專(zhuān)利名稱：光學(xué)薄膜厚度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一、所屬領(lǐng)域本實(shí)用新型屬于光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種真空鍍制光學(xué)薄膜的光學(xué)薄膜厚度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控儀。
現(xiàn)有膜厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力、穩(wěn)定性較差的主要原因有①.光源、光電倍增管及其供電源的工作穩(wěn)定性顯著影響著監(jiān)測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性。例如，光電倍增管高壓的微小波動(dòng)將引起超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)的輸出波動(dòng)。因此在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，它們的穩(wěn)定性要求是非常高的。②.監(jiān)測(cè)光直接照射到單色儀入射狹縫上的這種結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的抗震動(dòng)能力、排除雜散光能力比較弱，影響著監(jiān)測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性。③.模擬電路的設(shè)計(jì)，尤其是電子元?dú)饧馁|(zhì)量?jī)?yōu)劣決定著信號(hào)濾波處理的好壞。④.僅僅通過(guò)模擬濾波處理，而未進(jìn)一步數(shù)字濾波、處理就由數(shù)碼管進(jìn)行顯示，也影響著監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)碼顯示的穩(wěn)定性。
光學(xué)薄膜厚度的準(zhǔn)確監(jiān)控，是制備光學(xué)薄膜的關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響著薄膜的反射率、透射率光譜特性和偏振特性。而光學(xué)薄膜厚度監(jiān)控的對(duì)象是指在薄膜的鍍制過(guò)程中，為了保證生產(chǎn)出合格的薄膜產(chǎn)品，在鍍膜過(guò)程中對(duì)薄膜的反射率(或透射率)進(jìn)行測(cè)量和控制(其測(cè)量是在鍍膜過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行的)，并將測(cè)量結(jié)果用于對(duì)薄膜膜層厚度的控制。監(jiān)控時(shí)，一旦測(cè)量數(shù)值達(dá)到與所要求的膜厚相對(duì)應(yīng)的數(shù)值時(shí)，就立即關(guān)閉擋板，停止膜層蒸鍍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜厚度的控制。
光學(xué)薄膜厚度的準(zhǔn)確監(jiān)控，依賴于對(duì)極值點(diǎn)的準(zhǔn)確判斷，進(jìn)一步要求測(cè)量數(shù)據(jù)的高度穩(wěn)定、準(zhǔn)確。發(fā)明的目的正在于不大幅度提高系統(tǒng)成本的同時(shí)，獲得穩(wěn)定性相對(duì)較好的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對(duì)光學(xué)薄膜厚度的準(zhǔn)確監(jiān)控之目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，光學(xué)薄膜厚度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控儀，包括，一對(duì)硅光電池1和2、光纖傳感器9、反光鏡3、4、5和半透半反鏡6、7，其特征在于硅光電池1和2分別設(shè)置在監(jiān)控的光源上，用于接收、形成測(cè)試信號(hào)和參考信號(hào)的解調(diào)信號(hào)，硅光電池1用于參考路解調(diào)信號(hào)，硅光電池2經(jīng)調(diào)制器27調(diào)制后用于測(cè)試路解調(diào)信號(hào)；參考路解調(diào)信號(hào)和測(cè)試路解調(diào)信號(hào)分別經(jīng)放大器18、濾波器19和放大器16、濾波器17進(jìn)入鎖相器22和鎖相器23中；半透半反鏡6將從反射鏡3透過(guò)的光作為參考光信號(hào)，反光鏡3設(shè)置在半透半反鏡6的光路上，半透半反鏡7的光路上設(shè)置有反光鏡4，反光鏡4將半透半反鏡7傳遞的光反射到比較片8上，通過(guò)比較后，比較片8再將反光鏡4傳遞的光傳遞到反光鏡5上作為測(cè)試光信號(hào)；參考光信號(hào)和測(cè)試光信號(hào)傳遞至光纖傳感器9中，光信號(hào)經(jīng)耦合器10耦合后送入單色儀11和光電倍增管12，經(jīng)前級(jí)放大13、次級(jí)放大14和三級(jí)放大15后，分別送入帶通濾波器20、21中，帶通濾波器20、21再將信號(hào)送入鎖相器22和鎖相器23中，鎖相器22和鎖相器23將上述四路信號(hào)分別分離出參考信號(hào)和蒸發(fā)狀態(tài)信號(hào)以及測(cè)試信號(hào)和真空度信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集卡24，數(shù)據(jù)采集卡24還接有一溫度信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡接入計(jì)算機(jī)25；計(jì)算機(jī)25與打印機(jī)、數(shù)碼顯示、顯示器相連并控制伺服系統(tǒng)26，伺服系統(tǒng)26與比較片8相連；光源發(fā)出的光分為兩束，分別經(jīng)不同頻率調(diào)制后，再各自經(jīng)分束鏡得到四束光線；其中兩束光線由光纖進(jìn)入單色儀、光電倍增管，另外兩束光線由硅光電池接收，分別形成測(cè)試信號(hào)和參考信號(hào)的解調(diào)信號(hào)；進(jìn)入光電倍增管的兩束光線形成具有不同頻率的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)；這兩信號(hào)共同經(jīng)過(guò)前置放大和多級(jí)放大后，由帶通濾波器、鎖相放大器進(jìn)行解調(diào)處理，得到直流參考信號(hào)和測(cè)試信號(hào)，并由數(shù)據(jù)采集卡采集；對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)字相除和顯示線性化以后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、打?。煌瑫r(shí)，計(jì)算機(jī)不停地對(duì)變化的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、比較，一旦該信號(hào)達(dá)到極值點(diǎn)的過(guò)正量或預(yù)先計(jì)算得到的反射率值時(shí)，通過(guò)伺服系統(tǒng)及時(shí)關(guān)閉擋板，停止膜層蒸鍍；從而完成對(duì)膜層厚度的監(jiān)控。
本實(shí)用新型的其它一些特點(diǎn)是，所述調(diào)制器27采用雙頻率調(diào)制器。
調(diào)制器27采用雙頻率調(diào)制器。
本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有膜厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，著重突出了以下特色A利用四光路系統(tǒng)對(duì)光學(xué)薄膜鍍制過(guò)程中的光譜透(反)射率進(jìn)行測(cè)量；B利用同一光源、同一單色儀、同一光電倍增管和雙頻調(diào)制器及雙鎖定放大器同時(shí)測(cè)量信號(hào)的光強(qiáng)和參考光強(qiáng)；C利用測(cè)得的兩光強(qiáng)信號(hào)之比來(lái)代替透(反)射率值，以消除共摸干擾的影響；D利用專(zhuān)用軟件消除差摸及隨機(jī)干擾的影響。1)調(diào)制器采用雙頻率調(diào)制器在光電檢測(cè)中，光調(diào)制是重要的內(nèi)容，常有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制。本系統(tǒng)采用的是強(qiáng)度調(diào)制(又稱光通量調(diào)制)，是指使光載波信號(hào)的特征參數(shù)(強(qiáng)度)按被傳送信息的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)傳送的方法。將光源發(fā)出的光經(jīng)不同的頻率的調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，其作用有①.可以減小雜散光線對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在測(cè)量過(guò)程中很難避免外界非信號(hào)光進(jìn)入光電倍增管，如膜料蒸發(fā)融化時(shí)發(fā)出的光等。這些光信號(hào)被光電倍增管接收后，將附加在測(cè)量信號(hào)上。這些附加信號(hào)的共同特點(diǎn)是以直流量形式出現(xiàn)。將信號(hào)光進(jìn)行調(diào)制，并在放大器間進(jìn)行交流耦合，使交變信號(hào)得以通過(guò)，隔離掉非信號(hào)的直流分量，從而消除了雜散光的影響。
