CN101586233A - 一种复合光路宽光谱膜厚监控*** - Google Patents

Abstract

本发明提出一种复合光路宽光谱膜厚监控***，包括光发射装置、复合光路、光接收装置、控制电路、计算机和监控软件。其中光发射装置包括光源、调制器和驱动电路，光接收装置包括通过光纤连接的光谱仪和通过光纤连接的光学膜厚控制仪。本发明采用增加中间通光孔式的分光镜的复合光路，实现基于宽光谱扫描法的宽光谱膜厚监控***和基于单波长极值法的光学膜厚监控***的兼容并行使用。

Description

一种复合光路宽光谱膜厚监控***

技术领域

本发明涉及真空镀膜光学膜厚监控技术领域，特别是一种复合光路宽光谱膜厚监控***，属真空镀膜技术领域。

技术背景

在真空镀膜过程中，需要准确监控镀制薄膜的膜层厚度，光学膜厚监控方法是一种重要的技术手段，尤其是对于光学镀膜。光学膜厚监控方法主要有极值法和宽光谱扫描法。其中极值法是利用薄膜在膜厚达1/4中心波长时，中心波长点的透射率(反射率)达到极值的性质来监控膜厚，简单易行，但依赖镀膜经验，并只能监控单波长的透射光(反射光)强度，难以进行非规整膜系的膜厚监控。宽光谱扫描法是在镀膜过程中实时扫描镀制薄膜的光谱特性，利用不同的膜层厚度对应着不同的光谱特性，以评价函数来比较实测光谱曲线与理论光谱曲线进行膜厚监控和镀膜过程分析，可在光学镀膜过程中得到丰富的镀制薄膜的宽光谱信息，精确监控各种膜系光学薄膜的膜厚。

两种方法各有利弊，各有所长。目前传统的光学镀膜设备大都配置基于极值法的光学膜厚控制仪，采用垂直光路或倾斜光路，选择进行透射式或反射式光学膜厚监控。为了满足非规整膜系光学镀膜制备要求，提高膜厚监控同一性和自动化，发展了宽光谱膜厚监控技术并配置在先进的光学镀膜设备上。现有的宽光谱膜厚监控***，其光路***仍是借鉴极值法光学膜厚监控***，即采用基本相同的光路***，只是在光路出口位置将接收光信号的光学膜厚控制仪，改为光谱仪，由于无需光信号调制滤波，一般都去除了原光路中的调制器，但需提高光源的发光强度以降低杂散光的影响。由此产生光路结构上的区别，使得这两种光学膜厚监控方法无法被同时采用，也难以对镀膜设备的膜厚监控***进行更换或升级改造。

发明内容

本发明提出一种复合光路宽光谱膜厚监控***，实现基于宽光谱扫描法的宽光谱膜厚监控***和基于极值法的光学膜厚监控***的兼容并用。

本发明的技术解决方案如下：

一种复合光路宽光谱膜厚监控***，其结构包括：光发射装置、光路、光接收装置、控制电路、计算机和监控软件。其中光发射装置包括光源、调制器及驱动电路，光接收装置包括光谱仪和光学膜厚控制仪。

一种复合光路宽光谱膜厚监控***，其特征在于在光路***中设置复合光路，利用复合光路的兼容性，使基于宽光谱扫描法的宽光谱膜厚监控和基于极值法的光学膜厚监控实现兼容并用。

所述的复合光路，包括发射光路和接收光路，并在发射光路和接收光路之间设置监控比较片、分光镜、光源修正滤光片和连接件，其中分光镜和滤光片固定在连接件上。复合光路置于发射装置和接收装置之间，并通过光纤与接收装置相连接。

复合光路包括采用垂直光路或倾斜光路，可选择进行透射式或反射式光学膜厚监控，并在由发射光路和接收光路组成的光学膜厚监控光路中，通过增加中间通光孔式的分光镜，将监测光信号一分为二，其中一路监测光信号经过反射后，耦合到光纤中，再会聚进入光学膜厚控制仪中，另一路监测光信号透射中间的通光孔，经过光源修正滤光片后，耦合到光纤中，再会聚进入光谱仪中，由***监控软件进行信号采集和处理，进行宽光谱膜厚监控。

