專利名稱：光學濾光片薄膜厚度的監(jiān)控方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學薄膜領域，具體是指光學濾光片薄膜厚度的監(jiān)控方法。
背景技術：
光學濾光片是由基片和在基片上真空蒸鍍光學膜系構成的。在蒸鍍光學膜系時，由于膜層厚度的變化，其反射和透射光都會發(fā)生變化，因此采用光學信號的變化來控制膜層厚度的變化方式是最合適的?，F(xiàn)在常用的光學膜厚監(jiān)控方法有直接觀察薄膜顏色變化的目視法；測量透過率或反射率對波長的導數(shù)變化的波長調制法；測量薄膜透射率或反射率的極值變化的極值法。
目視法是利用人眼作為接收器，目視觀察薄膜干涉色的變化來控制介質膜的厚度。對于鍍制單層MgF2的減反膜是非常方便的，至今仍為廣泛應用。
波長調制法是測量反射率或透過率對波長的導數(shù)，在極值點反射率曲線的導數(shù)為零，在極大值情況下，從正值到負值迅速變化，在極小值情況下，變化情況相反，這是能夠精確給出控制四分之一波長或其整數(shù)倍膜層厚度的方法。但其監(jiān)控系統(tǒng)復雜。
極值法是H.D.Polster于J.Opt.Soc.Am.42，21(1952)1952年提出的，它是利用光電監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控薄膜在蒸發(fā)過程中出現(xiàn)極值點的次數(shù)來控制四分之一波長整數(shù)倍光學薄膜厚度的方法。
極值法有三種，它們分別是直接控制法、間接控制法和半直接控制法。
直接控制法薄膜的蒸發(fā)過程自始至終由被鍍樣品進行控制，不用控制片。采用被鍍樣品進行控制，對鍍制窄帶濾光片具有很高的精度。主要是由于相鄰膜層之間會自動進行膜層誤差的補償(在控制波長上)，同時避免了凝聚特性變化而引起的誤差，使窄帶濾光片獲得很高的波長定位精度。其缺點是當膜層鍍到較厚時，監(jiān)控光學信號會變形；鍍膜的狀態(tài)發(fā)生變化帶來的誤差不能很方便的補償。
間接控制法薄膜的蒸鍍過程由監(jiān)控片來控制其厚度，監(jiān)控片可以有多片。優(yōu)點是由于薄膜的蒸發(fā)過程是先后在多片監(jiān)控片上進行鍍膜監(jiān)控，因此可以變換不同的監(jiān)控波長，避免了當膜層鍍到較厚時，監(jiān)控光學信號發(fā)生變形。缺點是當被鍍樣品淀積到一定厚度，換了新的監(jiān)控片，此時被鍍樣品上淀積的膜層和同時淀積在一個新的監(jiān)控片的膜層，其厚度之間有明顯的差異；每層膜層的極值控制精度較低。
半直接控制法介于兩者之間，是在鍍有預鍍層的監(jiān)控片上直接控制整個鍍膜過程的膜層厚度，同樣存在控制精度問題。

發(fā)明內容
基于上述幾種光學薄膜厚度的監(jiān)控方法上存在的種種問題，本發(fā)明的目的是提供一種將間接控制法和薄膜光學模擬計算光譜曲線相結合的新監(jiān)控方法。
本發(fā)明的監(jiān)控方法步驟如下A.首先按所需濾光片的設計要求，設計濾光片膜系。根據(jù)膜系確定監(jiān)控片的塊數(shù)，利用光學薄膜設計軟件，如Filmward，F(xiàn)ilmstar，Tfcal軟件，計算出每塊監(jiān)控片都以中心波長λ0為監(jiān)控波長的光譜曲線；再計算出偏離中心波長為監(jiān)控波長的系列光譜曲線，監(jiān)控波長的偏離量可以是遞增，或遞減，或相等，例如根據(jù)膜系確定監(jiān)控片為3塊，遞增第一塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長為λ0，第二塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長為λ0+Xnm，第三塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長為λ0+2Xnm，X＝1、2或3、----，偏離量的遞減或相等可依此類推；也可以是部分監(jiān)控片的監(jiān)控波長偏離中心波長，具體可根據(jù)不同濾光片的設計要求確定；B.用常規(guī)的極值間接監(jiān)控方法在基片上鍍光學薄膜；C.對鍍制好的濾光片進行光譜曲線測試；D.將測試的光譜曲線與模擬計算的光譜曲線進行對比，找出與計算光譜曲線中最相近的光譜曲線，根據(jù)此光譜曲線的監(jiān)控波長偏離規(guī)律，作相反方向偏離為監(jiān)控波長。例如此光譜曲線的第一塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長從λ0處開始，以后每塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長遞增2nm，那么就以第一塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長為λ0，以后每塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長遞減2nm為監(jiān)控波長，在上述B步驟的同一設備、同一工藝參數(shù)條件下，用B步驟方法重新制備新的濾光片，重復C、D步驟，直到濾光片的測試光譜曲線的波形和透過率或反射率指標達到設計要求的指標。
