CN100350278C - 数字式光学膜厚控制仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式光学膜厚控制仪，包括放大器、滤波器、A/D模块、嵌入式计算机系统、键盘、显示器、开关、存储器和通讯接口，放大器与参考信号、测试信号以及滤波器连接，滤波器与A/D模块连接，嵌入式计算机系统与A/D模块、键盘、显示器、开关、存储器和通讯接口连接，其特征在于所述嵌入式计算机系统中设置有软件程序，根据初始设定值和键盘输入进行控制、跟踪显示、参数设置和通讯。本发明结构合理，安全可靠，用软件实现信号变换、数字滤波、数字锁相和数字运算，克服模拟设计存在的问题，减少了电子线路的相互干扰，提高了整机的抗干扰能力和镀膜产品的合格率。

Description

数字式光学膜厚控制仪

技术领域：

本发明涉及一种数字式光学膜厚控制仪，它主要用于光学镀膜领域。

背景技术：

光学薄膜广泛应用于光谱分析、激光技术、化学工业、航天、大型精密仪器等科技领域，光学薄膜厚度的准确控制是制备光学薄膜的关键技术。人们通常使用的监控方法主要有光学监控法和石英晶体振荡监控法。光学监控法是目前在光学薄膜厚度控制方法中，应用较为广泛的一种，它采用光电测光，直接测量薄膜透射率或反射率极值来实现对光学薄膜厚度的控制。典型的光学薄膜仪如图1所示。

现有光学监控法的膜厚监测系统抗干扰能力、稳定性较差的主要原因有：

1.现有系统中监测光直接照射到单色仪入射狭缝上的这种结构，使得系统的抗震动能力、排除杂散光能力比较弱，而光源、光电倍增管及其供电源的工作稳定性也影响监测信号的稳定性。因此在监测系统中，要求膜厚监测系统的要有很高的抗扰动能力，而现有的模拟电路光学薄膜仪是无法达到。

2.现有的模拟电路光学薄膜仪的模拟电路滤波处理的可靠性和稳定性较低，改变滤波参数困难；而模拟锁相环存在直流零点漂移、部件饱和、必须进行初始校准等问题。

3.对于复杂的模拟电路，电子元气件的质量优劣和线路之间相互干扰都影响着信号的处理；另外仅仅采用模拟电路的设计，也无法对各种信号误差进行针对性各种算法处理，影响着监测信号的精度和稳定性。

4.现有的镀膜生产过程主要依靠人眼观察和手工操作。由于操作者工作时带有人为的主观性和经验性，尤其是在极值点附近，光强信号的变化十分缓慢，要及时准确判断，很难保证镀膜的质量和重复性。

5.部分配有计算机控制系统大多数采用工控机或可编程控制器等组成系统，硬件成本高；且一般仅用于最终数据处理分析，而不是信号处理。

6.有采用单片机的，整机主要还是采用模拟电路设计，因功能限制，也仅仅进行数字采样、转换和传送作用，未实现通过算法实现极值法和定值法控制，达到真正自动判断。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构简单、成本低廉、自动操作且精度高、稳定性高、可靠性高、通用性强的数字式光学膜厚控制仪。

在光学真空镀膜过程中，光学薄膜厚度监控信号的稳定、压躁以及准确控制是制备光学薄膜的关键技术，它直接影响着光学薄膜元器件性能参数。在监控薄膜厚度过程中，对薄膜的反射率(或透射率)进行测量，并将测量结果用于对薄膜膜层厚度的控制，一旦测量数值达到与所要求的膜厚时，就立即停止淀积，关闭挡板和切断蒸发源电源以停止膜层蒸镀，从而实现对薄膜厚度的控制。

根据薄膜光学的原理，采用极值监控时，光学薄膜厚度的准确控制，依赖于对极值点的准确判断，由于光强信号在极值处变化缓慢，所以对噪声特别敏感。本发明在嵌入式计算机系统中采用软件技术解决这一问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该数字式光学膜厚控制仪，包括放大器、滤波器、A/D模块、嵌入式计算机系统、键盘、显示器、开关、存储器和通讯接口，放大器与参考信号、测试信号以及滤波器连接，滤波器与A/D模块连接，嵌入式计算机系统与A/D模块、键盘、显示器、开关、存储器和通讯接口连接，其特征在于所述嵌入式计算机系统中设置有软件程序，根据初始设定值和键盘输入进行控制、跟踪显示、参数设置和通讯。

本发明所述控制设置有控制初始化、扫描键盘、信号处理、曲线拟合、开关控制、显示数据、显示波形以及数据存储，它运用计算机优化技术对参考信号和测量信号进行信号处理，对一段时间内采集到的数据进行曲线拟合，得到信号的整体变化趋势，并通过对该趋势的分析，预先判断极值的大小以及出现极值的时刻，从而控制开关及时关闭档板，停止膜层蒸镀，准确地实现对膜层的极值监控和过极值监控。

