專利名稱：光學膜厚測量控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型與真空鍍膜中在線測光學膜厚的光學膜厚測量裝置有關(guān)。
技術(shù)背景已有的光學膜厚測試儀的主輸入信號依次經(jīng)串聯(lián)的差分放大器、陷波器、主信號 放大器、低通濾波器和偏置疊加器輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接邏輯可編程器件， 參考輸入信號經(jīng)參考信號處理電路輸入邏輯可編程器件，邏輯可編程器件的輸出與單片機 連接，單片機與顯示器連接。主信號和參考信號用單光源調(diào)制，不能實現(xiàn)寬光譜測量膜厚， 采用透射式傳輸光路傳輸測量光，在寬光譜傳輸時發(fā)生色散，影響測量精度。設(shè)備中的信號 幅度小，極易受到外部干擾，甚至完全融入噪聲中。處理弱輸出信號的裝置成本高
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種可實現(xiàn)寬光譜測量膜厚，可處理紫外光和紅外光的 弱輸出信號，測量精度高，成本低的光學膜厚測量控制系統(tǒng)。本實用新型是這樣實現(xiàn)的本實用新型光學膜厚測量控制系統(tǒng)，調(diào)制光源4內(nèi)有氚燈或/和溴鎢燈作為光源， 如兩者都有經(jīng)光源切換器13選擇其一，光源經(jīng)反射系統(tǒng)匯聚到光調(diào)制器14，光調(diào)制器14為 機械調(diào)制器，輸出的光經(jīng)光纖接頭通過第一光釬6傳輸，輸出的調(diào)制頻率電信號作為光學 膜厚測試儀的參考信號，經(jīng)處理電路到邏輯可編程器件，真空室12的一側(cè)壁上有發(fā)射光源 耦合器2的輸入接到第一光纖6，有接收光源耦合器B4的輸出光經(jīng)第二光纖7到單色儀9 的入射狹縫，真空室12的相對側(cè)壁上有接收光源耦合器A3的輸出光經(jīng)第三光纖8到單色 儀9的入射狹縫，真空室12有比較片5，單色儀9的光柵的轉(zhuǎn)動裝置控制端接工控機17的 輸出端，單色儀9的出射狹縫經(jīng)光纖分別接光電倍增管探測器10或硫化鉛探測器11的入 射端，光電倍增管探測器10和硫化鉛探測器11輸出的電信號作為光學膜厚測試儀的主信 號，光學膜厚測試儀的單片機從串口輸出信號到工控機I7的輸入端，工控機的另一輸出端 與鍍膜系統(tǒng)連接。所述的發(fā)射光源耦合器2有反射鏡片將入射光纖引入的發(fā)散光轉(zhuǎn)化為準直光照 射到比較片上，接收光源耦合器A、接收光源耦合器B各有反射鏡片將比較片5投射、反射光 轉(zhuǎn)換為聚焦光到光纖傳送。本實用新型的工作原理如下數(shù)字光控系統(tǒng)的復合調(diào)制光源在光源控制器的作用下，按選定波長所在光譜范圍 的光(氘燈為200 400nm/溴鎢燈為400 3000nm)通過傳輸光纖照射到發(fā)射光源耦合 器，發(fā)射光源耦合器將光源送來的光處理后，形成準直光束送入真空室中，光束傳輸?shù)奖容^ 片后，一部分光被比較片(及比較片上的被鍍膜層)反射傳輸?shù)浇邮展庠瘩詈掀鰾。光另 一部分光透過比較片(及比較片上的被鍍膜層)傳輸?shù)浇邮展庠瘩詈掀鰽，原理由光源光 纖引入的發(fā)散光進入反射光源耦合器被反射鏡片轉(zhuǎn)化為準直光照射到比較片上。一路投射到接收光源耦合器A內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)換為聚焦光到光纖傳送；另一路由比較片反射到接收光 源耦合器B內(nèi)的反射鏡轉(zhuǎn)換為聚焦光到光纖傳送。反射光或者透射光光能大小與比較片上
鍍膜的厚度與所選波長的I波長成周期變化，在4波長范圍內(nèi)光能大小與膜層厚度成比例
變化。反射光或透射光(取決于鍍膜形式)由接收光源耦合器匯聚成成像光，然后通過光
纖傳輸?shù)絾紊珒x，單色儀在選定狹縫大小(由外部計算機自動或手動選定)的情況下，允許
一定的光能量的單一波長光(波長由外部計算機自動或手動根據(jù)鍍膜工藝要求選定)通過
單色儀輸出。單色儀輸出的單色光在單色儀出口照射到光探測器(如10光電倍增管探測
器，11硫化鉛探測器)中。在光探測器中實現(xiàn)被測信號的光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后輸出與膜層厚度
成比例變化的電信號，該電信號通過電纜傳輸給光學膜厚測試儀，光學膜厚測試儀將光探
測器傳來的電信號通過鎖相放大、交直流轉(zhuǎn)換輸出與比較片上膜厚瞬時變化成比例的數(shù)字
