。

图中：1、飞秒激光器，2、第一反射镜，3、分束器，4、光学延迟线，5、第二反射镜， 6、太赫兹发射器，7、第一抛物面镜，8、IR滤波器，9、样品台，10、第二抛物面镜，11、 太赫兹探测器，12、第三反射镜，13、第四反射镜，14、太赫兹时域系统控制器，15、计 算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，其包括：飞秒 激光器1、第一反射镜2、分束器3、光学延迟线4、第二反射镜5、太赫兹发射器6、第一 抛物面镜7、IR滤波器8、样品台9、第二抛物面镜10、太赫兹探测器11、第三反射镜12、 第四反射镜13、太赫兹时域系统控制器14和计算机15；

飞秒激光器1发射激光经第一反射镜2之后照射到分束器3上，被分成两束，其中一 束激光经光学延迟线4和第二反射镜5后照射到太赫兹发射器6上产生太赫兹波，产生的 太赫兹波经第一抛物面镜7后被聚，透过IR滤波器8后聚焦到样品台9上，透过样品后被 第二抛物面镜10重新聚焦到太赫兹探测器11上；

另一束激光经第三反射镜12和第四反射镜13后透过第二抛物面镜10上预留的小孔与 第二抛物面镜10聚焦后的太赫兹波共线地照射到太赫兹探测器11上；太赫兹探测器11的 输出的信号经太赫兹时域系统控制器14被传送到计算机15进行进一步的数据处理；

所述的计算机15通过太赫兹时域系统控制器14控制光学延迟线4；所述太赫兹时域系 统控制器14通过一束调制激光控制IR滤波器8。

其中，太赫兹发射器6和太赫兹探测器11均为DSTMS有机晶体，分别基于DSTMS有机 晶体的非线性产生和探测太赫兹波，其中，太赫兹发射器6所产生的太赫兹波的频率范围 0.1THz-12THz。

其中，所述的IR滤波器8由太赫兹时域系统控制器14产生的波长975nm、重复频率 1KHz的激光调制，以配合太赫兹探测器11中的锁相放大器采集太赫兹信号。

本发明还包括一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜检测方法，具体步骤如下：

1)使用本发明所述的检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的塑料薄膜的信 号，作为时域的参考信号和样品信号，并分别作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱， 分别记为和其中ω为角频率；利用下式可以计算实验的传递函数

$H_{\mathrm{experiment}}\left(\omega \right)=\frac{E_{\mathrm{samp}}^{\mathrm{ex}}\left(\omega \right)}{E_{\mathrm{ref}}^{\mathrm{ex}}\left(\omega \right)}---\left(1\right)$

2)建立太赫兹波与薄样品相互作用的太赫兹传输函数模型；

根据电磁波与物质的相互作用原理，电磁波垂直入射到介质1和介质2界面上时将发 生透射和反射，透射系数T₁₂与反射系数R₁₂与介质1和介质2的复折射系数分别由公式(2) 和公式(3)定义：

$T_{12}=\frac{2{\tilde{n}}_1}{{\tilde{n}}_1+{\tilde{n}}_2}---\left(2\right)$

$R_{12}=\frac{{\tilde{n}}_2-{\tilde{n}}_1}{{\tilde{n}}_1+{\tilde{n}}_2}---\left(3\right)$

电磁波穿过厚度为z、折射系数为的材料后由电场强度由下式描述：

E(z)＝E_initP₁(z)   (4)

其中E(z)为在材料1中传播距离z后的电场，P₁(z)为电磁场在材料1中的传播系数， 与电磁场的频率ω和材料的光学参数有关，由公式(5)定义：

$P_1\left(z\right)=\exp \left(\frac{-\mathrm{j\omega }{\tilde{n}}_{1}z}{c_0}\right)---\left(5\right)$

公式中c₀＝3×10⁸m/s，为真空中的光速；

如图2所示，为太赫兹波在空气中传输过程中遇到厚度为z的介质1后，太赫兹波在材 料经过多次透射和反射后的传输过程示意图，设太赫兹发射器6到太赫兹探测器11的距离 为l，薄样品的厚度为z；当介质1的厚度足够大时，由于采样时间窗的限制，可以不用考 虑多重反射效应，此时透过后的太赫兹信号第①项即可；而当样品较薄时，由于厚度较小 的缘故会在太赫兹信号中引入多次反射造成的Fabry-Perot效应；此时透射过的信号应该 由①、②、③……所有项之和组成；即透射过厚度为z的样品后的样品信号为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{samp}}=E_{\mathrm{init}}{P}_0(l-z)P_1\left(z\right)T_{01}{T}_{10}+E_{\mathrm{init}}{P}_0(l-z){P_1}^3\left(z\right)T_{01}{T}_{10}{R}_{10}^2+\\ E_{\mathrm{init}}{P}_0(l-z){P_1}^5\left(z\right)T_{01}{T}_{10}{R}_{10}^4+......\\ =E_{\mathrm{init}}{P}_0(l-z)P_1\left(z\right)T_{01}{T}_{10}[1+\underset{i=1}{\overset{\delta }{\Sigma }}{\left(R_{10}^2{P_1}^2\left(z\right)\right)}^i]\end{array}\right)---\left(6\right)$

