ДИСТАНЦИОННЫЙ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК
REMOTE FOUR-WAVE METHOD FOR MEASUREMENT OF THIN FILM THICKNESS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного контроля толщины пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п.
Известны способы измерения толщины тонкой пленки на поверхности материала [1, 2], заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение на нескольких длинах волн, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны.
1,2,3
1,2,3
1
2
3
2
2
Наиболее близким к предлагаемому является дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок [2], заключающийся в том, что поверхность облучают оптическим излучением на трех длинах волн λ, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн λ, выбранных так, чтобы λ=λ-Δλ, λ=λ+Δλ, причем Δλ, выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства  где n - показатель преломления пленки.
Недостатком этого способа является его неустойчивая работа при наличии случайных ошибок величин измеряемых сигналов (которые всегда имеют место из-за погрешности измерений, шумов приемного тракта и т.п.). Это приводит к необходимости использования очень длительного усреднения входных сигналов (для подавления случайных ошибок величин измеряемых сигналов). Однако длительное усреднение входных сигналов может быть использовано только в случае очень медленного изменения толщины измеряемой пленки (иначе оно вызывает искажение определяемой толщины).
1,2,3,4
1,2,3,4
1
2
3
2
2
4
Избежать этого можно тем, что согласно дистанционному способу измерения толщины тонких пленок поверхность облучают оптическим излучением на четырех длинах волн λ, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн λ, выбранных так, чтобы λ=λ-Δλ, λ=λ+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства  где n - показатель преломления тонкой пленки; а дополнительно используемая четвертая длина волны λ выбирается из условия
Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".
Указанные признаки неизвестны в научно-технической и патентной литературе и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
1,2,3,4
1,2,3,4
Предлагаемый способ можно реализовать с помощью устройства, содержащего источник излучения 1, направляющего излучение четырех длин волн λ на поверхность; фотоприемник 2 для регистрации излучения на четырех длинах волн; блок обработки 3 для определения по результатам измерения отраженного от поверхности сигнала на четырех длинах волн λтолщины пленки 4 на поверхности материала подложки 5 (см.фиг.1).
1,2,3,4
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1 на каждой из длин волн λ отражается поверхностью материала пленки 4 (толщиной d) и подложки 5, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок обработки 3 для определения по результатам измерения величины d.
1,2,3
1
2
3
2
2
4
Длины волн λ выбираются так, чтобы λ=λ-Δλ, λ=λ+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства  где  n - показатель преломления тонкой пленки. Длина волны λ выбирается из условия
1,2,3,4
1,2,3,4
Фотоприемник 2 регистрирует мощности излучения P(λ) на четырех длинах волн λ. Каждая из этих мощностей может быть представлена в виде (см., например, [3]):
ref
P(λ)=AR(λ,d),
ref
ref
где R(λ,d) - коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки», зависящий от длины волны λ и толщины d; A - величина, зависящая от параметров источника излучения, приемника, расстояния до поверхности, неровностей поверхности и слабо (по сравнению с множителем R(λ,d)) изменяющаяся с изменением длины волны излучения.
Чтобы устранить влияние на результаты измерения случайных изменений мощности лазерных источников и неопределенности величин А, в блоке обработки 3 проводятся последовательно следующие процедуры:
1,2,3,4
s
1,2,3,4
1,2,3,4
- мощности P(λ) нормируются соответственно на мощности P(λ), излучаемые источником на длинах волн λ:
- вычисляются относительные величины:
1,3,4
1
2
3
2
4
2
Величины B с высокой степенью точности представляют собой отношение коэффициентов отражения поверхности с пленкой (трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки») на длинах волн λ, λ; λ, λ и λ, λ соответственно и определяются для тонких пленок следующим образом (см., например, [2, 4]):
где:
12
23
12
23
r(λ), r(λ) - коэффициенты отражения на границах «воздух - пленка» и «пленка - подложка», зависящие от длины волны λ и показателей преломления и поглощения сред и не зависящие от толщины пленки d. Выражение (1) справедливо при r(λ)<<1 или r(λ)<<1.