本发明所述信号处理设置有信号处理初始化、读参考信号、数字锁相、参考信号除法、读测量信号、减法处理、傅立叶变换、数字滤波、傅立叶反变换和中值滤波，其中参考信号经过参考信号除法取得与测量信号平衡的参考信号数据，自动根据测量信号源的大小状态修正参考信号系数，读测量信号采集与参考信号有同频率锁相关系的测量信号数据，减法处理将测量信号数据与参考信号数据相减得到减法数据，所述数字锁相、参考信号除法和减法处理的组合用来进行光学补偿，消除共摸干扰的影响，大幅度地抑制噪声，提高探测灵敏度和信噪比，所述傅立叶变换、数字滤波、傅立叶反变换和中值滤波用于消除差模及随机干扰的影响。

本发明所述跟踪显示设置有跟踪显示初始化、扫描键盘、信号处理、移动平均计算、显示线性化以及LED数码管显示、LCD液晶显示数据和LCD液晶显示波形。

本发明所述参数设置是用键盘输入初始光量值、控制方式、镀膜工艺参数，调整工作参数。

本发明所述显示器设置有LCD液晶显示器和LED数码管显示器。

本发明所述键盘是触摸键盘。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1.整个检测控制过程用嵌入式计算机系统控制执行，安全可靠，利用软件技术自动进行极值或定值判断并控制，可以克服人为操作的不足，提高镀膜生产的成品率和重复性。

2.包括嵌入式计算机系统在内的硬件设计简单、成本低廉，可靠性高，部分硬件电路功能在嵌入式计算机系统中采用软件实现，包括信号变换、数字滤波、数字锁相和数字运算，克服模拟设计存在问题，并减少了电子线路的相互干扰，提高了整机的抗干扰能力。

3.在嵌入式计算机系统中，根据光学镀膜原理，采用软件技术进行自动光学补偿，即利用测得的两光强信号之差值来代替透(反)射率值，并自动根据信号源的大小状态修正参考信号系数，以达到最佳的消除干扰效果；并利用信号处理优化技术软件消除差模及随机干扰的影响。

4.面板采用LCD液晶显示、LED数码管显示和触摸键盘操作，使用简单。

5.提供本机数据存储和查阅，并且为上位机提供通讯接口，以便对工艺数据管理分析。

附图说明：

图1是现有的光学膜厚仪与其它设备组成应用系统的结构示意图。

图2是本发明与相关装置组成应用系统的结构示意图。

图3是本发明的主程序流程图。

图4是本发明的控制流程图。

图5是本发明的跟踪显示流程图。

图6是本发明的参数设置流程图。

图7是本发明的信号处理流程图。

具体实施方式：

参见图2、图3，本发明实施例数字式光学膜厚控制仪设置有测量放大器1、参考放大器2、测量滤波器3、参考滤波器4、A/D模块5、嵌入式计算机系统6、触摸键盘7、LCD液晶显示器8、LED数码管显示器9、开关10、存储器11和通讯接口12，测量放大器1与测量信号和测量滤波器3连接，参考放大器2与参考信号和参考滤波器4连接，测量滤波器3、参考滤波器4均与A/D模块5连接，嵌入式计算机系统6与A/D模块5、触摸键盘7、LCD液晶显示器8、LED数码管显示器9、开关10、存储器11和通讯接口12连接，LED数码管显示器9用于显示光量值，LCD液晶显示器8用于显示初始光量值、实际光量值、反(透)射率、镀膜时间、材料折射率和镀膜曲线等，所述嵌入式计算机系统6中设置有软件程序，根据初始设定值和触摸键盘7输入进行控制、跟踪显示、参数设置和通讯。本发明还可以对数据进行存储，经触摸键盘7将历史数据送LCD液晶显示器8显示，提供本发明的数据存储和查阅，或者通过通讯接口12来和上位机进行通讯，以便对工艺数据管理分析。

参见图4，本发明所述控制是运用计算机优化技术对参考信号和测量信号进行信号处理，对一段时间内采集到的数据进行曲线拟合，得到信号的整体变化趋势，并通过对该趋势的分析，预先判断极值的大小以及出现极值的时刻，从而控制开关10及时关闭档板，停止膜层蒸镀，准确地实现对膜层的极值监控和过极值监控。其中的主要步骤包括控制初始化、扫描键盘、信号处理、曲线拟合、开关控制、显示数据、显示波形以及数据存储。当采用过极值控制时，则根据预设的参数以及膜厚仪及时判断的极值，实时修正中止位置，以达到准确控制的目的。

