專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)及分光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)鍍膜膜厚光語(yǔ)法在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)及分光裝置， 應(yīng)用于光學(xué)鍍膜機(jī)的鍍膜過(guò)程的自動(dòng)在線(xiàn)膜厚監(jiān)控。
背景技術(shù)：
薄膜的制備，除了選擇合適的材料和制備工藝外，還必須精確控 制其厚度。鍍膜過(guò)程中的膜層厚度是無(wú)法直接測(cè)量的，通常都是監(jiān)控 一種與厚度有關(guān)的量，然后由此計(jì)算出膜層的厚度。
光學(xué)薄膜的理論基礎(chǔ)是光的干涉理論，所以特別關(guān)注的是光學(xué)厚 度，目前屬于光學(xué)厚度監(jiān)控的方法包括單波長(zhǎng)監(jiān)控法和寬光譜監(jiān)控法。
單波長(zhǎng)監(jiān)控法的特點(diǎn)是直接監(jiān)控膜層的 一個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的絕對(duì)透射率 或反射率值，根據(jù)已知多層膜系的參數(shù)，預(yù)先計(jì)算出各膜層理論厚度 對(duì)應(yīng)的這個(gè)監(jiān)控波長(zhǎng)點(diǎn)停止時(shí)的透射率值/反射率值，然后按計(jì)算值控 制每一層膜。采用光電法，使用單色儀分光，光電倍增管等探測(cè)器接
收，優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)分辨率高，使用入射狹縫100jum、出射狹縫100jam、 焦距300mm的單色儀，其波長(zhǎng)分辨率為0. 27nin。缺點(diǎn)是由于只監(jiān)控一 個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的光度值，數(shù)據(jù)量小，如果出現(xiàn)不可預(yù)知的干擾信號(hào)會(huì)造成 系統(tǒng)停點(diǎn)誤判，無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控。
寬光語(yǔ)監(jiān)控是在350-1050nm全光語(yǔ)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)監(jiān)視薄膜的光語(yǔ) 特性，實(shí)時(shí)測(cè)量的是全光譜的透射率或反射率值，得到的是光譜曲線(xiàn)。 特點(diǎn)是控制直觀(guān)、精確，得到的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單波長(zhǎng)監(jiān)控方法； 在一定光譜范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)膜層厚度誤差補(bǔ)償。寬光譜監(jiān)控一般選用 以CCD陣列為主的光i普儀，焦距一般較短，此類(lèi)光語(yǔ)儀具有反應(yīng)速度 快、穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是波長(zhǎng)分辨率不高。計(jì)算波長(zhǎng)分 辨率的公式
波長(zhǎng)分辨率(FWHM)=像素分辨率x色散數(shù)
例如，使用入射狹縫100jum、像素3648個(gè)、光譜寬度700nm的光語(yǔ)儀，進(jìn)行全光語(yǔ)檢測(cè)，其像素分辨率為9 pixels,色散數(shù)為 700nm/3648 pixels。通過(guò)上述公式可以計(jì)算出波長(zhǎng)分辨率為6. 5nm, 這對(duì)鍍制窄帶干涉濾光片等高精度薄膜產(chǎn)品是不夠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高分辨率窄波段光鐠在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系 統(tǒng)以及分光裝置，該分光裝置可以提高寬光語(yǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的波長(zhǎng)分辨率， 以拓展寬光鐠監(jiān)控系統(tǒng)地應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)鍍膜過(guò)程。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的高分辨率窄波段光語(yǔ)分光裝置，包括 入射狹縫、第一準(zhǔn)直物鏡、平面光柵、第二準(zhǔn)直物鏡、平面反射鏡， 復(fù)合光經(jīng)入射狹縫投射到第一準(zhǔn)直物鏡上得到平行光束，平行光束經(jīng) 平面光柵分光后投射到第二準(zhǔn)直物鏡，經(jīng)平面反射鏡后成像于第二準(zhǔn) 直物鏡的聚焦面上，其特征在于，所述第二準(zhǔn)直物鏡的聚焦面上設(shè)置 有出射窗口 ，所述出射窗口處形成按波長(zhǎng)順序排列的光譜帶。
進(jìn)一步，所述光語(yǔ)帶的寬度是根據(jù)出射窗口的大小所決定的。
進(jìn)一步，所述平面光柵上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制平 面光柵旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制平行光束以不同的衍射角投射到所述第二準(zhǔn)直 物鏡上。