1
3
4
1
2
1
3
1
3
Из-за периодического характера тригонометрических функций, входящих в (1), по результатам измерений только одной величины В (или В, или В) толщину пленки d можно однозначно определить лишь для пленок толщиной несколько десятых долей микрометра. Способ [2] позволяет в несколько раз увеличить диапазон измеряемых величин d. Физической основой способа [2] является измерение разности набега фаз в пленке (величины Δβ) для длин волн λ, λ (или λ, λ). Величина Δβ определяется по данным измерений (величинам В и В) из системы двух уравнений [2]:
где:
1
3
Левые части (2), (3) содержат данные измерений (В и В) и оптические константы
12
1,3
23
1,3
2
(r(λ), r(λ), а правые части (2), (3) содержат оптические константы и две группы неизвестных (поскольку d неизвестна) тригонометрических функций: тригонометрические функции с аргументом 2β(λ, d) и тригонометрические функции с аргументом Δβ.
1
3
2
2
2
2
Если величины B и В измерены точно (без случайных ошибок или с крайне незначительными ошибками), то решение системы двух уравнений (2), (3) позволяет найти два неизвестных sin[Δβ] и sin[2β(λ,d)], (sin[2β(λ,d)] является вспомогательной величиной, необходимой для нахождения sin[Δβ]), и по найденным значениям sin[Δβ] определить толщину пленки d на интервале однозначности функции sin[Δβ]. Условие однозначности sin[Δβ] эквивалентно условию  - или  Например, при λ=1,43 мкм для пленки нефти величина n(λ)≈1,5 и для Δλ=0,1 мкм имеем: d≤1,6 мкм [2].
1
3
В большинстве практических задач величины В и В известны со случайной ошибкой, обусловленной погрешностями измерения, шумами аппаратуры и т.п., и нет возможности длительного усреднения входных сигналов. В этих условиях (из-за случайных ошибок величин измеряемых сигналов) определить толщину пленки d из решения системы двух уравнений (2), (3) удается только с большими погрешностями (десятки и сотни процентов).
1
3
Это связано с неустойчивостью решения системы двух нелинейных уравнений (2), (3) при наличии случайных изменений величин В и В.
4
Для устранения этой неустойчивости необходимо использование дополнительной информации о решении. Такую дополнительную информацию можно получить, используя дополнительную длину волны излучения λ, выбранную из условия:
или
4
4
2
4
2
Использование такой дополнительной длины волны излучения λ позволяет по данным измерений величины B провести дополнительное независимое определение знака и величины cos[2β(λ,d)] (величины cos[2β(λ,d)] и cos[2β(λ,d)] в выражении (1) связаны между собой условием (4)).
4
Таким образом, описанный способ позволяет путем использования дополнительного измерения на длине волны λ обеспечить устойчивую работу способа измерения толщины тонких пленок при наличии случайных ошибок величин измеряемых сигналов.
Предлагаемый четырехволновой способ позволяет найти толщину пленки d по результатам измерений, не только решая в блоке обработки (например, используя спецпроцессор) систему нелинейных уравнений вида (1)-(3), но и более простым способом - непосредственно из данных измерений, используя численный алгоритм определения d, основанный на поиске минимума невязки:
1,3,4
1,2,3,4
1
1
2
mod
3
2
3
mod
4
2
4
mod
где: B - нормированные величины, определяемые из данных измерений на длинах волн λ; B(λ,λ,d), B(λ,λ,d), B(λ,λ,d) - модельные значения соответствующих величин, зависящие от толщины d (представляющие собой правые части формул (1)).
На фиг.2, 3 приведены результаты математического моделирования работы четырехволнового способа измерения толщины тонких нефтяных пленок при относительном среднеквадратическом значении шума измерения 1%. На фиг.2 показана одна из реализаций зависимости найденного (определенного численным алгоритмом (5)) значения толщины пленки d от заданного при моделировании значения толщины пленки для d≤1,6. На фиг.3 приведены для этого случая результаты расчета среднеквадратичной относительной (в %) погрешности Е определения толщины пленки.
4
Таким образом, описанный способ позволяет путем использования дополнительного измерения на длине волны λ обеспечить устойчивую работу способа измерения толщины тонких пленок в реальных условиях, когда шум измерения составляет единицы процентов.
Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля толщины тонких пленок нефтепродуктов, что особенно важно в очистных сооружениях при контроле степени очистки воды.
Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонентов и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Method for film thickness and refractive index determination. United States Patent №4909631. March 20, 1990.
2. Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок. Патент РФ на изобретение №2304759, кл. G01B 11/06, G01N 21/17.
3. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды.
/ Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л. и др. М.: Изд-во МГТУ, 2002, 528 с.
4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 855 с.