專利名稱：一種復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空鍍膜光學(xué)膜厚監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種復(fù)合光 路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，屬真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景'
在真空鍍膜過程中，需要準(zhǔn)確監(jiān)控鍍制薄膜的膜層厚度，光學(xué)膜 厚監(jiān)控方法是一種重要的技術(shù)手段，尤其是對于光學(xué)鍍膜。光學(xué)膜厚 監(jiān)控方法主要有極值法和寬光譜掃描法。其中極值法是利用薄膜在膜
厚達(dá)l/4中心波長時，中心波長點的透射率(反射率)達(dá)到極值的性 質(zhì)來監(jiān)控膜厚，簡單易行，但依賴鍍膜經(jīng)驗，并只能監(jiān)控單波長的透 射光(反射光)強度，難以進(jìn)行非規(guī)整膜系的膜厚監(jiān)控。寬光譜掃描 法是在鍍膜過程中實時掃描鍍制薄膜的光譜特性，利用不同的膜層厚 度對應(yīng)著不同的光譜特性，以評價函數(shù)來比較實測光譜曲線與理論光 譜曲線進(jìn)行膜厚監(jiān)控和鍍膜過程分析，可在光學(xué)鍍膜過程中得到豐富 的鍍制薄膜的寬光譜信息，精確監(jiān)控各種膜系光學(xué)薄膜的膜厚。
兩種方法各有利弊，各有所長。目前傳統(tǒng)的光學(xué)鍍膜設(shè)備大都配 置基于極值法的光學(xué)膜厚控制儀，采用垂直光路或傾斜光路，選擇進(jìn) 行透射式或反射式光學(xué)膜厚監(jiān)控。為了滿足非規(guī)整膜系光學(xué)鍍膜制備 要求，提高膜厚監(jiān)控同一性和自動化，發(fā)展了寬光譜膜厚監(jiān)控技術(shù)并 配置在先進(jìn)的光學(xué)鍍膜設(shè)備上。現(xiàn)有的寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其光路 系統(tǒng)仍是借鑒極值法光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，即采用基本相同的光路系 統(tǒng)，只是在光路出口位置將接收光信號的光學(xué)膜厚控制儀，改為光譜儀，由于無需光信號調(diào)制濾波， 一般都去除了原光路中的調(diào)制器，但 需提高光源的發(fā)光強度以降低雜散光的影響。由此產(chǎn)生光路結(jié)構(gòu)上的 區(qū)別，使得這兩種光學(xué)膜厚監(jiān)控方法無法被同時采用，也難以對鍍膜 設(shè)備的膜厚監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行更換或升級改造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)基于寬光譜 掃描法的寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)和基于極值法的光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的 兼容并用。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括光發(fā)射裝置、 光路、光接收裝置、控制電路、計算機和監(jiān)控軟件。其中光發(fā)射裝置 包括光源、調(diào)制器及驅(qū)動電路，光接收裝置包括光譜儀和光學(xué)膜厚控 制儀。
一種復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于在光路系統(tǒng)中設(shè) 置復(fù)合光路，利用復(fù)合光路的兼容性，使基于寬光譜掃描法的寬光譜 膜厚監(jiān)控和基于極值法的光學(xué)膜厚監(jiān)控實現(xiàn)兼容并用。