②.可以消除光電倍增管暗電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。各種光電或熱電器件，由于溫度暗發(fā)射或外加電場(chǎng)的作用，當(dāng)無(wú)外界光信號(hào)作用時(shí)，在其基本工作回路中都有暗電流產(chǎn)生。在直流測(cè)量時(shí)，暗電流將附加在信號(hào)中影響測(cè)量結(jié)果，如果采用調(diào)制光信號(hào)，就可消除暗電流的影響。
③.調(diào)制信號(hào)還是鎖相放大器及選頻放大器工作時(shí)所必須的工作信號(hào)。
本實(shí)用新型與國(guó)產(chǎn)的鍍膜機(jī)(以本研究中所用的北京儀器廠產(chǎn)DMD-700J鍍膜機(jī)為例)相比，將單頻率調(diào)制變?yōu)殡p頻率調(diào)制(測(cè)試光路為33Hz、參考光路為383Hz)，這不僅具有上述3條優(yōu)點(diǎn)，而且為四光路系統(tǒng)、雙鎖相電路和測(cè)試與參考的數(shù)字相除做準(zhǔn)備，從而可以最大限度地抑制光源、調(diào)制電機(jī)、單色儀及倍增管等共用部分的干擾。為了調(diào)制頻率穩(wěn)定便于電路的調(diào)試、正常工作，新系統(tǒng)采用了大功率、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的調(diào)制電機(jī)。2)四光路系統(tǒng)四光路透鏡成像系統(tǒng)是指，含有監(jiān)控片膜厚變化信息的33HZ調(diào)制測(cè)試光路，含有調(diào)制光源信息的383HZ調(diào)制參考光路，以及33HZ、383HZ兩路調(diào)制解調(diào)光路(用于互相關(guān)檢測(cè)的雙鎖相電路)。測(cè)試光信號(hào)和參考光信號(hào)通過(guò)共同的光纖傳輸?shù)絾紊珒x上，再由同一光電倍增管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。
本實(shí)用新型采用單頻率調(diào)制測(cè)試光路和調(diào)制解調(diào)光路，這種結(jié)構(gòu)使得測(cè)試信號(hào)的穩(wěn)定性顯著依賴著光源、光電倍增管及其供電源的工作穩(wěn)定性。四光路系統(tǒng)盡管比原系統(tǒng)的光路復(fù)雜一些，但是卻大大降低了這些關(guān)鍵設(shè)備的工作穩(wěn)定性要求，而且會(huì)顯著提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性和鍍膜重復(fù)性。3)光纖原鍍膜系統(tǒng)采用的是平行光路和直接照射在單色儀入射狹縫這種結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型采用成像光路并由光纖傳遞。光纖具有良好的傳光性能，能提高光能的利用率；具有多種幾何適應(yīng)性，能放置在小孔等測(cè)量點(diǎn)(利于成像系統(tǒng)的信號(hào)接受)；采用光纖來(lái)傳遞被測(cè)光信號(hào)，可排除在光線傳輸時(shí)雜散光線對(duì)測(cè)量光信號(hào)的干擾；采用光纖與單色儀連接，可以消除鍍膜機(jī)振動(dòng)對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。4)耦合器用光纖來(lái)傳遞透鏡成像系統(tǒng)的被測(cè)光信號(hào)，并與單色儀進(jìn)行聯(lián)結(jié)。這需要一個(gè)近似的4f透鏡成像系統(tǒng)作為耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠、可移動(dòng)連接。因?yàn)楣饫w出射窗與單色儀入射狹縫均有一個(gè)數(shù)值孔徑，數(shù)值孔徑的耦合可實(shí)現(xiàn)最大效率的傳光，經(jīng)過(guò)估算，約為一個(gè)4f系統(tǒng)。5)單色儀與光電倍增管單色儀的作用是將光纖傳遞來(lái)的光信號(hào)分成單色光。從單色儀出射狹縫出來(lái)的單色光波長(zhǎng)與膜層監(jiān)控波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。使用單色儀可以減少雜散光線對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響。
