一种含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统的制作方法

文档序号:5834317阅读:280来源:国知局
专利名称:一种含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统的制作方法
技术领域
本发明涉及光学真空镀膜机的监控系统领域,更具体的说是一种含色 度监控功能的宽光谱光学 在线监控系统。
技术背景光学薄膜的光学特性与其每一层的厚度密切相关,为镀制符合要求的 光学薄膜必须在制备过程中精确监控膜厚。因此膜厚监控技术作为薄膜技 术中的一项关键技术引起了人们越来越多的重视。膜厚监控是一种对膜厚 的动态、实时的测量和控制。在非四分之一波长宽带光学薄膜的镀制中,单波长监控很难精确控制其宽波段特性。因此法国马塞国家表面和光学薄膜实验室的E.Pettetier 等提出以评价函数进行宽光谱膜厚监控。宽光谱扫描方式可分为机械扫描方式、窄带干涉滤光片扫描方式、光 导纤维束结合干涉滤光片的检测方法、利用CCD阵列扫描方式等多种方式。但由于光学镀膜宽光谱膜厚监控过程是一实时监控过程,对整个监控光谱 范围的信号要求有快速显示,在镀制光通信密集波分复用滤光片中还要求 有高分辨率。因此综合对比上述几种宽光谱监控方式,CCD阵列扫描方法具 有分辨率高、反应速度快、稳定性好等优势,是最佳方案。 发明内容本发明的目的在于解决现有技术中的难题,提供一种监控精度高、操作方便、多功能、且含色^Ji控功能的宽光谱光学皿在线监控系统。为实现上述目的,本发明的技术方案为 一种含色y^控功能的宽光 谱光学镀膜在线监控系统,包括光源、用于光学镀膜的真空室、设于真空 室内的监控片、多色仪、电耦合器件、A/D转换电路及计算机,光源发出的 光进入真空室照射到监控片上,光透过真空室并入射到多色仪,经多色仪 衍射后形成的宽光谱入射到电耦合器件上,电耦合器件采集宽光谱的各语 线对应的光强并经电耦合器件的驱动放大,再通过A/D转换电路后输入计 算机,并由计算机的监控软件系统进行处理。真空室与多色仪之间连接有将光由真空室导入多色仪的导光光纤。除 此之外,真空室与多色仪之间也可以设置为将光由真空室反射入多色仪的 反射镜。该多色仪包括入射狭缝,第一、第二平面反射镜,曲面反射镜及光栅, 光由入射狭缝入射,经第一平面4I反射至曲面反射镜,再由曲面反射4M 射至光栅,并由光栅反射,再经曲面反射镜及第二平面反射镜射出多色仪。该光源采用150W的卣鴒灯,并由稳压电源驱动。另外,该计算机的监控软件系统包括用于设置镀膜及电耦合器件参数 的初始化模块、用于控制电耦合器件接收光谱信息及将接收到的模拟信号 转换为数字信号的数据采集模块、对光谱数据进行处理并将处理结果与理 论曲线通过评价函数作蒸镀判停的数据处理模块、及用于负责实测数据和 理论数据在监控程序界面的输出和曲线描绘的数据管理模块。数据处理模 块还对采集到的光谱数据进行取样平均和平滑处理。本发明集合了监控硬件系统及监控软件系统,具有多功能、反应灵敏 的特点,操作者在镀膜过程中,可对光学皿进行宽光谱监控与色度监控。而在监控过程中,操作者可直观地看到镀制过程中实际光谱曲线变化、理 论没计光谱曲线以及它们的接近过程,降低了对操作者熟练度的要求,而 且对规整膜系和非规整膜系都能控制。色度监控功能可以让操作者在镀制 对颜色有严格要求的光学薄膜时,方便对薄膜的色度学参数进行监控。另外,本发明的监控精度高,且膜层监控可重复性好,对非规整膜系 的监控具有优越性,并且在蒸镀过程中测量和记录了整个波段内的透射率 变化情况。所得信息丰富,这还有利于我们实时地测量薄膜的光学常数、 折射率色散和非均匀性等一 系列性质。


图1为本发明含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统的结构原理图;图2为多色仪内部光路结构图;图3为本发明监控软件程序的总体结构框图及流程图。
具体实施方式