由上式可得，太赫兹波与物质相互作用时，理论传递函数的表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{theory}}=\frac{E_{\mathrm{samp}}}{E_{\mathrm{init}}}\\ =P_0(l-z)P_1\left(z\right)T_{01}{T}_{10}[1+\underset{i=1}{\overset{\delta }{\Sigma }}{\left(R_{10}^2{P_1}^2\left(z\right)\right)}^i]\end{array}\right)---\left(7\right)$

其中δ为多次反射系数，此整数可以通过以下方法进行确定。样品介质的折射系数的平 均值可以决定样品时域信号的峰值的延迟时间，当太赫兹波通过样品时，参考信号的峰值 被延迟，这是因为在样品中的折射率与空气中折射率的不同Δn＝n₁-n₀所造成，这样延迟时 间Δt可以由下式计算：

$\mathrm{\Delta t}=\frac{\mathrm{l\Delta n}}{c_0}---\left(8\right)$

设t_max是取样时间窗长度，太赫兹波在介质中的传播速度在样品内部，太赫兹波的 传播遵循以下规律：

$t_{\max }>\frac{n_1}{c_0}(1+2\delta )---\left(9\right)$

由上式可得：

$\delta <\frac{\frac{c_0{t}_{\max }}{n_1}-1}{2}---\left(10\right)$

δ取满足上式的最大的整数值。

令H_theory＝H_experiment(ω)，分别比较其实部和虚部，可以得到两个方程，当公式中的样品 的厚度值已知时，可以联立两个方程，求出物质的折射系数n(ω)；

3)根据被测塑料薄膜的厚度先验知识，确定待测样品厚度的变化范围[a,b]，并确定容 许误差tol；

4)若b-a＞tol，则继续步骤5)，否则塑料薄膜厚度跳转到步骤9)；

5)确定初始的厚度搜索空间[a₀,b₀]，其中a₀＝a,b₀＝b，计算初始试探点 p₀＝a₀+0.382(b₀-a₀)，q₀＝a₀+0.618(b₀-a₀)；

首先将p₀和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折 射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值 peak(p₀)；

将q₀和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系 数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值 peak(q₀)；并设置i:＝0；

6)若peak(p_i)≤peak(q_i)转步骤7)，否则转步骤8)；

7)计算左试探点：

若|q_i-a_i|≤tol，令塑料薄膜的厚度z＝p_i，转步骤9)；

否则令a_i+1:＝a_i，b_i+1:＝q_i，q_i+1:＝p_i，peak(q_i+1):＝peak(p_i)，p_i+1:＝a_i+1+0.382(b_i+1-a_i+1)， 将p_i+1和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数， 然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(p_i+1)， 并令i:＝i+1，转步骤6)；

8)计算右试探点：

若|b_i-p_i|≤tol，令塑料薄膜的厚度z＝q_i，转步骤9)；

否则令a_i+1:＝p_i，b_i+1:＝b_i，p_i+1:＝q_i，peak(p_i+1):＝peak(q_i)，q_i+1:＝a_i+1+0.618(b_i+1-a_i+1)， 将q_i+1和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数， 然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(q_i+1)， 并令i:＝i+1，转步骤6)；

9)停止计算，输出塑料薄膜厚度值z。

本发明提出的方法采用黄金分割算法进行迭代优化，每次迭代只需计算一次被优化函 数的值，可以有效减小每次迭代的计算复杂度，每次迭代将搜索空间缩小为原来的0.618 倍。

综上所述，本发明基于太赫兹波对塑料等材料的高透射性，从而保证太赫兹波对塑料 薄膜厚度检测的灵敏度，此外基于薄膜样品与太赫兹波的相互作用模型可以很好的抑制多 重反射造成的影响，同时避免了进行标定，解决了目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问 题、同时克服了传统方法测量精度低、响应速度慢及易受环境影响等缺点，能够实时快速 准确的进行塑料薄膜厚度的检测，可广泛应用于塑料薄膜的无损、快速检测领域。