串连差分白光干涉法测量金属极薄带厚度

　　1 引 言

　　机械精密细微加工和检测技术是国家中长期科技发展规划纲要和十一五规划中鼓励发展的先进制造技术。目前经过精密加工的 1～100 μm 厚度的金属薄带的一个重要应用场合是在我国的惯性约束聚变(ICF)靶材料制备研究中[1]，同时作为高附加值产品，在许多工业生产中也有广泛应用。为了得到符合基础研究和工业应用要求的精密箔带材，研究高精度的测厚技术和相关的测厚设备显得尤为关键。直至目前，超薄金属箔带厚度测量仍然没有标准，但厚度参数却是金属箔带的重要质量指标。因此，实时测厚技术是提高国内超薄金属精密带材数量和质量必不可少的关键技术。

　　目前，国内外测厚方面的主要技术有：隧道电流法测氧化物厚度[2]，对由激光产生的兰姆波进行小波变换测厚[3]。但这些方法主要适用于实验室研究而很难直接应用于在线实时测量的工程中;射线法测量厚度[4-5]根据同种金属不同厚度的箔带与射线作用程度的不同可测量出箔带的厚度。由于不同金属与射线的作用程度(吸收、色散)各不相同，因此测量时对每种金属都需要用各自的标准片进行标定(多重标定)，实际应用比较复杂，而且射线的高危险性也限制了其广泛使用;另外，利用电涡流效应也可测量厚度[6]。这是一种较广泛使用的技术，安全、方便。但由于电涡流效应与金属种类有关，该方法对部分金属失效，对那些有效的金属，被测对象厚度不能太薄，同时也存在多重标定问题;利用超声波测厚中也存在被测对象厚度不能太薄的问题[7];利用白光干涉测量透明薄膜的厚度[8-10]，限制是被测对象必须是透明的。但对于利用白光干涉测量非透明物质厚度的技术目前还未见报道或文献。在对测厚系统及白光干涉仪深入研究的基础上，本文提出一种新型的串连差分白光干涉测厚技术，在此基础上可开发出高效、精确在线超薄金属箔带测厚系统，它的非接触性，不会给被测件带来表面损伤和附加误差;同时系统的调节方便，结构紧凑，有望作为将来微米级金属箔带生产的关键检测设备。

　　2 测量系统与基本原理

　　2.1 测量系统

　　串连差分白光干涉金属超薄带测厚系统由白光光源、白光干涉和信号接收和处理三部分组成，如图1 所示。光源采用 20 W 发光稳定的卤钨灯，透镜 L1～L4焦距均为 10 mm，光谱仪接收系统采用 USB2000 光纤光谱仪(OceanOptics Inc)，连接光纤采用芯径为 0.3 mm 的石英单根多模光纤。由光源发出的白光进入光纤串连的两个 Michelson 干涉仪Ⅰ、Ⅱ组成的干涉系统，差分干涉后由光谱仪接收系统接收光谱信号，即光强相对波长的分布信息，将此分布曲线输送到信号处理器 PC 机中进行分析运算，可以求得金属超薄带厚度。