本发明的曲线拟合采用最小二乘法算法，即用j(x)拟合n对数据(x_k，y_k)(k＝1，2，…，n)，使得误差平方和

最小，以求j(x)。这里用直线拟合，若y＝(x)＝a₀+a₁x满足方程组

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{na}}_0+\left(\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\right)a_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\\ \left(\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k\right)a_0+\left(\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k^2\right)a_1=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k{y}_k\end{array}\right.$

即a0，a1是方程组的解。用最小二乘原理找到线性方程组的系数和常数，然后解线性方程组，以此得到相应的拟合曲线。

参见图7，本发明所述信号处理包括信号处理初始化、读参考信号、数字锁相、参考信号除法、读测量信号、减法处理、傅立叶变换、数字滤波、傅立叶反变换和中值滤波，其中参考信号经过参考信号除法取得与测量信号平衡的参考信号数据，自动根据测量信号源的大小状态修正参考信号系数，读测量信号采集与参考信号有同频率锁相关系的测量信号数据，减法处理将测量信号数据与参考信号数据相减得到减法数据，所述数字锁相、参考信号除法和减法处理的组合用来进行光学补偿，消除共摸干扰的影响，大幅度地抑制噪声，提高探测灵敏度和信噪比，所述傅立叶变换、数字滤波、傅立叶反变换和中值滤波用于消除差模及随机干扰的影响。

测量信号处理中用到的数字信号变换技术是将一个域内的信号变换映射到另一个域内的信号的方法。而离散傅立叶变换广泛的应用在光谱分析和信号处理上，其变换公式为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)e^{\mathrm{jk}2\mathrm{\πn}/N},\mathrm{fork}=0..N-1$

$X\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)e^{-\mathrm{jk}2\mathrm{\πn}/N},\mathrm{fork}=0..N-1$

而本发明采用了快速离散傅立叶变换(FFT)在不损害变换效果的同时，加速了计算速度，将以时间为自变量的信号变换成与频率为自变量的频谱。

这里减法数据X1送入傅立叶变换，利用FFT快速运算办法对减法数据X1进行离散傅立叶变换，将其变换成频谱信号数据X2；然后在数字滤波中分析频谱信号数据X2的频谱，根据所希望的频率特性通过调整截止频率fc和带宽b进行滤波；数字滤波产生的信号数据X3送入傅立叶反变换，恢复出时域信号X4，时域信号X4送入中值滤波以剔除曲线中较大的毛刺，产生信号变换数据X5。这种方法具有较好的频域选择特性和灵活性，并且计算速度快，消除了数据中差模及随机干扰的影响。

参见图5，本发明所述跟踪显示包括跟踪显示初始化、扫描键盘、信号处理、移动平均计算、显示线性化以及LED数码管显示、LCD液晶显示数据和LCD液晶显示波形，它是本发明装置处于跟踪显示状态时的处理流程。

参见图6，本发明所述参数设置是用触摸键盘7输入初始光量值、控制方式、镀膜工艺参数，对触摸键盘的功能键和数字键操作进行处理，调整工作参数。

实际应用时，本发明与相关装置组成应用系统来完成镀膜工作，主要过程如下：被监控的信号光通过光电倍增管进行光电转换后，转变成交流电信号进入信号通道，同时参考光经过光电池进行光电转换成电压信号进入参考通道。由于是将同一频率调制的信号源分束后成为参考信号和测量信号，所以进入信号通道和参考通道的信号频率同步。测量信号通过测量放大器1和测量滤波器3进行放大，参考信号通过参考放大器2和参考滤波器4进行放大，抑制和滤除信号中的干扰和噪声，并在扩大信号动态范围后分别输送到双通道高分辨率A/D模块5中。测量信号和参考信号经双通道高分辨率A/D模块5转化为数字信号，嵌入式计算机系统6读取该信号数据后用软件进行信号处理，以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估计与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的，并将处理结果传送给LCD液晶显示器8、LED数码管显示器9以及进行相应的控制动作，完成镀膜工作。

本发明的优点如下：

1)采用信号放大器和模拟滤波器

在测量过程中很难避免如杂散光线、暗电流等影响，光电倍增管所接收的光信号十分微弱，其输出的信号往往也被深埋在噪声之中，需要对其进行放大。本发明根据输入信号和A/D模块输入范围的要求选用高增益、高输入阻抗、高稳定性、宽频带、低输出阻抗、低漂移、低噪声的运算放大器。

本发明的模拟滤波器采用隔离、增益性能方面比较好的有源滤波电路，以抑制不需要的噪声，提高系统的信噪比。

2)采用高分辨A/D模块

本发明采用双通道高分辨率A/D模块，芯片A/D转换采用逐次逼近转换方式，可以将模拟信号精密地转换成数字信号。它能保证速度快、精度高、同步采样，以保证测试和参考两路的A/D转换精度一致，以利于消除共模干扰。

