专利名称：光学薄膜厚度在线实时监控仪的制作方法
技术领域：
一、所属领域本实用新型属于光学薄膜技术领域，特别涉及一种真空镀制光学薄膜的光学薄膜厚度在线实时监控仪。
现有膜厚监测系统抗干扰能力、稳定性较差的主要原因有①.光源、光电倍增管及其供电源的工作稳定性显著影响着监测信号的稳定性。例如，光电倍增管高压的微小波动将引起超过一个数量级的输出波动。因此在监测系统中，它们的稳定性要求是非常高的。②.监测光直接照射到单色仪入射狭缝上的这种结构，使得系统的抗震动能力、排除杂散光能力比较弱，影响着监测信号的稳定性。③.模拟电路的设计，尤其是电子元气件的质量优劣决定着信号滤波处理的好坏。④.仅仅通过模拟滤波处理，而未进一步数字滤波、处理就由数码管进行显示，也影响着监测信号数码显示的稳定性。
光学薄膜厚度的准确监控，是制备光学薄膜的关键技术，它直接影响着薄膜的反射率、透射率光谱特性和偏振特性。而光学薄膜厚度监控的对象是指在薄膜的镀制过程中，为了保证生产出合格的薄膜产品，在镀膜过程中对薄膜的反射率(或透射率)进行测量和控制(其测量是在镀膜过程中同时进行的)，并将测量结果用于对薄膜膜层厚度的控制。监控时，一旦测量数值达到与所要求的膜厚相对应的数值时，就立即关闭挡板，停止膜层蒸镀，从而实现对薄膜厚度的控制。
光学薄膜厚度的准确监控，依赖于对极值点的准确判断，进一步要求测量数据的高度稳定、准确。发明的目的正在于不大幅度提高系统成本的同时，获得稳定性相对较好的测量数据，从而达到对光学薄膜厚度的准确监控之目的。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，光学薄膜厚度在线实时监控仪，包括，一对硅光电池1和2、光纤传感器9、反光镜3、4、5和半透半反镜6、7，其特征在于硅光电池1和2分别设置在监控的光源上，用于接收、形成测试信号和参考信号的解调信号，硅光电池1用于参考路解调信号，硅光电池2经调制器27调制后用于测试路解调信号；参考路解调信号和测试路解调信号分别经放大器18、滤波器19和放大器16、滤波器17进入锁相器22和锁相器23中；半透半反镜6将从反射镜3透过的光作为参考光信号，反光镜3设置在半透半反镜6的光路上，半透半反镜7的光路上设置有反光镜4，反光镜4将半透半反镜7传递的光反射到比较片8上，通过比较后，比较片8再将反光镜4传递的光传递到反光镜5上作为测试光信号；参考光信号和测试光信号传递至光纤传感器9中，光信号经耦合器10耦合后送入单色仪11和光电倍增管12，经前级放大13、次级放大14和三级放大15后，分别送入带通滤波器20、21中，带通滤波器20、21再将信号送入锁相器22和锁相器23中，锁相器22和锁相器23将上述四路信号分别分离出参考信号和蒸发状态信号以及测试信号和真空度信号，送入数据采集卡24，数据采集卡24还接有一温度信号，由数据采集卡接入计算机25；计算机25与打印机、数码显示、显示器相连并控制伺服系统26，伺服系统26与比较片8相连；光源发出的光分为两束，分别经不同频率调制后，再各自经分束镜得到四束光线；其中两束光线由光纤进入单色仪、光电倍增管，另外两束光线由硅光电池接收，分别形成测试信号和参考信号的解调信号；进入光电倍增管的两束光线形成具有不同频率的参考信号和测量信号；这两信号共同经过前置放大和多级放大后，由带通滤波器、锁相放大器进行解调处理，得到直流参考信号和测试信号，并由数据采集卡采集；对采集数据进行数字滤波、数字相除和显示线性化以后，由计算机进行显示、打印；同时，计算机不停地对变化的信号进行检测、比较，一旦该信号达到极值点的过正量或预先计算得到的反射率值时，通过伺服系统及时关闭挡板，停止膜层蒸镀；从而完成对膜层厚度的监控。
本实用新型的其它一些特点是，所述调制器27采用双频率调制器。
调制器27采用双频率调制器。
本实用新型针对现有膜厚监测系统，着重突出了以下特色A利用四光路系统对光学薄膜镀制过程中的光谱透(反)射率进行测量；B利用同一光源、同一单色仪、同一光电倍增管和双频调制器及双锁定放大器同时测量信号的光强和参考光强；C利用测得的两光强信号之比来代替透(反)射率值，以消除共摸干扰的影响；D利用专用软件消除差摸及随机干扰的影响。1)调制器采用双频率调制器在光电检测中，光调制是重要的内容，常有强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和波长调制。本系统采用的是强度调制(又称光通量调制)，是指使光载波信号的特征参数(强度)按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送的方法。将光源发出的光经不同的频率的调制器进行调制，其作用有①.可以减小杂散光线对测量结果的影响。在测量过程中很难避免外界非信号光进入光电倍增管，如膜料蒸发融化时发出的光等。这些光信号被光电倍增管接收后，将附加在测量信号上。这些附加信号的共同特点是以直流量形式出现。将信号光进行调制，并在放大器间进行交流耦合，使交变信号得以通过，隔离掉非信号的直流分量，从而消除了杂散光的影响。