所述的復(fù)合光路，包括發(fā)射光路和接收光路，并在發(fā)射光路和接 收光路之間設(shè)置監(jiān)控比較片、分光鏡、光源修正濾光片和連接件，其 中分光鏡和濾光片固定在連接件上。復(fù)合光路置于發(fā)射裝置和接收裝 置之間，并通過光纖與接收裝置相連接。
復(fù)合光路包括采用垂直光路或傾斜光路，可選擇進(jìn)行透射式或反 射式光學(xué)膜厚監(jiān)控，并在由發(fā)射光路和接收光路組成的光學(xué)膜厚監(jiān)控 光路中，通過增加中間通光孔式的分光鏡，將監(jiān)測光信號一分為二，其中一路監(jiān)測光信號經(jīng)過反射后，耦合到光纖中，再會聚進(jìn)入光學(xué)膜 厚控制儀中，另一路監(jiān)測光信號透射中間的通光孔，經(jīng)過光源修正濾 光片后，耦合到光纖中，再會聚進(jìn)入光譜儀中，由系統(tǒng)監(jiān)控軟件進(jìn)行 信號采集和處理，進(jìn)行寬光譜膜厚監(jiān)控。
所述的分光鏡，是中間開一通光孔的反射鏡，使反射的監(jiān)測光信 號滿足光學(xué)膜厚監(jiān)控要求，同時使透射的監(jiān)測光信號滿足寬光譜膜厚 監(jiān)控要求。由于通光孔的孔徑較小， 一方面不會降低進(jìn)入光學(xué)膜厚控 制儀的監(jiān)測光信號強度，另一方面通光孔位于復(fù)合光路光軸上，起到 光闌的作用，使得光纖接收光錐角變的很小，只有接近垂直入射的光 才能耦合進(jìn)光纖中，基本消除鍍膜過程中雜散光對寬光譜膜厚監(jiān)控的 影響。
所述的光譜儀，為采用線性硅CCD陣列類探測器的光譜儀，通 過USB接口或RS232接口與計算機相連，選擇采用積分方式采集光 譜，則無需去除、停止或改變光學(xué)膜厚監(jiān)控光路中進(jìn)行光信號調(diào)制的 調(diào)制器，只是使入射光譜儀的監(jiān)測光信號產(chǎn)生一定的強度衰減，因此 復(fù)合光路兼容了完整的光學(xué)膜厚監(jiān)控光路，從而同時適用于光學(xué)膜厚 監(jiān)控和寬光譜膜厚監(jiān)控。
所述的監(jiān)控軟件安裝在計算機中，主要用于寬光譜膜厚監(jiān)控，實 時的對監(jiān)測光譜信號進(jìn)行采集、處理和計算分析，直觀的顯示鍍膜過 程中實測光譜曲線和理論光譜曲線的吻合逼近程度，準(zhǔn)確地顯示制備 過程中光學(xué)特性的變化，包括某一特定波長透射率/發(fā)射率的絕對值 和變化趨勢，準(zhǔn)確的反映膜厚的真實變化，以評價函數(shù)來進(jìn)行光學(xué)鍍 膜過程中的膜厚監(jiān)控和過程判斷。所述的控制電路，通過信號線和電纜線，分別與計算機和鍍膜設(shè) 備相連。根據(jù)計算機和監(jiān)控軟件輸出信號分別控制鍍膜設(shè)備上的不同 電源、控制開關(guān)和裝置等，實現(xiàn)鍍膜過程的自動控制和膜厚的高精度 控制。
本發(fā)明所提出的復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，利用復(fù)合光路的 兼容性，實現(xiàn)了基于寬光譜掃描法的寬光譜膜厚監(jiān)控和基于極值法的 光學(xué)膜厚監(jiān)控的兼容并用。大大提高了鍍膜設(shè)備光學(xué)膜厚控制系統(tǒng)的 可選擇配置的靈活性，既有助于對傳統(tǒng)光學(xué)鍍膜設(shè)備膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的 改造升級，也有助于滿足先進(jìn)光學(xué)鍍膜設(shè)備的配套需要，提高鍍膜設(shè) 備的性價比和先進(jìn)性。通過這兩種不同膜厚監(jiān)控技術(shù)的相互結(jié)合和對 比分析，豐富了鍍膜過程中的膜厚監(jiān)控技術(shù)手段和鍍制薄膜光學(xué)特性 信息，將鍍膜經(jīng)驗與薄膜特性實時監(jiān)控有機結(jié)合起來，有助于鍍膜人 員更好地學(xué)習(xí)和掌握兩種不同光學(xué)膜厚監(jiān)控技術(shù)，并根據(jù)鍍膜工藝要 求選擇最佳的膜厚監(jiān)控方法，提高對鍍膜過程的精確控制，從而提高 鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)復(fù)合光路圖3為本發(fā)明的分光鏡示意圖4為本發(fā)明的分光鏡的反射光譜。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖具體說明，