本發(fā)明方法的優(yōu)點是1、通過人工補償，提高了薄膜厚度控制精度。
2、由于每塊監(jiān)控片的膜層厚度較直接控制的膜層厚度薄很多，可以避免由于膜層太厚，單色儀的監(jiān)控波長帶寬帶來的信號變形的影響，及其監(jiān)控信號由于光路受污染而帶來的信號失真。
3、可以避免直接控制時半波膜系的過渡層不敏感，信號很小的弊端。
4、由于以每塊控制片為模擬單位，更能有利于總結鍍膜過程中蒸發(fā)規(guī)律以及每種膜系的控制誤差規(guī)律，減少計算量，有利于人工控制和自動控制的優(yōu)化。
5、本發(fā)明方法對窄帶濾光片的制備特別有利。


圖1是412nm帶通濾光片，利用光學薄膜設計軟件計算的光譜曲線；(a)圖為按412nm帶通濾光片的設計要求計算的光譜曲線；
(b)圖以3片監(jiān)控片，每片監(jiān)控片的監(jiān)控波長遞減2nm設計計算的光譜曲線；(c)圖以3片監(jiān)控片，每片監(jiān)控片的監(jiān)控波長遞增2nm設計計算的光譜曲線。
圖2為412nm窄帶濾光片鍍膜實測光譜曲線。
圖3為紅外截止濾光片的計算光譜曲線。
圖4為紅外截止濾光片的鍍膜實測曲線，其控制片的監(jiān)控波長相同。
圖5為紅外截止濾光片的鍍膜實測曲線，其后三片控制片的監(jiān)控波長都調短30nm的鍍膜實測曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明實例1412nm窄帶濾光片，帶寬為20nm，三半波窄帶濾光片其膜系為(LHLH2LHLH)3，L為SiO2，H為TiO2，選用3片監(jiān)控片，每片控制片的膜系為LHLH2LHLH，監(jiān)控片采用Si，并用反射式光學極值間接控制法監(jiān)控膜厚。按上述步驟進行濾光片光學薄膜的制備。圖2是利用光學薄膜設計Filmward軟件，模擬分析計算的光譜曲線。圖2中三個計算曲線，代表了如果監(jiān)控沒有誤差和蒸發(fā)狀態(tài)沒有變化的情況下，三片監(jiān)控片的監(jiān)控波長變化而帶來的不同效果。圖2(a)的計算曲線是模擬三片監(jiān)控片的監(jiān)控波長相同，在整個鍍膜過程中沒有變化，監(jiān)控波長λ0為412nm。圖2(b)的計算曲線是模擬每片監(jiān)控片的監(jiān)控波長遞減2nm(波長變化0.5％)，圖2(c)的計算曲線是模擬每片監(jiān)控片的監(jiān)控波長遞增2nm(波長變化0.5％)。因此我們可以根據(jù)鍍膜的光譜曲線情況，來調整每塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長，這樣鍍膜出來的主峰濾光片可以得到較好的波形。圖3是監(jiān)控波長經(jīng)過調整后制備的濾光片的實測曲線，其第一片監(jiān)控片的監(jiān)控波長λ0為412nm，第二片監(jiān)控片的監(jiān)控波長增加2nm，即為412+2nm，第三片監(jiān)控片的監(jiān)控波長為412+2+2nm，該實測曲線的光譜峰值透過率為85％，中心波長為411nm，符合理論設計要求，達到預期目標。
實例2紅外截止濾光片，其要求為420-600nm，透過率大于85％，λ＝645nm，T＝50％，700-1050nm，T平均＜1％，1050-1100nm，T最大＜10％。膜系設計為兩個截止膜堆，其膜系為1.214L 1.118H 1.123L.996H 1.074L.957H1.06L.963H 1.056L.96H 1.054L.966H 1.064L.972H 1.073L 1H 1.11L 1.07H 1.23L1.264H 1.355L 1.322H 1.371L 1.326H 1.362L 1.317H 1.37L 1.34H 1.389L 1.354H1.397L 1.352H 1.383L 1.315H 1.299L 1.142H.58L。
監(jiān)控波長λ0＝735nm，L-SiO2，H-TiO2。