下面筒单说明含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统的基本 原理。宽光谱扫描法是利用实测的宽光谱扫描曲线与理论计算的目标光谱曲 线进行比较,并以评价函mj责比较结果给控制系统的一种膜厚监控方法。 假设没有监控片时系统接收光能量为&(义),并设r" ^分别为监控片后表 面的透射率和反射率;r。、 a和t;、《分别是监控片前表面镀膜前和镀膜 过程中的透射率和反射率。那么,在蒸镀开始前透过的光能量为其中%("在蒸镀前以定标存入计算机。在蒸镀过程中的光能量为化棒^ZZI (2) ' 1-《《(2 )、 ( 1)式相除则^(A)被消去,得<formula>formula see original document page 7</formula>在制备多层膜时,第/层的透射率7;与该层膜料的折射率",.和膜厚《以 及所测的波长义有关。若前/-1层膜的"和^已知,以及第/层膜膜料的折射 率^稳定的情况下,则?;仅与所测波长/i有关,即?;=7;"7^)。在蒸镀过比较,但这一方法精度较低,是因为很难有目测判断两曲线是否达到一致。 因此在薄膜蒸镀时,由^计算出z;(;i,^),再用计算机计算在A到A整个宽光谱区间内第/层的评价函数《<formula>formula see original document page 7</formula> (4 )J乂,在蒸镀过程中,当d逐渐逼近《时,巧达到一个才及小值时停止蒸镀,即可达 到监控膜厚的目的。而色^i!i控则是根据现代色度学的CIE标准色度学系统,当得到宽光 谱监控的数据后,通过计算得到实际色度坐标,并与理论色度坐标进行对 比,当实际色度坐标与理论色度坐标最为接近的时候停止蒸镀,即可达到 色度监控的目的。为了计算光源色或物体色的色度坐标,首先须对光源的光功率谱分布 或物体的光谙反射率(透射率)分布进行测定,然后计算颜色的三刺激值, 最后将三剌激值转换为色度坐标。CIE 1931颜色三刺激值的计算方法是用颜色刺激函数伊(;i)分别乘以 CIE光谱三刺激值,并在整个可见光谱范围内分别对这些乘积进行积分,在 实际计算中用求和来近似积分,求和的表达式为<formula>formula see original document page 8</formula>式(5)中X、 Y、 Z是CIE1931标准色度学系统的三刺激值;柳、列义)、柳 是CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值(查表可得);W是波长间隔,一 般取5nm或10nm。式(5)中的p(/1),对于照明体或光源是它们的相对光功率谱分布; 对于物体色,是照明体或光源的相对光谱功率分布与物体的光语透 过率r(A)、或物体的辐亮因数风义)、或物体的光谱^Jt率/ (/l)的乘积式(5)中的常数;t叫做调整因数,它是将照明体(或光源)的Y值调整为100时得出<formula>formula see original document page 8</formula>对于求在照明体(或光源)下反射物体或透射物体的三刺激值,则不用乘 以调整因数h物体色的亮度因数为其Y刺激值除以照明体或光源调整后的Y刺激值<formula>formula see original document page 8</formula>由式(5)算出物体的CIE1931三刺激值以后,再按式(9)的形式将其 转换为物体的CIE 1931色度坐标,即"~~^^ (9) z下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图l所示, 一种含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统, 包括光源l、用于光学镀膜的真空室2、设于真空室2内的监控片3、多色 仪4、电耦合器件(Charge Coupled Device简称CCD) 5、 A/D转换电路6 及计算机7,光源l发出的光进入真空室2照射到监控片3上,光透过真空 室2并入射到多色仪4,经多色仪4衍射后形成的宽光谱入射到电耦合器件 5上,电耦合器件5采集宽光谱的各谱线对应的光强并经电耦合器件5的驱 动放大,再通过A/D转换电路6后输入计算机7,并由计算机7的监控系统 进行处理。