专利名称：一种高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统及分光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学镀膜膜厚光语法在线监控系统及分光装置， 应用于光学镀膜机的镀膜过程的自动在线膜厚监控。
背景技术：
薄膜的制备，除了选择合适的材料和制备工艺外，还必须精确控 制其厚度。镀膜过程中的膜层厚度是无法直接测量的，通常都是监控 一种与厚度有关的量，然后由此计算出膜层的厚度。
光学薄膜的理论基础是光的干涉理论，所以特别关注的是光学厚 度，目前属于光学厚度监控的方法包括单波长监控法和宽光谱监控法。
单波长监控法的特点是直接监控膜层的 一个波长点的绝对透射率 或反射率值，根据已知多层膜系的参数，预先计算出各膜层理论厚度 对应的这个监控波长点停止时的透射率值/反射率值，然后按计算值控 制每一层膜。采用光电法，使用单色仪分光，光电倍增管等探测器接
收，优点是波长分辨率高，使用入射狹缝100jum、出射狭缝100jam、 焦距300mm的单色仪，其波长分辨率为0. 27nin。缺点是由于只监控一 个波长点的光度值，数据量小，如果出现不可预知的干扰信号会造成 系统停点误判，无法进行监控。
宽光语监控是在350-1050nm全光语的波长范围内监视薄膜的光语 特性，实时测量的是全光谱的透射率或反射率值，得到的是光谱曲线。 特点是控制直观、精确，得到的信息量远远高于单波长监控方法； 在一定光谱范围内可以实现膜层厚度误差补偿。宽光谱监控一般选用 以CCD阵列为主的光i普仪，焦距一般较短，此类光语仪具有反应速度 快、稳定性好、体积小等优势，缺点是波长分辨率不高。计算波长分 辨率的公式
波长分辨率(FWHM)=像素分辨率x色散数
例如，使用入射狭缝100jum、像素3648个、光谱宽度700nm的光语仪，进行全光语检测，其像素分辨率为9 pixels,色散数为 700nm/3648 pixels。通过上述公式可以计算出波长分辨率为6. 5nm, 这对镀制窄带干涉滤光片等高精度薄膜产品是不够的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分辨率窄波段光镨在线膜厚监控系 统以及分光装置，该分光装置可以提高宽光语监控系统的波长分辨率， 以拓展宽光镨监控系统地应用范围，实现高精度自动镀膜过程。
为实现上述目的，本发明的高分辨率窄波段光语分光装置，包括 入射狭缝、第一准直物镜、平面光栅、第二准直物镜、平面反射镜， 复合光经入射狭缝投射到第一准直物镜上得到平行光束，平行光束经 平面光栅分光后投射到第二准直物镜，经平面反射镜后成像于第二准 直物镜的聚焦面上，其特征在于，所述第二准直物镜的聚焦面上设置 有出射窗口 ，所述出射窗口处形成按波长顺序排列的光谱带。
进一步，所述光语带的宽度是根据出射窗口的大小所决定的。
进一步，所述平面光栅上设置有驱动电机，通过驱动电机控制平 面光栅旋转，进而控制平行光束以不同的衍射角投射到所述第二准直 物镜上。
进一步，所述出射窗口的大小为l-10mm。
本发明的高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统，包括光源、发 射单元、监控片、接收单元、光谗分光装置、CCD阵列信号转换系统和 控制采集单元，光源发出的光信号通过光纤传输给固定在真空室的发 射单元，然后入射到真空室内，并在监控片上形成光斑，经监控片反 射，由光接收单元接收后的光被光语分光装置色散后在其出射窗口形 成某一波长范围的光语带，位于出射窗口处的CCD阵列信号转换系统 将光镨带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由控制采集单元进行A/D 变换后给计算机进行数据处理和计算。
进一步，所述光谱带的范围为400nm-900nm。
进一步，所述光语分光装置，包括入射狭缝、第一准直物镜、平 面光栅、第二准直物镜、平面反射镜，复合光经入射狭缝投射到第一 准直物镜上得到平行光束，平行光束经平面光栅分光后投射到第二准
5直物镜，经平面反射镜后成像于第二准直物镜的聚焦面上，第二准直 物镜的聚焦面上设置有出射窗口 ，该出射窗口处形成按波长顺序排列 的光语带。
进一步，所述CCD阵列信号转换系统设置在所述第二准直物镜的 聚焦面处。