因此，采用六塊監(jiān)控片，前五塊每塊監(jiān)控片涂6層膜，監(jiān)控片的膜系為第一監(jiān)控片1.214L 1.118H 1.123L.996H 1.074L.957H；第二監(jiān)控片1.06L.963H 1.056L.96H 1.054L.966H；第三監(jiān)控片1.064L.972H 1.073L 1H 1.11L 1.07H；第四監(jiān)控片1.23L 1.264H 1.355L 1.322H 1.371L 1.326H；第五監(jiān)控片1.362L 1.317H 1.37L 1.34H 1.389L 1.354H；第六監(jiān)控片1.397L 1.352H 1.383L 1.315H 1.299L 1.142H.58L。
上面的監(jiān)控膜層的設計，實際上，前三塊監(jiān)控片為一個短波長的后截止膜堆，后三塊監(jiān)控片為一個長波長的后截止膜堆，這樣的分配可以通過調節(jié)每三塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長來調節(jié)，波形如截止區(qū)的透過率。
圖4是紅外截止濾光片設計膜系的理論計算光譜曲線圖，在截止區(qū)的平均透過率小于1％，在700-1050nm最大透過率小于3％。圖5是按照設計監(jiān)控波長λ0為735nm，每塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長一致的情況下鍍制的實測曲線，由圖可見在700-1050nm的中間有一個凸起的波包。根據(jù)圖5的曲線，對后三塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長進行扁移模擬計算，得出后三塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長較監(jiān)控波長λ0長了20nm。因此在鍍制該膜系時，將后三塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長調短20nm后，進行鍍膜得到的實測曲線如圖6，符合理論設計要求，達到預期目標。
權利要求
1.一種光學濾光片薄膜厚度的監(jiān)控方法，其特征在于具體步驟如下A.首先按所需濾光片的設計要求，設計濾光片膜系；根據(jù)膜系確定監(jiān)控片的塊數(shù)，利用光學薄膜設計軟件，如Filmward，F(xiàn)ilmstar，Tfcal軟件，計算出每塊監(jiān)控片都以中心波長λ0為監(jiān)控波長的光譜曲線；再計算出偏離中心波長為監(jiān)控波長的系列光譜曲線，監(jiān)控波長的偏離可以是遞增，遞減，或相等，例如根據(jù)膜系確定監(jiān)控片為3塊，遞增第一塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長為λ0，第二塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長為λ0+X nm，第三塊監(jiān)控片的監(jiān)控波長為λ0+2X nm，X＝1、2、3、----，偏離量的遞減或相等可依此類推；也可以是部分監(jiān)控片的監(jiān)控波長偏離中心波長，具體可根據(jù)不同濾光片的設計要求確定；B.用常規(guī)的極值間接監(jiān)控方法在基片上鍍光學薄膜；C.對鍍制好的濾光片進行光譜曲線測試；D.將測試的光譜曲線與模擬計算的光譜曲線進行對比，找出與計算光譜曲線中最相近的光譜曲線，根據(jù)此光譜曲線的監(jiān)控波長偏離規(guī)律，作相反方向偏離為監(jiān)控波長，在上述B步驟的同一設備、同一工藝參數(shù)條件下，用B步驟方法重新制備新的濾光片，重復C、D步驟，直到濾光片的測試光譜曲線的波形和透過率或反射率指標達到設計要求的指標。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學濾光片薄膜厚度的監(jiān)控方法，該方法是首先計算出每塊監(jiān)控片都以中心波長λ0為監(jiān)控波長的光譜曲線；再計算出偏離中心波長為監(jiān)控波長的系列光譜曲線；然后用常規(guī)的極值間接監(jiān)控方法在基片上鍍光學薄膜；對鍍制好的濾光片進行光譜曲線測試；將測試的光譜曲線與模擬計算的光譜曲線進行對比，找出與計算光譜曲線中最相近的光譜曲線，調整監(jiān)控波長重新制備新的濾光片，如此重復，直到濾光片的測試光譜曲線的波形和透過率或反射率指標達到設計要求的指標。本發(fā)明方法的最大優(yōu)點是提高了薄膜厚度控制精度。對窄帶濾光片的制備特別有利。
文檔編號G06F17/50GK1862297SQ200610027389
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月8日 優(yōu)先權日2006年6月8日
發(fā)明者周東平 申請人:上海歐菲爾光電技術有限公司, 中國科學院上海技術物理研究所