如圖1所示，本發(fā)明提出一種復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括光
發(fā)射裝置l、光路2、光接收裝置3、控制電路4、計算機和監(jiān)控軟件 5。其中光發(fā)射裝置1包括光源11、調(diào)制器12及驅(qū)動電路13，光路 2包括復(fù)合光路21和其他光路附件22，光接收裝置3包括光譜儀31 和光學(xué)膜厚控制儀32，分別均通過光纖221和222與光路相連接。 光譜儀31為采用線性硅CCD陣列類探測器的光譜儀，通過USB接 口或RS232接口與計算機和監(jiān)控軟件5相連?？刂齐娐?也分別與 計算機和監(jiān)控軟件5和鍍膜設(shè)備6相連，通過計算機控制鍍膜設(shè)備的 不同功能運行。
如P 2所示，在光路系統(tǒng)中設(shè)置復(fù)合光路21，復(fù)合光路置于發(fā) 射裝置和接收裝置之間，并通過光纖與接收裝置相連接。復(fù)合光路包 括發(fā)射光路211、監(jiān)控比較片212、分光鏡213、光源修正濾光片214、 連接件215和接收光路216。
本例中，復(fù)合光路2采用的是在由發(fā)射光路、監(jiān)控比較片和接收 光路組成的垂直透射式光學(xué)膜厚監(jiān)控光路中，增加中間通光孔式的分 光鏡、濾光片，分光鏡和濾光片都固定在連接件上。該連接件還與兩 路光纖相連接，通過光纖221連接光譜儀31，通過光纖222連接光 學(xué)膜厚控制儀32。
需要說明的是復(fù)合光路可以選擇采用垂直光路或傾斜光路，也可 選擇進(jìn)行透射式或反射式光路，均屬于本專利保護(hù)范圍。
如圖3所示，分光鏡213為中間開一通光孔的反射鏡。本例中采 用的是50mn^50mii^2mm的鍍鋁鏡片，反射率曲線如圖4所示。在 反射鏡中心點的通光孔，位于復(fù)合光路的光軸上。分光鏡45。傾斜放置，將監(jiān)測光信號分為反射和透射兩路信號， 一路經(jīng)過反射，滿足光 學(xué)膜厚監(jiān)控要求， 一路經(jīng)過通光孔透射，同時進(jìn)行寬光譜膜厚監(jiān)控。
光源修正濾光片214是特定膜系的鍍膜鏡片，針對不同的光源發(fā) 光特性，滿足特定光譜透過率要求，使光譜儀在光譜范圍內(nèi)的光譜相 應(yīng)趨向平坦。
本例中，復(fù)合光路保留了完整的光學(xué)膜厚監(jiān)控光路，光源仍采用 6V30W溴鎢燈，在實際操作過程中，光發(fā)射裝置中溴鎢燈光源發(fā)出 的光，首先經(jīng)過發(fā)射光路211中的聚光鏡組進(jìn)行光束聚集，然后經(jīng)調(diào) 制器后成為調(diào)制光，再經(jīng)過發(fā)射光路211中的分光鏡將小部分光反射 和準(zhǔn)直鏡后成為平行光，進(jìn)入鍍膜機，在監(jiān)控比較片上透射成為信號 光，并從鍍膜機下方射出，經(jīng)過45。傾斜放置的通光孔式分光鏡2B， 將監(jiān)測光信號一分為二，其中一路監(jiān)測光信號經(jīng)過反射后，監(jiān)測光信 號偏轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過會聚鏡組成的接收光路216，水平會聚耦合到光纖 中，再會聚進(jìn)入光學(xué)膜厚控制儀中，另一路監(jiān)測光信號透射中間的通 光孔和濾光片214，再耦合到光纖中，會聚進(jìn)入光譜儀中，同時進(jìn)行 寬光譜膜厚監(jiān)控。本發(fā)明利用復(fù)合光路的兼容性，實現(xiàn)了基于寬光譜 掃描法的寬光譜膜厚監(jiān)控和基于單波長極值法的光學(xué)膜厚監(jiān)控的兼 容并用，滿足光學(xué)鍍膜設(shè)備的改造升級和配套需要。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，包括光發(fā)射裝置、光路、光接收裝置、控制電路、計算機和監(jiān)控軟件，其特征是在光路系統(tǒng)中設(shè)置復(fù)合光路(21)，復(fù)合光路置于發(fā)射裝置(1)和接收裝置(3)之間，并通過光纖與接收裝置相連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是 復(fù)合光路(21)包括發(fā)射光路(211)和接收光路(216)，在發(fā) 射光路和接收光路之間設(shè)置監(jiān)控比較片(212)、分光鏡(213)、 光源修正濾光片(214)和連接件(215)，分光鏡和濾光片固定 在連接件上。