所述的分光镜，是中间开一通光孔的反射镜，使反射的监测光信号满足光学膜厚监控要求，同时使透射的监测光信号满足宽光谱膜厚监控要求。由于通光孔的孔径较小，一方面不会降低进入光学膜厚控制仪的监测光信号强度，另一方面通光孔位于复合光路光轴上，起到光阑的作用，使得光纤接收光锥角变的很小，只有接近垂直入射的光才能耦合进光纤中，基本消除镀膜过程中杂散光对宽光谱膜厚监控的影响。

所述的光谱仪，为采用线性硅CCD阵列类探测器的光谱仪，通过USB接口或RS232接口与计算机相连，选择采用积分方式采集光谱，则无需去除、停止或改变光学膜厚监控光路中进行光信号调制的调制器，只是使入射光谱仪的监测光信号产生一定的强度衰减，因此复合光路兼容了完整的光学膜厚监控光路，从而同时适用于光学膜厚监控和宽光谱膜厚监控。

所述的监控软件安装在计算机中，主要用于宽光谱膜厚监控，实时的对监测光谱信号进行采集、处理和计算分析，直观的显示镀膜过程中实测光谱曲线和理论光谱曲线的吻合逼近程度，准确地显示制备过程中光学特性的变化，包括某一特定波长透射率/发射率的绝对值和变化趋势，准确的反映膜厚的真实变化，以评价函数来进行光学镀膜过程中的膜厚监控和过程判断。

所述的控制电路，通过信号线和电缆线，分别与计算机和镀膜设备相连。根据计算机和监控软件输出信号分别控制镀膜设备上的不同电源、控制开关和装置等，实现镀膜过程的自动控制和膜厚的高精度控制。

本发明所提出的复合光路宽光谱膜厚监控***，利用复合光路的兼容性，实现了基于宽光谱扫描法的宽光谱膜厚监控和基于极值法的光学膜厚监控的兼容并用。大大提高了镀膜设备光学膜厚控制***的可选择配置的灵活性，既有助于对传统光学镀膜设备膜厚监控***的改造升级，也有助于满足先进光学镀膜设备的配套需要，提高镀膜设备的性价比和先进性。通过这两种不同膜厚监控技术的相互结合和对比分析，丰富了镀膜过程中的膜厚监控技术手段和镀制薄膜光学特性信息，将镀膜经验与薄膜特性实时监控有机结合起来，有助于镀膜人员更好地学习和掌握两种不同光学膜厚监控技术，并根据镀膜工艺要求选择最佳的膜厚监控方法，提高对镀膜过程的精确控制，从而提高镀膜产品的质量。

附图说明

图1为本发明的***结构图；

图2为本发明的***复合光路图；

图3为本发明的分光镜示意图；

图4为本发明的分光镜的反射光谱。

具体实施方式

下面结合附图具体说明，

如图1所示，

本发明提出一种复合光路宽光谱膜厚监控***，其结构包括：光发射装置1、光路2、光接收装置3、控制电路4、计算机和监控软件5。其中光发射装置1包括光源11、调制器12及驱动电路13，光路2包括复合光路21和其他光路附件22，光接收装置3包括光谱仪31和光学膜厚控制仪32，分别均通过光纤221和222与光路相连接。光谱仪31为采用线性硅CCD阵列类探测器的光谱仪，通过USB接口或RS232接口与计算机和监控软件5相连。控制电路4也分别与计算机和监控软件5和镀膜设备6相连，通过计算机控制镀膜设备的不同功能运行。

如图2所示，在光路***中设置复合光路21，复合光路置于发射装置和接收装置之间，并通过光纤与接收装置相连接。复合光路包括发射光路211、监控比较片212、分光镜213、光源修正滤光片214、连接件215和接收光路216。

本例中，复合光路2采用的是在由发射光路、监控比较片和接收光路组成的垂直透射式光学膜厚监控光路中，增加中间通光孔式的分光镜、滤光片，分光镜和滤光片都固定在连接件上。该连接件还与两路光纤相连接，通过光纤221连接光谱仪31，通过光纤222连接光学膜厚控制仪32。