进一步，所述CCD阵列信号转换系统为线阵CCD。 进一步，光束经所述光语分光装置和CCD阵列信号转换系统后得 到光谱分辨率为0. 2-lnm。
本发明高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统，将光谱分光装置 与线阵CCD相结合，实现了动态的监控波长调整，形成以监控波长点 为中心的对称的左右各数十纳米的光镨带，在每一监控点得到近一百 纳米的光语信号，光谱数据量大，波长分辨率高，评价函数计算精确， 为光语监控系统在光学镀膜过程中实现高精度自动镀膜提供了 一种科 学的方法。
图1为本发明的监控系统的结构示意图2为本发明的光语分光装置的分光原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的高分辨率窄波^险光语在线膜厚监控系统， 包括光源l、发射单元2、监控片4、接收单元5、单色仪6、 CCD阵列 信号转换系统7和控制采集单元8,光源1发出的光信号通过光纤传输 给固定在真空室3上的发射单元2，然后入射到真空室3内，并在监控 片4上形成光斑，经监控片4反射，由接收单元5接收后的光被单色 仪6色散后在其出射窗口形成某一波长范围的光语带，位于出射窗口 处的CCD阵列信号转换系统7将光镨带的强度分布转变为电荷强弱的 分布，由控制采集单元8进行A/D变换后给计算机9进行数据处理和 计算。
如图1和2所示，本发明监控系统的分光及光电转换过程如下 接收单元5得到的复合光经入射狭缝61冲更射到第一准直物镜62上，入射狭缝61处于第一准直物镜62的聚焦面上。因此，经第一准直物 镜62后的光束为平行光束，该平行光束经平面光栅63分光后，分成 不同波长的平行光束以不同的衍射角投向第二准直物镜64上，第二准 直物镜64起照相物镜的作用，这些平行光束经平面反射镜65反射后 成像于第二准直物镜64的聚焦面上，从而得到一系列按波长顺序排列 的光谱带，出射窗口 66位于第二准直物镜64的聚焦面上，驱动平面 光栅63,可以在出射窗口 66处形成以监控波长点为中心的对称的左右 各数十纳米的光谱带，由位于出射窗口 66处的具有数千个像素的CCD 阵列信号转换系统7将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，控制 采集单元经A/D变换后由计算机监控软件接收数据进行光谱变换、光 镨拟合，计算出评价函数。根据评价函数值监控系统进行自动判停。
出射窗口 66的大d、一般设置为3-5mm，令单色仪6分光后形成某 一监控波长带点的谱带，该谱带的宽度由出射窗口 66的大小所决定， 出射窗口66越大，其分光后所得的镨带越宽，为了保证经CCD阵列信 号转换系统7后具有高分辨率，分光后所得的某一监控波长点的谱带 不宜过宽，为监控波长点为中心的对称的左右各数十纳米的光谱带， 该光谱带一般为100nm,其监控点波长的范围一般为400-900nm。
单色仪6的参数为，入射狭缝100iam、出射窗口 3隨、焦距300mm, 经过测算其像素分辨率约为7.3 pixels。如监控波长为400nm,驱动 光栅，调整波长到400nm，在出射窗口 66形成350-450nm的光i普带， 由CCD的3648个有效像素接收，色散凄t为100nm/3648 pixels,由么、 式波长分辨率(FWHM)=像素分辨率x色散数，可以计算出此装置 的波长分辨率为0. 2nm。对于监控波长为900nm,驱动光4册63,调整波 长到900nm，则在出射窗口 66形成850-950nm的光语带，均为监控波 长点为中心的对称左右各50nm的光语带，该光谱带的宽度为100nm， 计算得出此装置的波长分辨率为0. 2nm。对于监控波长为650nm，驱动 光栅63,调整波长到650nm，则在出射窗口 66形成600-700nm的光i普 带。以此类推对于400-900認波长范围中的任一监控点其在出射窗口 66处均形成一宽度为100nm的光谱带，计算得出此装置的波长分辨率 为0. 2nm。根据镀膜的需要还可以调整入射狭缝61和出射窗口 66的大 小来调整此装置的波长分辨率。出射窗口 66的大小与监控波长的语带的宽度有关，出射窗口 66越大所得到的监控波长的谱带宽度越宽。该 监控系统中分光装置的波长分辨率一般为0. 2-lnm。
本发明的监控系统，既保证了具有足够的监控数据量，又有效的 提高了装置的波长分辨率，有效解决了单波长监控和宽光谱监控的弊 端，为光谱监控系统在光学镀膜过程中实现高精度自动镀膜提供了 一 种科学的方法。