光電倍增管是一種建立在光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論基礎(chǔ)上的，把微弱入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電子，并獲得倍增的真空光電發(fā)射器件。其主要特點(diǎn)是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪聲小。它是電流放大器件，具有較高的電流增益，特別適應(yīng)于微弱光信號(hào)的探測(cè)。6)前置放大器、多級(jí)放大、選頻放大器和雙鎖相放大器光電倍增管所接收的光信號(hào)十分微弱，其輸出的信號(hào)往往也被深埋在噪聲之中，需要對(duì)其進(jìn)行放大。因此在光電倍增管的輸出端都緊密地連接著一個(gè)低噪聲前置放大器。其作用是放大光電管增管輸出的微弱電信號(hào)并提高信噪比；匹配后置處理電路與光電倍增管之間的阻抗，提高信號(hào)的傳輸功率。對(duì)前置放大器的要求為低噪聲、高增益、足夠的信號(hào)帶寬和負(fù)載能力；良好的線性和抗干擾能力；在結(jié)構(gòu)上要求緊湊，靠近檢測(cè)器件；良好的接地與屏蔽。本實(shí)用新型采用場(chǎng)效應(yīng)管作為前置放大器。
次級(jí)放大和三級(jí)放大的設(shè)計(jì)是根據(jù)輸入信號(hào)為3mV-10mV和數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入范圍為5V的要求進(jìn)行的。
本實(shí)用新型與原系統(tǒng)的單頻率調(diào)制信號(hào)相比，在電路檢測(cè)中，為了突出信號(hào)和抑制噪聲，同時(shí)將迭加在一起的雙頻率調(diào)制信號(hào)分離，采用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行選頻放大。
鎖相放大器是一種通用的對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。它利用與被測(cè)信號(hào)有同頻率的鎖相關(guān)系的解調(diào)信號(hào)作比較，只對(duì)被測(cè)信號(hào)本身和那些與解調(diào)信號(hào)同頻(或倍頻)、同相的噪聲分量有響應(yīng)。因此，能大幅度地抑制噪聲，提高探測(cè)靈敏度和信噪比，是微弱光信號(hào)測(cè)量的一種有效器件。
本實(shí)用新型與原來(lái)系統(tǒng)相比，采用了雙鎖相放大電路(與四光路設(shè)計(jì)是對(duì)應(yīng)的)。整個(gè)電路部分(從前置電路到鎖相電路)采用對(duì)稱布局設(shè)計(jì)，并選用相同或相近品質(zhì)的高性能元器件，為后面的用“數(shù)字相除”抑制電路漂移創(chuàng)造了條件。為了提高電路系統(tǒng)的抗干擾能力，將單色儀、光電倍增管一體化屏蔽，對(duì)電路、計(jì)算機(jī)和采集卡等進(jìn)行了接地屏蔽。信號(hào)的連接采用了高性能信號(hào)線。7)多路采集、數(shù)字濾波和數(shù)字除法器用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電路輸出的測(cè)試信號(hào)、參考信號(hào)以及真空度、基底溫度、蒸發(fā)狀態(tài)等進(jìn)行多路采集。依據(jù)采樣定理和算法確定一合適的采樣頻率進(jìn)行多路采集，并保證測(cè)試和參考兩路的A/D轉(zhuǎn)換精度一致，以利于共模干擾的消除。
對(duì)于差模干擾主要采用了數(shù)字濾波技術(shù)。與模擬濾波相比較有如下優(yōu)點(diǎn)不需要硬件設(shè)備；多個(gè)輸入通道“共用”一個(gè)濾波程序；可靠、穩(wěn)定；可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波；改變?yōu)V波參數(shù)靈活方便。如，防脈沖干擾復(fù)合濾波法。
測(cè)試信號(hào)除以參考信號(hào)的數(shù)字相除與模擬除法器相比有精度高、穩(wěn)定性好、無(wú)干擾的優(yōu)點(diǎn)。重要的是，數(shù)字相除可以消除光源、光電倍增管等引起的共模干擾，最終實(shí)現(xiàn)了四光路、雙鎖相電路的設(shè)計(jì)目的—提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。8)數(shù)碼顯示、數(shù)據(jù)打印和報(bào)警控制膜厚信號(hào)既經(jīng)過(guò)了雙鎖相電路處理又采用了多種數(shù)字技術(shù)處理(數(shù)字濾波、數(shù)字相除和顯示線性化)，再由數(shù)碼管顯示。這與原系統(tǒng)的只由模擬電路處理就進(jìn)行數(shù)碼顯示相比，穩(wěn)定性是比較高的。對(duì)于鍍膜過(guò)程中的工藝參數(shù)和膜層狀態(tài)可由顯示器中的監(jiān)控界面監(jiān)視，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和工藝參數(shù)可以打印出來(lái)以供分析。對(duì)于膜厚變化數(shù)據(jù)可通過(guò)監(jiān)控判斷算法得到停鍍時(shí)刻，并發(fā)出光電報(bào)警和驅(qū)動(dòng)關(guān)擋板的伺服系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)膜厚控制。