進(jìn)一步，所述出射窗口的大小為l-10mm。
本發(fā)明的高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，包括光源、發(fā) 射單元、監(jiān)控片、接收單元、光讒分光裝置、CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和 控制采集單元，光源發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸給固定在真空室的發(fā) 射單元，然后入射到真空室內(nèi)，并在監(jiān)控片上形成光斑，經(jīng)監(jiān)控片反 射，由光接收單元接收后的光被光語(yǔ)分光裝置色散后在其出射窗口形 成某一波長(zhǎng)范圍的光語(yǔ)帶，位于出射窗口處的CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 將光鐠帶的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓮?qiáng)弱的分布，由控制采集單元進(jìn)行A/D 變換后給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。
進(jìn)一步，所述光譜帶的范圍為400nm-900nm。
進(jìn)一步，所述光語(yǔ)分光裝置，包括入射狹縫、第一準(zhǔn)直物鏡、平 面光柵、第二準(zhǔn)直物鏡、平面反射鏡，復(fù)合光經(jīng)入射狹縫投射到第一 準(zhǔn)直物鏡上得到平行光束，平行光束經(jīng)平面光柵分光后投射到第二準(zhǔn)
5直物鏡，經(jīng)平面反射鏡后成像于第二準(zhǔn)直物鏡的聚焦面上，第二準(zhǔn)直 物鏡的聚焦面上設(shè)置有出射窗口 ，該出射窗口處形成按波長(zhǎng)順序排列 的光語(yǔ)帶。
進(jìn)一步，所述CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)置在所述第二準(zhǔn)直物鏡的 聚焦面處。
進(jìn)一步，所述CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為線(xiàn)陣CCD。 進(jìn)一步，光束經(jīng)所述光語(yǔ)分光裝置和CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后得 到光譜分辨率為0. 2-lnm。
本發(fā)明高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，將光譜分光裝置 與線(xiàn)陣CCD相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的監(jiān)控波長(zhǎng)調(diào)整，形成以監(jiān)控波長(zhǎng)點(diǎn) 為中心的對(duì)稱(chēng)的左右各數(shù)十納米的光鐠帶，在每一監(jiān)控點(diǎn)得到近一百 納米的光語(yǔ)信號(hào)，光譜數(shù)據(jù)量大，波長(zhǎng)分辨率高，評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算精確， 為光語(yǔ)監(jiān)控系統(tǒng)在光學(xué)鍍膜過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)鍍膜提供了 一種科 學(xué)的方法。


圖1為本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的光語(yǔ)分光裝置的分光原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的高分辨率窄波^險(xiǎn)光語(yǔ)在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)， 包括光源l、發(fā)射單元2、監(jiān)控片4、接收單元5、單色儀6、 CCD陣列 信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)7和控制采集單元8,光源1發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸 給固定在真空室3上的發(fā)射單元2，然后入射到真空室3內(nèi)，并在監(jiān)控 片4上形成光斑，經(jīng)監(jiān)控片4反射，由接收單元5接收后的光被單色 儀6色散后在其出射窗口形成某一波長(zhǎng)范圍的光語(yǔ)帶，位于出射窗口 處的CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)7將光鐠帶的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓮?qiáng)弱的 分布，由控制采集單元8進(jìn)行A/D變換后給計(jì)算機(jī)9進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和 計(jì)算。