如图2所示,该多色仪4包括入射狭缝9,第一、第二平面反射镜IO、 11,第一、第二曲面反射镜12、 15及光栅13,光由入射狭缝9入射,经第 一平面镜10反射至第一曲面反射镜12,再由第一曲面反射镜12反射至光 栅13,并由光栅13反射,再经第二曲面反射镜15及第二平面反射镜11射 出多色仪4。本系统采用东芝TCD1251UD型CCD,有效像元为2700个。在镀膜时,真 空室2内由于电子枪、离子源以及烘烤等原因,是一个背景光强^艮大的环 境,相比之下,信号光强度很小。因此必须通过有效的方法对原有系统的9光路进行改造来提高监测信号的信噪比(1)将30W的由鴒灯换成150W的卣鴒灯以提高光源1光强,并使用 稳压电源稳定光源1输出。(2 )采用导光光纤8将监测光导入多色仪4,以减少光信号能量在传 播过程中的损耗和杂散光的干扰。除此之外,真空室2与多色仪4之间也 可以设置为将光由真空室2反射入多色仪4的反射镜。(3 )通过特制的夹具14将导光光纤8头固定在多色仪4的入射狭缝9 前,调整距离令光纤头的成像点恰好进入入射狭缝9。多色仪4中的光栅 13将入射光投射到CCD上。系统选用CCD中线性较好的2000个有效像元对380nm—780nm光谱进行 检测,波长分辨率达到0. 5nm。 CCD检测到的信号已经具有比较高的精度和 比较好的稳定性,再配合计算机监控软件的数据处理精度和稳定度将进一 步提高,完全可以达到实时监测的要求。本发明的软件系统采用Microsoft 7>司的Visual Basic 6.0结合 MathWorks公司的MatrixVB开发。MatrixVB是MathWorks针对VB提供的 一个Matlab C0M组件,它提供了 600多个Matlab函数和大量有效算法, 可以加强VB内建数学运算。本程序中MatrixVB主要处理后台大量的运算 分析,如薄膜特征计算,输入数据的平滑去噪处理,评价函数的运算等; VB主要处理前台工作,如显示输出界面,描症会数据曲线,辅助判停显示, 数据文件管理等。监控软件系统由四大模块组成,主控程序将这四大模块有机的结合在 一起,并实现人机交互功能。监控程序的总体结构框图及监控流程图,如图3所示。(l)初始化模块。负责设置镀膜时如入射角、参考波长等参数,设置 CCD像元和谱线位置的对应关系及CCD的使用#,设置监控时采样时间和 平均采片羊次数。同时将测到的背景光强加以〗务正后定义为最大光强^(义i), 实现光强定标。则透射率r(义i)为其中^(A)为镀膜过程中测得的光强,A为》务正值。(2 )数据采集模块。负责控制CCD驱动电路令线阵CCD进行自动扫描 接收每一像元的光谱信息,控制12位A/D采集卡将CCD接收的模拟信号转 换为数字信号,最终送入计算机。(3 )数据处理模块。首先输入膜系各层的膜厚和折射率并通过传输矩阵法计算出各层膜停 镀时的理论曲线以及评价函数的走势,作为蒸镀的判停提供参考。其次因为在实际皿监控中难免会出现杂散光干扰产生噪声,使光谱产 生毛刺和抖动。所以本模块的功能包括对釆集到的光谱数据进行取样平均 和平滑处理。取样平均处理是通过将多次测量结果的相同像元值取平均的方式来消 除抖动。而平滑处理是通过每三个点求平均值的方法来平滑数据。其中&为 波长采样间隔,才艮据实际情况可以进4亍多次的平滑处理。r(;t) = (r(/t 一义加)+r(/t)+r(/L+义加))/ 3 以上两种方法同时使用可以消除光源的不稳定得到平滑的光谱曲线,但是其代价是牺牲响应速度。由于系统中一般默认CCD的积分时间为10ms,平均采样20次,平滑处理30次,则一般每O. 4s有一次输出,这对于镀膜 过程中蒸发速率而言在时间上是充足的。而且使用者可以根据实际的使用 情况改变以上参数来减少监测的时间间隔。最后将已作处理的实际透射率数据与理论值相比较,作镀膜过程中停 止蒸镀的判断。(4)数据管理模块。该模块主要负责实测数据和理论数据在监控程序 界面的输出和曲线描绘。同时使用者可以根据所需监控的波长范围和透射 率范围来放大或缩小显示范围,使监控更加准确。该模块还包括文件管理 功能,能实现采样数据,评价函数数据的保存及导入,膜系的保存及导入, 膜料库的管理。以上操作都是基于人们所熟悉的Windows操作,操作简单 方便。
