基于光学薄膜在线宽光谱膜厚控制仪的应用

本文介绍了一种高性能的实时宽光谱膜厚控制仪的设计与制作，详细介绍了该系统的工作方式及设计思想。实验表明该系统可以用于光学薄膜在线实时监控和光学薄膜光谱特性检测，并可能基于该系统开发薄膜自动控制系统。

1引言

自20世纪70年代以来，西方主要工业国家的制造业取得了长足的发展，相比较而言，我国的发展严重滞后。以光学薄膜行业为例，目前国外的先进镀膜设备普遍实现了基于单点高精度监控或者宽光谱监控的自动控制。而国产设备基本上还停留在老式的极值法监控阶段，设备操作基本上全部由人来完成。

随着光学薄膜复杂性和精度要求的不断提高，过去的控制方法已经无法满足要求。为了提高国产设备的整体性能，我们开发了一套高精度的宽光谱在线监控系统。该系统采用高灵敏度的CCD传感器，结合电子、计算机技术，使得监测精度大大提高。同时使用软件实时修正和辅助判停，实现初步的智能化控制，使镀膜过程的控制大大简化，成品率提高。

2系统原理

光学薄膜大致可以分为增透膜、高反膜、分光膜、截止滤光片、带通滤光片以及其它一些特殊要求的膜系。除了窄带滤光片以外，大部分的薄膜属于宽带产品。

由于薄膜的镀制是一个复杂的过程，薄膜材料的折射率和色散往往和理论值有一定的出入，传统的极值法监控只监控一个波长点的光度值，对其它波长无法兼顾，而宽带监控则监控很大的一个波长范围内的光度值，得到的信息量远远高于单点监控方法。而且在整个光谱范围内可以实现宽谱补偿。另外，极值法监控要求膜系大部分膜层为规整膜层，即膜层的光学厚度为1/4监控波长的整数倍。而且前复杂的非规整膜系越来越多，极值法无法监控这种膜系。而宽光谱监控可以方便地监控非规整膜系。膜系镀制过程中，光谱曲线不断变化，宽光谱监控整个曲线，单点监控相当于取其一个截面。如图1所示。

3系统组成

系统在镀膜过程中不断测量膜系从400nm到800nm波长范围的光谱透射率或反射率，对膜系进行监控。系统原理图(上反射式)如图2所示。

光源使用卤素灯，可用光谱范围从400～800nm。光由一个低速斩波器调制成明暗交替。光经过聚光系统投射到比较片上，反射接收后经过光纤进入光谱仪。光谱仪中的光栅将入射光投射到CCD上，形成一个从紫外到红外分布的色带。线阵CCD的不同像元接收不同波长的光波，经过一定的积分时间，由驱动电路将各个像元的电流大小读出并放大。经AD转换送入计算机处理。

在镀膜时，真空室内由于电子枪、离子源以及烘烤等原因，是一个非常亮的环境，相比之下，信号光强度很小。为了消除杂散光的影响，一方面，我们对光路系统进行优化设计，在尽可能提高光能的前提下，减小接收光锥角，使真空室内的杂散光只有少量进入接收系统。另一方面，用低速斩波器对入射光进行分相，在亮周期内，系统信号=信号光+杂散光。而在暗周期，系统信号=杂散光。因为杂散光在镀膜过程中是动态变化的，所以监控过程中不断测量亮暗周期的信号，将亮周期的信号值减去暗周期信号值得到实际值。有效去除杂散光影响。

为了减小CCD噪声的影响，在CCD的2048个像元中，有24个像元是不接收光的，将这24个像元的电流平均值作为CCD暗电流值，其它像元的值减去该值，可以有效减小CCD暗电流的影响。

由于卤素灯光谱和CCD光谱响应的综合作用，CCD在整个光谱上的响应相差在10倍左右，见图3。这种情况下，在相同的积分时间内，当低响应波段上电流很小时，高响应波段上已经趋于饱和甚至已经饱和。为了解决这个问题，我们在光路系统中加入平坦滤光片使系统响应趋向平坦。平坦后响应见图4。


其它提高信噪比的处理包括：(1)为了消除光源以及CCD快速扰动的影响，对CCD得到的信号进行多次采样平均和窗口平滑处理后再送入计算机。(2)稳定光谱仪工作环境，以半导体恒温技术将其工作环境稳定在5℃左右。

为了减少人为操作误差，系统软件提供辅助判停功能。辅助判停方法有两种：(1)理论曲线拟合。计算机根据膜系计算出每层膜的终止曲线，在监控过程中，不断比较实测曲线与理论曲线的逼近程度，给出停镀信号。(2)特殊点拟合，在实际镀制过程中由于实际膜料折射率和色散与理论数据有细微差别，导致实测曲线和理论曲线不能完全重合，但是如果光学厚度一致，则一些特殊点(如极值点)将能够重合。因此程序通过比较特殊点位置给出停镀信号。

尽管采用各种方法，在实际镀制中，误差不可避免地会存在。我们采用实时优化的方法解决这个问题。在每一层镀制完成后，根据实测曲线反推每一层实际镀制厚度，如果存在较大误差，则对后续膜层进行优化，如果优化后能够满足要求，则按照优化后的结构进行镀制，如果优化后不能满足要求，则停止镀制。

4系统指标

取样时间：最小3ms

波长分辨率：2nm

光谱范围：400～800nm

测量稳定度：<0.5%-100%；<0.05%-4%以下

测量范围：R：0～100%(可测减反膜)T：0～100%

5镀制实验

使用该监控仪镀制400～900nm增透膜，使用ZnS和MgF2镀制，共8层。结果如图5。

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