需要说明的是复合光路可以选择采用垂直光路或倾斜光路，也可选择进行透射式或反射式光路，均属于本专利保护范围。

如图3所示，分光镜213为中间开一通光孔的反射镜。本例中采用的是50mm*50mm*2mm的镀铝镜片，反射率曲线如图4所示。在反射镜中心点的通光孔，位于复合光路的光轴上。分光镜45°倾斜放置，将监测光信号分为反射和透射两路信号，一路经过反射，满足光学膜厚监控要求，一路经过通光孔透射，同时进行宽光谱膜厚监控。

光源修正滤光片214是特定膜系的镀膜镜片，针对不同的光源发光特性，满足特定光谱透过率要求，使光谱仪在光谱范围内的光谱相应趋向平坦。

本例中，复合光路保留了完整的光学膜厚监控光路，光源仍采用6V30W溴钨灯，在实际操作过程中，光发射装置中溴钨灯光源发出的光，首先经过发射光路211中的聚光镜组进行光束聚集，然后经调制器后成为调制光，再经过发射光路211中的分光镜将小部分光反射和准直镜后成为平行光，进入镀膜机，在监控比较片上透射成为信号光，并从镀膜机下方射出，经过45°倾斜放置的通光孔式分光镜213，将监测光信号一分为二，其中一路监测光信号经过反射后，监测光信号偏转90°，经过会聚镜组成的接收光路216，水平会聚耦合到光纤中，再会聚进入光学膜厚控制仪中，另一路监测光信号透射中间的通光孔和滤光片214，再耦合到光纤中，会聚进入光谱仪中，同时进行宽光谱膜厚监控。本发明利用复合光路的兼容性，实现了基于宽光谱扫描法的宽光谱膜厚监控和基于单波长极值法的光学膜厚监控的兼容并用，满足光学镀膜设备的改造升级和配套需要。

Claims (9)

1、一种复合光路宽光谱膜厚监控***，包括光发射装置、光路、光接收装置、控制电路、计算机和监控软件，其特征是在光路***中设置复合光路(21)，复合光路置于发射装置(1)和接收装置(3)之间，并通过光纤与接收装置相连接。

2、如权利要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控***，其特征是复合光路(21)包括发射光路(211)和接收光路(216)，在发射光路和接收光路之间设置监控比较片(212)、分光镜(213)、光源修正滤光片(214)和连接件(215)，分光镜和滤光片固定在连接件上。

3、如权利要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控***，其特征是光发射装置(1)包括光源(11)、调制器(12)和驱动电路(13)，调制器置于发射光路中。

4、如权利要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控***，其特征是光接收装置(3)包括光谱仪(31)和光学膜厚控制仪(32)，光谱仪和光学膜厚控制仪均通过光纤与复合光路(21)相连接。

5、如权利要求4所述的复光路宽光谱膜厚监控***，其特征是所述的光谱仪(31)，通过USB接口或RS232接口与计算机相连接。

6、如权利要求5所述的复光路宽光谱膜厚监控***，其特征是所述的光谱仪(31)为线性硅CCD阵列探测器的光谱仪。

7、如权利要求1或2所述的复合光路宽光谱膜厚监控***，其特征是所述的复合光路(21)，包括采用垂直光路线或倾斜光路，在由发射光路(211)和接收光路(216)组成的光学膜厚监控光路中，通过增加中间通光孔式的分光镜(213)，将监测光信号一分为二，其中一路监测光信号经过反射后，耦合到光纤中，再会聚进入光学膜厚控制仪(32)中，另一路监测光信号透射中间的通光孔，经过光源修正滤光片后，耦合到光纤中，再会聚进入光谱仪(31)中，由***监控软件进行信号采集和处理，进行宽光谱膜厚监控。

8、如权利要求7所述的复合光路宽光谱膜厚监控***，其特征是所述的分光镜(213)为中间开一通光孔的反射镜，设置在复合光路光轴上45°倾斜位置，分别反射和透射监测光信号。

9、如权利要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控***，其特征是控制电路(4)通过信号线和电缆线，分别与计算机和镀膜设备相连。

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