信號給工業(yè)控制機，工業(yè)控制機根據(jù)膜厚瞬時變化的大小實現(xiàn)鍍膜系統(tǒng)的自動控制。本實用新型能實時、在線測試光學鍍膜機中薄膜生長的膜層厚度，并輸出與膜厚 有關(guān)的技術(shù)參數(shù)，全自動光學鍍膜機可根據(jù)這些參數(shù)控制膜層生長的質(zhì)量。本實用新型主要用于光學鍍膜機對鍍膜過程中膜層生長的厚度的測量和控制。在真空鍍膜設(shè)備中，在線檢測光學器的鍍膜厚度常使用極值法判別，然而設(shè)備中 的信號幅度小，極易受到外部干擾，甚至完全融入在噪聲中，使用本實用新型可提取出有用 信號，并穩(wěn)定顯示出信號大小，提供0. 的精度。本實用新型為滿足寬光譜(350 ieoonm)采用反射式傳輸光路。發(fā)射光源耦合器2、接收光源耦合器A、接收光源耦合器B既要滿足寬光譜傳輸又 要能量損耗小。采用光反射的方式實現(xiàn)會聚光變測量光(準直光)進入真空室，接收也是 用反射方式實現(xiàn)測量光的會聚。這種方式最大優(yōu)點在于色散小，可實現(xiàn)寬光譜傳輸。光纖6、7、8根據(jù)所使用的不同波長的單色光選擇使用紅外光纖或紫外光纖。優(yōu)點1、采用復合光源(氘燈和溴鎢燈組合)實現(xiàn)寬光譜(30(Tl600nm)測量膜厚。2、采用反射式光路傳輸測量光，克服透射式傳輸光路在寬光譜傳輸時的色散，實 現(xiàn)寬光譜(350 1600nm)測量膜厚。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為調(diào)制光源結(jié)構(gòu)圖。圖3為單色儀結(jié)構(gòu)圖。圖4為光學膜厚測試儀結(jié)構(gòu)框圖。圖5為真空室光的傳輸原理圖。
具體實施方式
光源切換器13、光調(diào)制器14、光源電源15分別連接到調(diào)制光源1的控制端、調(diào)制 器接口、光源電源接口。調(diào)制光源1選擇內(nèi)部氘燈光源或鹵素燈光源經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制為 IOOOHz的調(diào)制光源通過輸出口到光纖6連接到發(fā)射光源耦合器2的輸入端，光通過發(fā)射光源耦合器2處理成準直光反射到比較片5。在比較片5上分成2束光(投射光和反射光)， 透射光進入接收光源耦合器A，反射光進入接收光源耦合器B。接收光源耦合器把準則光耦 合進入光纖7和8 (使用波長在SOOnm以上時，6、7、8必須使用紅外光纖連接)，再分別進入 9單色儀的輸入端。單色儀選擇單色光后輸出到光電倍增管探測器10或硫化鉛探測器11 轉(zhuǎn)換為電信號作為主信號到光學膜厚測試儀的主信號輸入端；由光調(diào)制器14輸出電TTL的 調(diào)制信號作為參考信號到光學膜厚測試儀16的參考信號輸入端。光學膜厚儀輸出的信號 強度信號通過串口信號到工控機進行分析處理。單色儀9的單色光輸出由工控機17的串 口信號控制。本實用新型為了保證系統(tǒng)光譜范圍(350 ieOOnm)和光功率(由所選用的光探 測器輸入的光功率的要求決定)要求，復合光源選用電功率大于30W的氘燈作為紫外光源， 選用電功率大于75W的溴鎢燈作為可見光和紅外光的光源。這樣光源實際的光譜范圍可達 到 200 3000nm。為滿足膜厚測量鎖相放大要求，復合光源采用調(diào)制光輸出，調(diào)制方法采用簡單的 機械調(diào)制法。為適應輸出光傳輸要求，復合光源采用SM905的標準接頭同外部光纖連接。圖2中，復合光源由內(nèi)部的氘燈或溴鎢燈(由鍍膜工藝要求的波長范圍決定)發(fā) 出光，通過光反射系統(tǒng)匯聚成成像光源到SM905接頭的中心處。斬波器的斬波片安裝在靠 近SM905接頭處的光路上。本實用新型的光接收器(發(fā)射/接收)通過光纖傳來的光傳入單色儀的入射狹縫 后投射到準之物鏡上，形成平行光束投射到光柵上，光柵對入射光產(chǎn)生色散后通過聚焦鏡 成像到出射狹縫處。出射狹縫處的光是由光柵按逆時針方向旋轉(zhuǎn)時按波長順序排列的光 譜。通過選擇出口狹縫大小可使輸出光為寬度很小的一束單色光，輸出單色光的光能大小 同輸入/輸出狹縫大小成正比。來自膜厚測量光路系統(tǒng)的參考信號主信號，主信號通過放大器進行低噪、低漂移、 高抗干擾、變增益放大，參考信號經(jīng)放大整形后，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進入邏 輯可編程器件。此時的信號已經(jīng)放大，但諧波豐富，需要提取頻率1000Hz的有用信號。