②.可以消除光电倍增管暗电流对测量结果的影响。各种光电或热电器件，由于温度暗发射或外加电场的作用，当无外界光信号作用时，在其基本工作回路中都有暗电流产生。在直流测量时，暗电流将附加在信号中影响测量结果，如果采用调制光信号，就可消除暗电流的影响。
③.调制信号还是锁相放大器及选频放大器工作时所必须的工作信号。
本实用新型与国产的镀膜机(以本研究中所用的北京仪器厂产DMD-700J镀膜机为例)相比，将单频率调制变为双频率调制(测试光路为33Hz、参考光路为383Hz)，这不仅具有上述3条优点，而且为四光路系统、双锁相电路和测试与参考的数字相除做准备，从而可以最大限度地抑制光源、调制电机、单色仪及倍增管等共用部分的干扰。为了调制频率稳定便于电路的调试、正常工作，新系统采用了大功率、转速稳定的调制电机。2)四光路系统四光路透镜成像系统是指，含有监控片膜厚变化信息的33HZ调制测试光路，含有调制光源信息的383HZ调制参考光路，以及33HZ、383HZ两路调制解调光路(用于互相关检测的双锁相电路)。测试光信号和参考光信号通过共同的光纤传输到单色仪上，再由同一光电倍增管进行光电转换。
本实用新型采用单频率调制测试光路和调制解调光路，这种结构使得测试信号的稳定性显著依赖着光源、光电倍增管及其供电源的工作稳定性。四光路系统尽管比原系统的光路复杂一些，但是却大大降低了这些关键设备的工作稳定性要求，而且会显著提高监测系统的静态稳定性和镀膜重复性。3)光纤原镀膜系统采用的是平行光路和直接照射在单色仪入射狭缝这种结构。本实用新型采用成像光路并由光纤传递。光纤具有良好的传光性能，能提高光能的利用率；具有多种几何适应性，能放置在小孔等测量点(利于成像系统的信号接受)；采用光纤来传递被测光信号，可排除在光线传输时杂散光线对测量光信号的干扰；采用光纤与单色仪连接，可以消除镀膜机振动对测量信号的影响。4)耦合器用光纤来传递透镜成像系统的被测光信号，并与单色仪进行联结。这需要一个近似的4f透镜成像系统作为耦合器来实现可靠、可移动连接。因为光纤出射窗与单色仪入射狭缝均有一个数值孔径，数值孔径的耦合可实现最大效率的传光，经过估算，约为一个4f系统。5)单色仪与光电倍增管单色仪的作用是将光纤传递来的光信号分成单色光。从单色仪出射狭缝出来的单色光波长与膜层监控波长相对应。使用单色仪可以减少杂散光线对测量信号的影响。
光电倍增管是一种建立在光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光信号转换成光电子，并获得倍增的真空光电发射器件。其主要特点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小。它是电流放大器件，具有较高的电流增益，特别适应于微弱光信号的探测。6)前置放大器、多级放大、选频放大器和双锁相放大器光电倍增管所接收的光信号十分微弱，其输出的信号往往也被深埋在噪声之中，需要对其进行放大。因此在光电倍增管的输出端都紧密地连接着一个低噪声前置放大器。其作用是放大光电管增管输出的微弱电信号并提高信噪比；匹配后置处理电路与光电倍增管之间的阻抗，提高信号的传输功率。对前置放大器的要求为低噪声、高增益、足够的信号带宽和负载能力；良好的线性和抗干扰能力；在结构上要求紧凑，靠近检测器件；良好的接地与屏蔽。本实用新型采用场效应管作为前置放大器。
次级放大和三级放大的设计是根据输入信号为3mV-10mV和数据采集卡模拟输入范围为5V的要求进行的。
本实用新型与原系统的单频率调制信号相比，在电路检测中，为了突出信号和抑制噪声，同时将迭加在一起的双频率调制信号分离，采用带通滤波器对信号进行选频放大。
锁相放大器是一种通用的对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用与被测信号有同频率的锁相关系的解调信号作比较，只对被测信号本身和那些与解调信号同频(或倍频)、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度地抑制噪声，提高探测灵敏度和信噪比，是微弱光信号测量的一种有效器件。