3)信号处理采用数字锁相、自动光学补偿和数字运算

本系统中采用频率调制测试光路和调制参考光路的结构使得测试信号的稳定性显著依赖着光源、光电倍增管及其供电源的工作稳定性。

本发明这种数字锁相和数字相减(测得的两光强信号之差)组合，能用来消除共摸干扰的影响，大大降低了光源这些关键设备的工作稳定性要求，而且会显著提高监测系统的静态稳定性和镀膜重复性能，大幅度地抑制噪声，提高探测灵敏度和信噪比。

本发明通过软件自动跟踪测量信号来调整参考信号，调整参考信号和测量信号的平衡，使得由于电压、电源等因素引起的参考信号变化同步，但它们的差值不变。与原来的系统相比，采用软件实现数字锁相，也解决了若干模拟环的问题，如直流零点漂移、部件饱和、必须进行初始校准等，此外还具有对离散样值的实时处理能力。

另外，本发明取消了该部分硬件电路，采用软件实现，减少了电路系统的相互干扰，提高了整机的抗干扰能力。

4)信号处理采用信号变换、数字滤波和数字运算等

因采样数据源中含有各种误差，而且信号数字化过程包含时域采样、截断、频域采样等步骤，每一步骤都可能引起信号和其蕴含信息的失真。通过对数字化信号出现的各种问题进行分析，可以采用针对性软件技术以解决这些问题。

本发明采用组合软件技术包括快速FFT变换+数字滤波+快速FFT反变换+中值滤波。具有稳定性高、精度高、灵活性大，不会因温度、湿度的影响产生误差，不需要高精度元件等突出优点。通过这些信号处理技术，可以大大减少各种随机误差和系统误差，降低镀膜机振动和在光线传输时杂散光线对测量光信号的干扰，提高信号处理的精度和稳定性。

5)数据处理、数据显示和数据控制等

本发明在数据处理中，经过移动平均计算得到数据平滑处理，经显示线性化计算后的数据送往LCD液晶显示器和LED数码管显示器；同时对一段时间内采集到的数据采用最小二乘法算法进行局部数据拟合，得到信号的整体变化趋势，通过对趋势的分析预先判断极值的大小以及出现极值的时刻，就可以输出信号控制开关。

另外本发明还提供数据存储和查阅，并且可以给上位机提供通讯接口，以便对工艺数据管理分析。

Claims (5)

1、一种数字式光学膜厚控制仪，包括放大器、滤波器、A/D模块、嵌入式计算机系统、键盘、显示器、开关、存储器和通讯接口，放大器与参考信号、测试信号以及滤波器连接，滤波器与A/D模块连接，嵌入式计算机系统与A/D模块、键盘、显示器、开关、存储器和通讯接口连接，其特征在于：所述嵌入式计算机系统中设置有软件程序，根据初始设定值和键盘输入进行控制、跟踪显示、参数设置和通讯，所述控制设置有控制初始化、扫描键盘、信号处理、曲线拟合、开关控制、显示数据、显示波形以及数据存储，它运用计算机优化技术对参考信号和测量信号进行信号处理，对一段时间内采集到的数据进行曲线拟合，得到信号的整体变化趋势，并通过对该趋势的分析，预先判断极值的大小以及出现极值的时刻，从而控制开关及时关闭档板，停止膜层蒸镀，准确地实现对膜层的极值监控和过极值监控，所述信号处理设置有信号处理初始化、读参考信号、数字锁相、参考信号除法、读测量信号、减法处理、傅立叶变换、数字滤波、傅立叶反变换和中值滤波，其中参考信号经过参考信号除法取得与测量信号平衡的参考信号数据，自动根据测量信号源的大小状态修正参考信号系数，读测量信号采集与参考信号有同频率锁相关系的测量信号数据，减法处理将测量信号数据与参考信号数据相减得到减法数据，所述数字锁相、参考信号除法和减法处理的组合用来进行光学补偿，消除共模干扰的影响，大幅度地抑制噪声，提高探测灵敏度和信噪比，所述傅立叶变换、数字滤波、傅立叶反变换和中值滤波用于消除差模及随机干扰的影响。

2、根据权利要求1所述的数字式光学膜厚控制仪，其特征在于：所述跟踪显示设置有跟踪显示初始化、扫描键盘、信号处理、移动平均计算、显示线性化以及LED数码管显示、LCD液晶显示数据和LCD液晶显示波形。

3、根据权利要求1所述的数字式光学膜厚控制仪，其特征在于：所述参数设置是用键盘输入初始光量值、控制方式、镀膜工艺参数，调整工作参数。

4、根据权利要求1所述的数字式光学膜厚控制仪，其特征在于：所述显示器设置有LCD液晶显示器和LED数码管显示器。

5、根据权利要求1或3所述的数字式光学膜厚控制仪，其特征在于：所述键盘是触摸键盘。

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