CN100365467C - 光学膜厚监控系统 - Google Patents

Abstract

一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控系统，特征在于其结构包括光源发射系统、监控片、信号接收系统和锁相放大器四部分：所述的光源发射系统由带光电池的光源和沿该光源发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜、光阑、单排孔调制盘和准直镜组成，所述的信号接收系统由依次设置的折光元件、会聚镜、单色仪和光电倍增管组成一同光轴系统。本发明既适用于垂直透射式光学膜厚监控系统，又适于作反射式光学膜厚监控系统，安装变换方便而且监控的精度高。

Description

光学膜厚监控系统

技术领域

本发明涉及镀膜，特别是一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控系统。

背景技术

光学膜厚监控系统是在真空镀膜过程中监控薄膜厚度的光学系统，现有的监控光学薄膜厚度的系统是垂直透射式光学系统(85101725，1987年10月7日公开)，图1是其光路图，在角可变滤光片03或单色仪出射狭缝后置一等双孔光阑04，且使其双孔的公共中心线垂直通过角可变滤光片03旋转轴线(光轴)。反射聚光镜01把光源02成像于等双孔光阑04上，从双孔出射的分别是测量光束和参考光束，双排孔调制盘05分别调制参考光和信号光，透镜06将等双孔光阑04成像于监控片08所在的平面上，并且使测量光束通过监控片08，而参考光束从监控片08旁边空白处通过，透镜09将光束聚焦到接收器。

目前光学镀膜大都使用光学监控膜厚的方法，并且有些膜系用透射光路监控效果较好，有些则用反射光路监控效果较好。上述引用的垂直透射式双光束光学系统只能监控透射光的信号，且上述系统不能将频率和入射光频率不一致的噪声剔除，另外需通过透镜06将等双孔光阑04成像于监控片08上，因此对等双孔光阑04、透镜06、监控片08之间的距离有严格的要求，并且要求测量光束通过监控片08，参考光束从监控片08旁边通过，这对等双孔光阑04、监控片08的尺寸要求都很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控系统，本发明光学膜厚监控系统既要适用于垂直透射式光学膜厚监控系统，又要适用作反射式光学膜厚监控系统，而且监控的精度要高。

本发明的技术解决方案如下：

一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控系统，特征在于其结构包括光源发射系统、监控片、信号接收系统和锁相放大器四部分：所述的光源发射系统由带光电池的光源和沿该光源发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜、光阑、单排孔调制盘和准直镜组成，所述光阑的光阑孔置于聚光镜的焦点处，所述的单排孔调制盘设有光开关，该单排孔调制盘周沿的调制孔贴近所述光阑的光阑孔并位于所述的光源发射系统发出的光束上；

所述的信号接收系统由依次设置的折光元件、会聚镜、单色仪和光电倍增管组成一同光轴系统；所述的光电倍增管的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的信号输入端相连，光开关的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的参考信号输入端相连，光电池的光源强度信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的辅助输入端相连；

所述的监控片置于镀膜机的真空室中并位于所述的光源发射系统的光束上，所述的折光元件既与所述的光源发射系统的光束成45°，又与所述的信号接收系统的光轴成45°。

所述的光源发射系统设置于所述的镀膜机的真空室之顶垂直向下，所述的折光元件为半透半反镜，所述的信号接收系统的半透半反镜位于真空室之底盘下并与所述的光源发射系统发出的经监控片的光束成45°。

所述的光源发射系统设置于所述的镀膜机的真空室之底并垂直向上，所述的信号接收系统的折光元件为反射镜，位于真空室之底盘下并位于所述的光源发射系统和监控片之间，与所述的光源发射系统发出的光束成45°。

所述的光开关由发光二极管LED和光电三极管G组成，所述的发光二极管LED串连一个1K的电阻与+5V电源相连，所述的光电三极管G的低电平小于0.5V，高电平大于3.5V且小于5V。

所述的锁相放大器对来自光电池的光源强度的变化信号从光电倍增管获得的膜厚的信号进行除法处理。

所述的锁相放大器的输入端内置有50/60Hz和100/120Hz的陷波器和抗混叠滤波器。所述的锁相放大器(12)具有标准的RS232、IEEE-488接口。

本发明的技术效果：

1、由于本发明光学膜厚监控系统具有模块化结构，因此本发明光学膜厚监控系统，根据镀膜机的具体情况既可安装成垂直透射式光学膜厚监控系统，又可安装成反射式光学膜厚监控系统，使用非常灵活方便；