本实用新型与原来系统相比，采用了双锁相放大电路(与四光路设计是对应的)。整个电路部分(从前置电路到锁相电路)采用对称布局设计，并选用相同或相近品质的高性能元器件，为后面的用“数字相除”抑制电路漂移创造了条件。为了提高电路系统的抗干扰能力，将单色仪、光电倍增管一体化屏蔽，对电路、计算机和采集卡等进行了接地屏蔽。信号的连接采用了高性能信号线。7)多路采集、数字滤波和数字除法器用数据采集卡对电路输出的测试信号、参考信号以及真空度、基底温度、蒸发状态等进行多路采集。依据采样定理和算法确定一合适的采样频率进行多路采集，并保证测试和参考两路的A/D转换精度一致，以利于共模干扰的消除。
对于差模干扰主要采用了数字滤波技术。与模拟滤波相比较有如下优点不需要硬件设备；多个输入通道“共用”一个滤波程序；可靠、稳定；可以对频率很低的信号实现滤波；改变滤波参数灵活方便。如，防脉冲干扰复合滤波法。
测试信号除以参考信号的数字相除与模拟除法器相比有精度高、稳定性好、无干扰的优点。重要的是，数字相除可以消除光源、光电倍增管等引起的共模干扰，最终实现了四光路、双锁相电路的设计目的—提高监测系统的静态稳定性。8)数码显示、数据打印和报警控制膜厚信号既经过了双锁相电路处理又采用了多种数字技术处理(数字滤波、数字相除和显示线性化)，再由数码管显示。这与原系统的只由模拟电路处理就进行数码显示相比，稳定性是比较高的。对于镀膜过程中的工艺参数和膜层状态可由显示器中的监控界面监视，监控数据和工艺参数可以打印出来以供分析。对于膜厚变化数据可通过监控判断算法得到停镀时刻，并发出光电报警和驱动关挡板的伺服系统，从而实现膜厚控制。
本实用新型和原系统进行了对比测试，结果如下表
由表中可见，本实用新型在膜厚监测过程中重复性、准确性、灵敏度等指标上较原系统都有大幅度提高。
权利要求1.一种光学薄膜厚度在线实时监控仪，包括，一对硅光电池[1]和[2]、光纤传感器[9]、反光镜[3]、[4]、[5]和透镜[6]、[7]，其特征在于硅光电池[1]和[2]分别设置在监控的光源上，硅光电池[1]用于参考路解调信号，硅光电池[2]经调制器[27]调制后用于测试路解调信号；参考路解调信号和测试路解调信号分别经放大器[18]、滤波器[19]和放大器[16]、滤波器[17]进入锁相器[22]和锁相器[23]中；透镜[6]将从反射镜[3]透过的光作为参考光信号，反光镜[3]设置在透镜[6]的光路上，透镜[7]的光路上设置有反光镜[4]，反光镜[4]将透镜[7]传递的光反射到比较片[8]上，通过比较后，比较片[8]再将反光镜[4]传递的光传递到反光镜[5]上作为测试光信号；参考光信号和测试光信号传递至光纤传感器[9]中，光信号经耦合器[10]耦合后送入单色仪[11]和光电倍增管[12]，经前级放大[13]、次级放大[14]和三级放大[15]后，分别送入带通滤波器[20]、[21]中，带通滤波器[20]、[21]再将信号送入锁相器[22]和锁相器[23]中，锁相器[22]和锁相器[23]将上述四路信号分别分离出参考信号和蒸发状态信号以及测试信号和真空度信号，送入数据采集卡[24]，数据采集卡[24]还接有一温度信号，由数据采集卡接入计算机[25]；计算机[25]与打印机、数码显示、显示器相连并控制伺服系统[26]，伺服系统[26]与比较片[8]相连。
2.根据权利要求1所述的光学薄膜厚度在线实时监控仪，其特征在于，所述调制器[27]采用双频率调制器。
专利摘要本实用新型公开了一种光学薄膜厚度在线实时监控仪，由硅光电池、光纤传感器、反光镜和透镜、放大器、滤波器、锁相器、调制器、耦合器、单色仪和光电倍增管、数据采集卡、计算机等组成，光源发出的两束光，分别经不同频率调制后，再各自经分束镜得到四束光线；其中两束光线由光纤进入单色仪、光电倍增管，另外两束光线由硅光电池接收，分别形成测试信号和参考信号的解调信号；由计算机可以进行显示、打印；同时，计算机不停地对变化的信号进行检测、比较，一旦该信号达到极值点的过正量或预先计算得到的反射率值时，通过伺服系统及时关闭挡板，停止膜层蒸镀；从而完成对膜层厚度的监控，实现镀膜过程的自动化。
文档编号C23C14/52GK2552943SQ0222485
公开日2003年5月28日 申请日期2002年4月30日 优先权日2002年4月30日
发明者韩军, 弥谦, 权贵秦 申请人:西安工业学院