Пристрій для вимірювання товщини прозорої плівки

Винахід відноситься до контрольно-вимірювальної апаратури, призначеної для контролю товщини рухомої полімерної плівки в процесі виробництва. В умовах те хнологічної лінії необхідно забезпечити безконтактне дистанційне вимірювання товщини плівки, що р ухається, з точністю на рівні 0,1мкм. Використання досить розповсюджених радіаційних датчиків, що грунтуються на поглинанні полімерною плівкою бета- або альфа-випромінювання радіоізотопів, не є небезпечними для довкілля і здоров'я обслуговуючого персоналу. Пневматичні датчики товщини плівки [1,2] мають високу чутливість до зовнішніх факторів, в першу чергу, складу і температури повітря, що знижує їх надійність. Необхідну точність дистанційного вимірювання товщини рухомої плівки здатні забезпечити оптичні, зокрема, інтерферометричні пристрої. Відомий ряд інтерферометричних вимірювачів [3-7], в яких використовується зв'язок товщини з спектром відбиття випромінювання. Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, є пристрій [7]. Відомий пристрій включає засоби формування зондувального світлового пучка від низькокогерент-ного джерела і спрямування вказаного пучка на вимірювану плівку; перший частково прозорий відбивач і другий відбивач, між якими розміщується плівка; засоби збирання світла і фотоприймач зібраного світлового сигналу для визначення часу затримки між світлом, відбитим від передньої та задньої поверхонь плівки, і зміни оптичного шляху між першим та другим відбивачами за рахунок розміщеної між ними плівки. У першому варіанті здійснення пристрою фотоприймач включає оптичний автокорелятор на основі інтерферометра Майкельсона. Недоліком відомого пристрою, який визначає різницю оптичного шляху між відбитими передньою та задньою поверхнями плівки світловими пучками, є низький рівень сигналу внаслідок малого коефіцієнту відбиття (-4% при кутах падіння близьких до нормального) поверхонь прозорих полімерних плівок. Крім того, відомий пристрій чутливий до коливань плівки в процесі її руху. В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою для вимірювання товщини прозорої плівки, який забезпечував би високу надійність в умовах виробничої лінії і підвищену точність. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій виконано за схемою двоплечо-вого дзеркального інтерферометра, оптичні елементи якого закріплені на плиті, що має проріз, в який вводиться вал, що огинається рухомою плівкою, так, що у вимірювальний пучок вноситься зсув по фазі двома товщинами плівки, і вказана плита має засоби пересування вздовж осі валу. Пристрій реєструє інтерференцію не відбитих від дво х поверхонь прозорої плівки променів, а опорного та вимірювального пучків при проходженні останнього через плівку, розташовану у вимірювальному плечі системи, і забезпечує інтерференційну картину високого контрасту і великої яскравості, причому точність визначення різниці оптичного шляху підвищується за рахунок проходження вимірювального пучка через два шари плівки. Суть винаходу пояснюється кресленням. Пристрій для вимірювання товщини плівки побудований за принциповою схемою інтерферометра Майкельсона і включає: джерело білого світла 1, конденсор 2, світлоподільник 3, дзеркала опорного 4 і вимірювального 5 плечей, об'єктив 6 і фотоприймач 7. Всі оптичні елементи закріплені на масивній несучій плиті 8, що має проріз шириною а, в який вільно входить вал 9, що обертається і протягує плівку 10, яка рухається у прямому і зворотному напрямках. Плита 8 має засоби пересування (не кресленні не показані) вздовж осі валу 9 для забезпечення вимірювань товщини плівки по всій ширині полотна. Пристрій працює наступним чином. Світло від джерела світла 1, наприклад, лампи розжарювання, пройшовши конденсор 2, паралельним пучком падає на світлоподільну пластину 3 з нанесеним напівпрозорим покриттям. Інтерференційний фільтр 11 вводиться у світловий пучок при градуюванні шкали вимірювальної системи. Компенсаційна пластина 12 необхідна для вирівнювання різниці ходу в склі пластини світло-подільника 3 при спостереженні смуг у білому світлі. При настроюванні пластину 12 встановлюють під таким кутом до пластини 3, щоб домогтися чорної ахроматичної смуги і симетричного розташування кольорових смуг. Опорний і вимірювальний пучки відбиваються від дзеркал 4 і 5, зводяться світлоподільником 3, на виході якого має місце інтерференція, картина якої передається об'єктивом б на просторово чутливий фотоприймач 7, наприклад, ПЗЗ матрицю. В площині фотоприймача 7, оптично спряженій з дзеркалами 4 і 5, локалізуються смуги рівної товщини. Дзеркало 4 можна нахиляти відносно вертикальної осі і тим самим змінювати ширину смуг. Дзеркало 5 має п'єзотранслятор 13 для настроювання діапазону вимірювань. При зміні товщини плівки в зоні проходження зондувального променя на поверхні фотоприймача зміщується картина смуг. Ахроматична смуга виконує роль індексу, по якому відраховується зсув картини щодо вихідного стану й усуває неоднозначність вимірів. При незмінній кількості пікселів фотоприймача ціна пікселя є змінною і залежить від ширини інтерференційних смуг. Ціна ж інтерференційних смуг не залежить від їхньої ширини і дорівнює 0,5'k. В опорний канал може додатково вводитися еталонний зразок плівки 14, по якому в процесі виробництва визначається відхилення товщини плівки від заданої. У даній конфігурації зондувальний промінь чотири рази проходить через плівку і, з огляду на те, що коефіцієнт заломлення світла полімерних плівок знаходиться поблизу 1,5 і, приймаючи довжину хвилі світла рівною 0,5 мкм, одержимо зсув картини на одну смугу при зміні товщини плівки на 0,25 мкм. Похибка визначення зсуву інтерференційних смуг найпростішими методами складає 0,1 від ширини смуги, тобто точність вимірювань товщини плівки за наведеною схемою не гірше 0,025 мкм. Джерела інформації 1. Битюков В.К., Чертов Е.Д., Рыжков В.В. Пневматическое устройство для измерения толщины полимерной пленки. Патент РФ № 94026869, МПК7 G01B13/06,1996. 2. Wisspeintner К., Sellen M., Seikowsky Α., Dumberger M. Non-contact film thickness gauging sensor. Патент США №6318153, МПК7 G01B13/04, 2001. 3. Белов М.Л., Березин СВ., Городничев В.А., Козинцев В.И. Дистанционный способ измерения толщины пленок. Патент РФ №2168151, МПК7 G01B11/06, 2001. 4. Flournoy P.A. Interferometric optical phase discrimination apparatus. Патент США №3319515, 1967. 5. Venkatesh S., Sorin W.V., Heffher B.L. System for measuring film thickness. Патент США №5610716, МПК7 G01B11/06,1997. 6. Sorin W. V. Apparatus for measuring the thickness of a moving film utilizing an adjustable numerical aperture lens. Патент США №5473432, МПК6 G01B9/02,1995. 7. Venkatesh S., Sorin W.V., Heffher B.L. System for determining the thickness and index of refraction of a film. Патент США №5633712, МПК7 G01B11/06, 1997.