如圖1和2所示，本發(fā)明監(jiān)控系統(tǒng)的分光及光電轉(zhuǎn)換過(guò)程如下 接收單元5得到的復(fù)合光經(jīng)入射狹縫61沖更射到第一準(zhǔn)直物鏡62上，入射狹縫61處于第一準(zhǔn)直物鏡62的聚焦面上。因此，經(jīng)第一準(zhǔn)直物 鏡62后的光束為平行光束，該平行光束經(jīng)平面光柵63分光后，分成 不同波長(zhǎng)的平行光束以不同的衍射角投向第二準(zhǔn)直物鏡64上，第二準(zhǔn) 直物鏡64起照相物鏡的作用，這些平行光束經(jīng)平面反射鏡65反射后 成像于第二準(zhǔn)直物鏡64的聚焦面上，從而得到一系列按波長(zhǎng)順序排列 的光譜帶，出射窗口 66位于第二準(zhǔn)直物鏡64的聚焦面上，驅(qū)動(dòng)平面 光柵63,可以在出射窗口 66處形成以監(jiān)控波長(zhǎng)點(diǎn)為中心的對(duì)稱(chēng)的左右 各數(shù)十納米的光譜帶，由位于出射窗口 66處的具有數(shù)千個(gè)像素的CCD 陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)7將譜帶的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓮?qiáng)弱的分布，控制 采集單元經(jīng)A/D變換后由計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件接收數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜變換、光 鐠擬合，計(jì)算出評(píng)價(jià)函數(shù)。根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)值監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)判停。
出射窗口 66的大d、一般設(shè)置為3-5mm，令單色儀6分光后形成某 一監(jiān)控波長(zhǎng)帶點(diǎn)的譜帶，該譜帶的寬度由出射窗口 66的大小所決定， 出射窗口66越大，其分光后所得的鐠帶越寬，為了保證經(jīng)CCD陣列信 號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)7后具有高分辨率，分光后所得的某一監(jiān)控波長(zhǎng)點(diǎn)的譜帶 不宜過(guò)寬，為監(jiān)控波長(zhǎng)點(diǎn)為中心的對(duì)稱(chēng)的左右各數(shù)十納米的光譜帶， 該光譜帶一般為100nm,其監(jiān)控點(diǎn)波長(zhǎng)的范圍一般為400-900nm。
單色儀6的參數(shù)為，入射狹縫100iam、出射窗口 3隨、焦距300mm, 經(jīng)過(guò)測(cè)算其像素分辨率約為7.3 pixels。如監(jiān)控波長(zhǎng)為400nm,驅(qū)動(dòng) 光柵，調(diào)整波長(zhǎng)到400nm，在出射窗口 66形成350-450nm的光i普帶， 由CCD的3648個(gè)有效像素接收，色散凄t為100nm/3648 pixels,由么、 式波長(zhǎng)分辨率(FWHM)=像素分辨率x色散數(shù)，可以計(jì)算出此裝置 的波長(zhǎng)分辨率為0. 2nm。對(duì)于監(jiān)控波長(zhǎng)為900nm,驅(qū)動(dòng)光4冊(cè)63,調(diào)整波 長(zhǎng)到900nm，則在出射窗口 66形成850-950nm的光語(yǔ)帶，均為監(jiān)控波 長(zhǎng)點(diǎn)為中心的對(duì)稱(chēng)左右各50nm的光語(yǔ)帶，該光譜帶的寬度為100nm， 計(jì)算得出此裝置的波長(zhǎng)分辨率為0. 2nm。對(duì)于監(jiān)控波長(zhǎng)為650nm，驅(qū)動(dòng) 光柵63,調(diào)整波長(zhǎng)到650nm，則在出射窗口 66形成600-700nm的光i普 帶。以此類(lèi)推對(duì)于400-900認(rèn)波長(zhǎng)范圍中的任一監(jiān)控點(diǎn)其在出射窗口 66處均形成一寬度為100nm的光譜帶，計(jì)算得出此裝置的波長(zhǎng)分辨率 為0. 2nm。根據(jù)鍍膜的需要還可以調(diào)整入射狹縫61和出射窗口 66的大 小來(lái)調(diào)整此裝置的波長(zhǎng)分辨率。出射窗口 66的大小與監(jiān)控波長(zhǎng)的語(yǔ)帶的寬度有關(guān)，出射窗口 66越大所得到的監(jiān)控波長(zhǎng)的譜帶寬度越寬。該 監(jiān)控系統(tǒng)中分光裝置的波長(zhǎng)分辨率一般為0. 2-lnm。
本發(fā)明的監(jiān)控系統(tǒng)，既保證了具有足夠的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量，又有效的 提高了裝置的波長(zhǎng)分辨率，有效解決了單波長(zhǎng)監(jiān)控和寬光譜監(jiān)控的弊 端，為光譜監(jiān)控系統(tǒng)在光學(xué)鍍膜過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)鍍膜提供了 一 種科學(xué)的方法。
需要指出的是，根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方式
所做出的任何形式上的 變形，均不脫離本發(fā)明的精神以及權(quán)利要求所保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種高分辨率窄波段光譜分光裝置，包括入射狹縫、第一準(zhǔn)直物鏡、平面光柵、第二準(zhǔn)直物鏡、平面反射鏡，復(fù)合光經(jīng)入射狹縫投射到第一準(zhǔn)直物鏡上得到平行光束，平行光束經(jīng)平面光柵分光后投射到第二準(zhǔn)直物鏡，經(jīng)平面反射鏡后成像于第二準(zhǔn)直物鏡的聚焦面上，其特征在于，所述第二準(zhǔn)直物鏡的聚焦面上設(shè)置有出射窗口，所述出射窗口處形成按波長(zhǎng)順序排列的光譜帶。
