专利名称：一种复合光路宽光谱膜厚监控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型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系统，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l/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系统，其光路 系统仍是借鉴极值法光学膜厚监控系统，即釆用基本相同的光路系 统，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 设备的膜厚监控系统进行更换或升级改造。 发明内容
本实用新型提出一种复合光路宽光谱膜厚监控装置，实现基于宽 光谱扫描法的宽光谱膜厚监控系统和基于极值法的光学膜厚监控系 统的兼容并用。
本实用新型的技术解决方案如下
一种复合光路宽光谱膜厚监控装置，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装置，其特征在于在光路系统中设 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，由系统监控软件进行 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。
本实用新型所提出的复合光路宽光谱膜厚监控装置，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系 统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系 统的改造升级，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。
图1为本实用新型的系统结构图2为本实用新型的系统复合光路图3为本实用新型的分光镜示意图4为本实用新型的分光镜的反射光谱。
具体实施方式
以下结合附图具体说明，
如图1所示，本实用新型提出一种复合光路宽光谱膜厚监控装置，其结构包
括光发射装置l、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为釆用线性硅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，在光路系统中设置复合光路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50mn^50mn^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。
权利要求1、一种复合光路宽光谱膜厚监控装置，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，其特征是在光路系统中设置复合光路(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、 如权力要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控装置，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、 如权力要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控装置，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、 如权力要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控装置，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、 如权力要求4所述的复光路宽光谱膜厚监控装置，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、 如权力要求5所述的复光路宽光谱膜厚监控装置，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、 如权力要求1或2所述的复合光路宽光谱膜厚监控装置，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，由系统监控软件进行信号采集和处理， 进行宽光谱膜厚监控。
8、 如权力要求7所述的复合光路宽光谱膜厚监控装置，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、 如权力要求1所述的复合光路宽光谱膜厚监控装置，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。
专利摘要本实用新型提出一种复合光路宽光谱膜厚监控装置，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。本实用新型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系统和基于单波长极值法的光学膜厚监控系统的兼容并行使用。
文档编号C23C14/52GK201228283SQ20082004680
公开日2009年4月29日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者豪 任, 王巧彬, 罗宇强 申请人:广州市光机电技术研究院