权利要求
1、一种含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统,其特征在于包括光源(1)、用于光学镀膜的真空室(2)、设于真空室(2)内的监控片(3)、多色仪(4)、电耦合器件(5)、A/D转换电路(6)及计算机(7),光源(1)发出的光进入真空室(2)照射到监控片(3)上,光透过真空室(2)并入射到多色仪(4),经多色仪(4)衍射后形成的宽光谱入射到电耦合器件(5)上,电耦合器件(5)采集宽光谱的各谱线对应的光强并经电耦合器件(5)的驱动放大,再通过A/D转换电路(6)后输入计算机(7),并由计算机(7)的监控软件系统进行处理。
2、 根据权利要求1所述的含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控 系统,其特征在于真空室(2)与多色仪(4)之间连接有将光由真空室(2 )导入多色仪(4 )的导光光纤(8 )。
3、 根据权利要求1所述的含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控 系统,其特征在于真空室(2)与多色仪(4)之间设置有将光由真空室(2 )反射入多色仪(4 )的反射镜。
4、 根据权利要求1所述的含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控 系统,其特征在于该多色仪(4)包括入射狭缝(9),第一、第二平面反 射镜(10)、 (11),第一、第二曲面反射镜(12)、 (15)及光栅(13),光 由入射狭缝(9)入射,经第一平面镜(10)反射至第一曲面反射镜(12), 再由第一曲面反射镜(12)反射至光栅(13),并由光栅(13)反射,再经 第二曲面反射镜(l5)及第二平面反射镜(11)射出多色仪(4)。
5、 根据权利要求1所述的含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统,其特征在于该光源(1)采用150W的卣鵠灯,并由稳压电源驱动。
6、 根据权利要求1所述的含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控 系统,其特征在于该计算机(7)的监控软件系统包括用于设置镀膜及电 耦合器件参数的初始化模块、用于控制电耦合器件接收光谱信息及将接收 到的模拟信号转换为数字信号的数据采集模块、对光谱数据进行处理并将 处理结果与理论曲线通过评价函数作蒸镀判停的数据处理模块、及用于负 责实测数据和理论数据在监控程序界面的输出和曲线描绘的数据管理模 块。
7、 根据权利要求6所述的含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控 系统,其特征在于数据处理模块还对采集到的光谱数据进行取样平均和 平滑处理。
全文摘要
本发明涉及一种含色度监控功能的宽光谱光学镀膜在线监控系统,包括光源、用于光学镀膜的真空室、设于真空室内的监控片、多色仪、电耦合器件、A/D转换电路及计算机,光源发出的光进入真空室照射到监控片上,光透过真空室并入射到多色仪,经多色仪的光栅衍射后形成的宽光谱入射到电耦合器件上,电耦合器件采集宽光谱的各谱线对应的光强并经电耦合器件的驱动放大,再通过A/D转换电路后输入计算机,并由计算机的监控软件系统进行处理。本发明监控精度高且操作方便。
文档编号G01J3/12GK101251609SQ20081002685
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月18日 优先权日2008年3月18日
发明者张豪杰, 江绍基, 潘洪昌, 钟金池 申请人:中山大学
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