3、 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是 光發(fā)射裝置(1)包括光源(11 )、調(diào)制器(12)和驅(qū)動電路(13)， 調(diào)制器置于發(fā)射光路中。
4、 如權(quán)利要求l所述的復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是 光接收裝置(3)包括光譜儀(31)和光學(xué)膜厚控制儀(32)， 光譜儀和光學(xué)膜厚控制儀均通過光纖與復(fù)合光路(21)相連接。
5、 如權(quán)利要求4所述的復(fù)光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是所 述的光譜儀(31)，通過USB接口或RS232接口與計算機相連 接。
6、 如權(quán)利要求5所述的復(fù)光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是所 述的光譜儀(31)為線性硅CCD陣列探測器的光譜儀。
7、 如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是所述的復(fù)合光路(21)，包括采用垂直光路線或傾斜光路， 在由發(fā)射光路(211)和接收光路(216)組成的光學(xué)膜厚監(jiān)控 光路中，通過增加中間通光孔式的分光鏡(213)，將監(jiān)測光信 號一分為二，其中一路監(jiān)測光信號經(jīng)過反射后，耦合到光纖中， 再會聚進(jìn)入光學(xué)膜厚控制儀(32)中，另一路監(jiān)測光信號透射 中間的通光孔，經(jīng)過光源修正濾光片后，耦合到光纖中，再會 聚進(jìn)入光譜儀(31)中，由系統(tǒng)監(jiān)控軟件進(jìn)行信號采集和處理， 進(jìn)行寬光譜膜厚監(jiān)控。
8、 如權(quán)利要求7所述的復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是 所述的分光鏡(213)為中間開丫通光孔的反射鏡，設(shè)置在復(fù)合 光路光軸上45。傾斜位置，分別反射和透射監(jiān)測光信號。
9、 如權(quán)利要求1所述的復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是 控制電路(4)通過信號線和電纜線，分別與計算機和鍍膜設(shè)備 相連。
全文摘要
本發(fā)明提出一種復(fù)合光路寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，包括光發(fā)射裝置、復(fù)合光路、光接收裝置、控制電路、計算機和監(jiān)控軟件。其中光發(fā)射裝置包括光源、調(diào)制器和驅(qū)動電路，光接收裝置包括通過光纖連接的光譜儀和通過光纖連接的光學(xué)膜厚控制儀。本發(fā)明采用增加中間通光孔式的分光鏡的復(fù)合光路，實現(xiàn)基于寬光譜掃描法的寬光譜膜厚監(jiān)控系統(tǒng)和基于單波長極值法的光學(xué)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的兼容并行使用。
文檔編號C23C14/54GK101586233SQ20081002823
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者豪 任, 王巧彬, 羅宇強 申請人:廣州市光機電技術(shù)研究院