2. 如權(quán)利要求l所述的光語(yǔ)分光裝置，其特征在于，所述光譜帶的寬度 是根據(jù)出射窗口的大小所決定的，出射窗口越大光譜帶的寬度越寬。
3. 如權(quán)利要求l所述的光譜分光裝置，其特征在于，所述平面光柵上設(shè) 置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制平面光柵旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制平行光束 以不同的衍射角投射到所述第二準(zhǔn)直物鏡上。
4. 如權(quán)利要求l-3任一所述的光譜分光裝置，其特征在于，所述出射窗 口的大小為l-10mm。
5. —種高分辨率窄波段光語(yǔ)在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，包括光源、發(fā)射單元、 監(jiān)控片、接收單元、光鐠分光裝置、CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制采 集單元，光源發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸給固定在真空室的發(fā)射單 元，然后入射到真空室內(nèi)，并在監(jiān)控片上形成光斑，經(jīng)監(jiān)控片反射， 由接收單元接收后的光被光語(yǔ)分光裝置色散后在其出射窗口形成某 一波長(zhǎng)范圍的光語(yǔ)帶，位于出射窗口處的CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將光 譜帶的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓮?qiáng)弱的分布，由控制采集單元進(jìn)行A/D變 換后給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。
6. 如權(quán)利要求5所述的高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征 在于，所述光語(yǔ)帶的范圍為400nm-900nm。
7. 如權(quán)利要求5所述的高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征 在于，所述光語(yǔ)分光裝置，包括入射狹縫、第一準(zhǔn)直物鏡、平面光柵、 第二準(zhǔn)直物鏡、平面反射鏡，復(fù)合光經(jīng)入射狹縫投射到第一準(zhǔn)直物鏡 上得到平行光束，平行光束經(jīng)平面光柵分光后投射到第二準(zhǔn)直物鏡， 經(jīng)平面反射鏡后成像于第二準(zhǔn)直物鏡的聚焦面上，第二準(zhǔn)直物鏡的聚 焦面上設(shè)置有出射窗口，該出射窗口處形成按波長(zhǎng)順序排列的光譜帶。
8. 如權(quán)利要求5所述的高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征 在于，所述CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為CCD線(xiàn)陣列。
9. 如權(quán)利要求5所述的高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征 在于，所述出射窗口的大小為l-10mm。
10. 如權(quán)利要求5-9任一所述的高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)， 其特征在于，光束經(jīng)所述光譜分光裝置和CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后得 到光i普分辨率為0. 2-lnm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)及分光裝置，該系統(tǒng)包括光源、發(fā)射單元、監(jiān)控片、接收單元、光譜分光裝置、CCD陣列信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制采集單元。本發(fā)明的光譜分光裝置包括入射狹縫、第一準(zhǔn)直物鏡、平面光柵、第二準(zhǔn)直物鏡、平面反射鏡。本發(fā)明高分辨率窄波段光譜在線(xiàn)膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，將光譜分光裝置與線(xiàn)陣CCD相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的監(jiān)控波長(zhǎng)調(diào)整，形成以監(jiān)控波長(zhǎng)點(diǎn)為中心的對(duì)稱(chēng)的左右各數(shù)十納米的光譜帶，在每一監(jiān)控點(diǎn)得到近一百納米的光譜信號(hào)，光譜數(shù)據(jù)量大，波長(zhǎng)分辨率高，評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算精確，為光譜監(jiān)控系統(tǒng)在光學(xué)鍍膜過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)鍍膜提供了一種科學(xué)的方法。
文檔編號(hào)G01B11/06GK101561559SQ200910084709
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者吳青松, 張喆民, 李小龍, 李春業(yè), 威 王, 賈秋平, 黃達(dá)泉 申請(qǐng)人:北京奧博泰科技有限公司;賈秋平