本實用新型的光學膜厚測試儀組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中，單片機采用89LE516RD 單片機，使用8 13，17 22引腳與邏輯可編程器件(EP2C5Q208CN)的64，67，68，69，70， 72,80,81引腳連接通信。單片機的5，7腳連接到MAX232芯片的11，12完成與外界RS232 串口通行。34 37連接按鍵鍵盤。23 25連接到MAX6951的1，2，16腳，通過MAX6951 控制8位7段顯示碼。參考信號電路接入邏輯可編程器件的180腳。本信號處理電路接入 AD7655的46腳轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過AD7655的21，22，29串行接入邏輯可編程器件的 60 63。本實用新型所使用的市售產(chǎn)品如下1、調(diào)制光源(卓立漢光DZLHD30T75)2、發(fā)射光源耦合器(成都南光RKGLF33_1A系統(tǒng))3、接收光耦合器A (成都南光RKGLF33_1A系統(tǒng))4、接收光源耦合器B (成都南光RKGLF33_1A系統(tǒng))5、比較片(玻璃試片)[0037]6、光纖7、光纖8、光纖9、單色儀(卓立漢光omin5005)10、光電倍增管探測器(卓立漢光PMTH-S1_CR131)11、硫化鉛探測器(卓立漢光DPS2900)12、真空室13、光源切換器(卓立漢光DZLHD3075配控制器)14、光調(diào)制器(scitec :300CD)15、光源電源(卓立漢光DZLHD30175配電源)16、光學膜厚測試儀(專利號:zl200820141227. 8)17、工控機
權(quán)利要求光學膜厚測量控制系統(tǒng)，其特征在于調(diào)制光源(4)內(nèi)有氚燈或/和溴鎢燈作為光源，如兩者都有經(jīng)光源切換器(13)選擇其一，光源經(jīng)反射系統(tǒng)匯聚到光調(diào)制器(14)，光調(diào)制器(14)為機械調(diào)制器，輸出的光經(jīng)光纖接頭通過第一光釬(6)傳輸，輸出的調(diào)制頻率電信號作為光學膜厚測試儀的參考信號，經(jīng)處理電路到邏輯可編程器件，真空室(12)的一側(cè)壁上有發(fā)射光源耦合器(2)的輸入接到第一光纖(6)，有接收光源耦合器B(4)的輸出光經(jīng)第二光纖(7)到單色儀(9)的入射狹縫，真空室(12)的相對側(cè)壁上有接收光源耦合器A(3)的輸出光經(jīng)第三光纖(8)到單色儀(9)的入射狹縫，真空室(12)有比較片(5)，單色儀(9)的光柵的轉(zhuǎn)動裝置控制端接工控機(17)的輸出端，單色儀(9)的出射狹縫經(jīng)光纖分別接光電倍增管探測器(10)或硫化鉛探測器(11)的入射端，光電倍增管探測器(10)和硫化鉛探測器(11)輸出的電信號作為光學膜厚測試儀的主信號，光學膜厚測試儀的單片機從串口輸出信號到工控機(17)的輸入端，工控機的另一輸出端與鍍膜系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的發(fā)射光源耦合器(2)有反射鏡片將 入射光纖引入的發(fā)散光轉(zhuǎn)化為準直光照射到比較片上，接收光源耦合器A、接收光源耦合器 B各有反射鏡片將比較片(5)投射、反射光轉(zhuǎn)換為聚焦光到光纖傳送。
專利摘要本實用新型為光學膜厚測量控制系統(tǒng)，解決已有系統(tǒng)寬光譜測量光在傳輸時發(fā)生色散，信號幅度小，測量精度差，設(shè)備成本高的問題。光源經(jīng)反射系統(tǒng)匯聚到光調(diào)制器，輸出的調(diào)制頻率電信號作為光學膜厚測試儀的參考信號，發(fā)射光源耦合器的輸入接到第一光纖，有接收光源耦合器B的輸出光經(jīng)第二光纖到單色儀的入射狹縫，有接收光源耦合器A的輸出光經(jīng)第三光纖到單色儀的入射狹縫，真空室有比較片，單色儀的光柵的轉(zhuǎn)動裝置控制端接工控機的輸出端，單色儀的出射狹縫經(jīng)光纖分別接光電倍增管探測器或硫化鉛探測器的入射端，輸出的電信號作為光學膜厚測試儀的主信號，光學膜厚測試儀的單片機從串口輸出信號到工控機的輸入端，工控機的另一輸出端與鍍膜系統(tǒng)連接。
文檔編號G01B11/06GK201748901SQ20092029851
公開日2011年2月16日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者張博, 李劍輝, 李方, 薛尚清, 謝亮, 靳毅, 魏揚 申請人:成都南光機器有限公司