本實(shí)用新型和原系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如下表
由表中可見(jiàn)，本實(shí)用新型在膜厚監(jiān)測(cè)過(guò)程中重復(fù)性、準(zhǔn)確性、靈敏度等指標(biāo)上較原系統(tǒng)都有大幅度提高。
權(quán)利要求1.一種光學(xué)薄膜厚度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控儀，包括，一對(duì)硅光電池[1]和[2]、光纖傳感器[9]、反光鏡[3]、[4]、[5]和透鏡[6]、[7]，其特征在于硅光電池[1]和[2]分別設(shè)置在監(jiān)控的光源上，硅光電池[1]用于參考路解調(diào)信號(hào)，硅光電池[2]經(jīng)調(diào)制器[27]調(diào)制后用于測(cè)試路解調(diào)信號(hào)；參考路解調(diào)信號(hào)和測(cè)試路解調(diào)信號(hào)分別經(jīng)放大器[18]、濾波器[19]和放大器[16]、濾波器[17]進(jìn)入鎖相器[22]和鎖相器[23]中；透鏡[6]將從反射鏡[3]透過(guò)的光作為參考光信號(hào)，反光鏡[3]設(shè)置在透鏡[6]的光路上，透鏡[7]的光路上設(shè)置有反光鏡[4]，反光鏡[4]將透鏡[7]傳遞的光反射到比較片[8]上，通過(guò)比較后，比較片[8]再將反光鏡[4]傳遞的光傳遞到反光鏡[5]上作為測(cè)試光信號(hào)；參考光信號(hào)和測(cè)試光信號(hào)傳遞至光纖傳感器[9]中，光信號(hào)經(jīng)耦合器[10]耦合后送入單色儀[11]和光電倍增管[12]，經(jīng)前級(jí)放大[13]、次級(jí)放大[14]和三級(jí)放大[15]后，分別送入帶通濾波器[20]、[21]中，帶通濾波器[20]、[21]再將信號(hào)送入鎖相器[22]和鎖相器[23]中，鎖相器[22]和鎖相器[23]將上述四路信號(hào)分別分離出參考信號(hào)和蒸發(fā)狀態(tài)信號(hào)以及測(cè)試信號(hào)和真空度信號(hào)，送入數(shù)據(jù)采集卡[24]，數(shù)據(jù)采集卡[24]還接有一溫度信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡接入計(jì)算機(jī)[25]；計(jì)算機(jī)[25]與打印機(jī)、數(shù)碼顯示、顯示器相連并控制伺服系統(tǒng)[26]，伺服系統(tǒng)[26]與比較片[8]相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)薄膜厚度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控儀，其特征在于，所述調(diào)制器[27]采用雙頻率調(diào)制器。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種光學(xué)薄膜厚度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控儀，由硅光電池、光纖傳感器、反光鏡和透鏡、放大器、濾波器、鎖相器、調(diào)制器、耦合器、單色儀和光電倍增管、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等組成，光源發(fā)出的兩束光，分別經(jīng)不同頻率調(diào)制后，再各自經(jīng)分束鏡得到四束光線；其中兩束光線由光纖進(jìn)入單色儀、光電倍增管，另外兩束光線由硅光電池接收，分別形成測(cè)試信號(hào)和參考信號(hào)的解調(diào)信號(hào)；由計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行顯示、打?。煌瑫r(shí)，計(jì)算機(jī)不停地對(duì)變化的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、比較，一旦該信號(hào)達(dá)到極值點(diǎn)的過(guò)正量或預(yù)先計(jì)算得到的反射率值時(shí)，通過(guò)伺服系統(tǒng)及時(shí)關(guān)閉擋板，停止膜層蒸鍍；從而完成對(duì)膜層厚度的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)鍍膜過(guò)程的自動(dòng)化。
文檔編號(hào)C23C14/52GK2552943SQ0222485
公開(kāi)日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2002年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者韓軍, 彌謙, 權(quán)貴秦 申請(qǐng)人:西安工業(yè)學(xué)院