需要指出的是，根据本发明具体实施方式
所做出的任何形式上的 变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求所保护的范围。
权利要求
1.一种高分辨率窄波段光谱分光装置，包括入射狭缝、第一准直物镜、平面光栅、第二准直物镜、平面反射镜，复合光经入射狭缝投射到第一准直物镜上得到平行光束，平行光束经平面光栅分光后投射到第二准直物镜，经平面反射镜后成像于第二准直物镜的聚焦面上，其特征在于，所述第二准直物镜的聚焦面上设置有出射窗口，所述出射窗口处形成按波长顺序排列的光谱带。
2. 如权利要求l所述的光语分光装置，其特征在于，所述光谱带的宽度 是根据出射窗口的大小所决定的，出射窗口越大光谱带的宽度越宽。
3. 如权利要求l所述的光谱分光装置，其特征在于，所述平面光栅上设 置有驱动电机，通过驱动电机控制平面光栅旋转，进而控制平行光束 以不同的衍射角投射到所述第二准直物镜上。
4. 如权利要求l-3任一所述的光谱分光装置，其特征在于，所述出射窗 口的大小为l-10mm。
5. —种高分辨率窄波段光语在线膜厚监控系统，包括光源、发射单元、 监控片、接收单元、光镨分光装置、CCD阵列信号转换系统和控制采 集单元，光源发出的光信号通过光纤传输给固定在真空室的发射单 元，然后入射到真空室内，并在监控片上形成光斑，经监控片反射， 由接收单元接收后的光被光语分光装置色散后在其出射窗口形成某 一波长范围的光语带，位于出射窗口处的CCD阵列信号转换系统将光 谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由控制采集单元进行A/D变 换后给计算机进行数据处理和计算。
6. 如权利要求5所述的高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统，其特征 在于，所述光语带的范围为400nm-900nm。
7. 如权利要求5所述的高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统，其特征 在于，所述光语分光装置，包括入射狭缝、第一准直物镜、平面光栅、 第二准直物镜、平面反射镜，复合光经入射狭缝投射到第一准直物镜 上得到平行光束，平行光束经平面光栅分光后投射到第二准直物镜， 经平面反射镜后成像于第二准直物镜的聚焦面上，第二准直物镜的聚 焦面上设置有出射窗口，该出射窗口处形成按波长顺序排列的光谱带。
8. 如权利要求5所述的高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统，其特征 在于，所述CCD阵列信号转换系统为CCD线阵列。
9. 如权利要求5所述的高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统，其特征 在于，所述出射窗口的大小为l-10mm。
10. 如权利要求5-9任一所述的高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统， 其特征在于，光束经所述光谱分光装置和CCD阵列信号转换系统后得 到光i普分辨率为0. 2-lnm。
全文摘要
本发明公开了一种高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统及分光装置，该系统包括光源、发射单元、监控片、接收单元、光谱分光装置、CCD阵列信号转换系统和控制采集单元。本发明的光谱分光装置包括入射狭缝、第一准直物镜、平面光栅、第二准直物镜、平面反射镜。本发明高分辨率窄波段光谱在线膜厚监控系统，将光谱分光装置与线阵CCD相结合，实现了动态的监控波长调整，形成以监控波长点为中心的对称的左右各数十纳米的光谱带，在每一监控点得到近一百纳米的光谱信号，光谱数据量大，波长分辨率高，评价函数计算精确，为光谱监控系统在光学镀膜过程中实现高精度自动镀膜提供了一种科学的方法。
文档编号G01B11/06GK101561559SQ200910084709
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月25日 优先权日2009年5月25日
发明者吴青松, 张喆民, 李小龙, 李春业, 威 王, 贾秋平, 黄达泉 申请人:北京奥博泰科技有限公司;贾秋平