2、本发明使用简单且稳定的光开关电路获得参考信号，使用该参考信号可以消除漂移、偏置、非线性和模拟部分器件的老化，保证了数据的高可靠性和准确性；

3、所述的锁相放大器的信号输入端接50/60Hz和100/120Hz的陷波器可抑制电源引入的干扰信号，锁相放大器的抗混叠滤波器可保证输入信号的失真非常小，从而使得利用该垂直透射式或反射式光学系统监控薄膜厚度的精度很高。

4、所述的光电池获得的光源强度的变化信号输入锁相放大器，锁相放大器将从光电倍增管输入的信号和光电池输入的信号相除，由于这两个信号中由于光源变化带来的影响是相同的，故这样可以消除光源变化对监控带来的影响，降低了对光源的要求。

5、所述的锁相放大器可用来测量直至数个nV的微弱信号，甚至当信号被比它大数千倍的杂散信号掩盖时，也可做出正确的测量，并且精度很高。参考信号为测量信号的同步信号，锁相放大器将测量信号与参考信号进行数字化处理后，消除了漂移、偏置、非线性和模拟部分器件的老化，保证了数据的高可靠性和准确性，并且锁相放大器输入端内置50/60Hz和100/120Hz的陷波器，可抑制电源引入的干扰信号，以及其内部的抗混叠滤波器可保证输入信号的失真非常小。另外，锁相放大器提供标准的RS232、IEEE-488接口，易于进行自动化控制。

附图说明

图1为现有的光学膜厚监控系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1透射式光学膜厚监控系统的结构示意图

图3为本发明光开关(6)的电路图

图4为本发明单排孔调制盘(5)的示意图

图5为本发明实施例2反射式光学膜厚监控系统的结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图2，图2为本发明实施例1透射式光学膜厚监控系统的结构示意图，由图可见，本发明光学膜厚监控系统的结构包括光源发射系统18、监控片14、信号接收系统19和锁相放大器12四部分：

所述的光源发射系统18由带光电池17的光源1和沿该光源1发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜15、光阑4、单排孔调制盘5和准直镜16组装成一体，所述光阑4的光阑孔置于聚光镜15的焦点处，所述的单排孔调制盘5设有光开关6，该单排孔调制盘5周沿的调制孔51贴近所述光阑4的光阑孔并位于所述的光源发射系统18发出的光束上；

所述的信号接收系统19由依次设置的折光元件9、会聚镜8、单色仪7和光电倍增管10组装成一同光轴系统：所述的光电倍增管10的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器12的信号输入端相连，光开关6的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器12的参考信号输入端相连，光电池17的光源强度信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器12的辅助输入端相连；

所述的监控片14置于镀膜机的真空室13中并位于所述的光源发射系统18的光束上，所述的折光元件9既与所述的光源发射系统18的光束成45°又与所述的信号接收系统19的光轴成45°。

所述的光开关6如图3所示，由发光二极管LED和光电三极管G组成，所述的发光二极管LED串连一个1K的电阻与+5V电源相连，所述的光电三极管G的低电平小于0.5V，高电平大于3.5V且小于5V。

本发明光学膜厚监控系统作透射式光学膜厚监控系统，如图2所示，其安装情况是：所述的光源发射系统18设置于所述的镀膜机的真空室13之顶垂直向下，而所述的信号接收系统19的折光元件9为反射镜，位于真空室13之底盘下并与所述的光源发射系统18发出的经监控片(14)的光束成45°。

其工作原理是：光源1发出的光束经聚光镜15会聚到光阑4上，入射光束经单排孔调制盘5后成为调制光，经准直镜16后成为平行光，该平行光通过监控片8后成为信号光，镀膜过程中薄膜的光学厚度信息将表现为信号光的强度信息。在调制盘5的一边固定一光开关6，光开关6由电源、发光二极管、光电三极管、电阻组成，镀膜过程中发光二极管一直处于发光状态，当其发出的光被单排孔调制盘5挡住时，光电三极管处于截止状态，输出电平为低电平，当光从单排孔调制盘5的孔51中透过照射到光电三极管上时，光电三极管处于导通状态，输出电平为高电平，输出脉冲波的频率即为入射到监控片14上的调制光的频率，该信号作为参考信号。经过监控片14后的光经反射镜9反射后经会聚镜8会聚到单色仪7的入射狭缝11上，用光电倍增管10接收单色仪7出射狭缝的光，并将所接收的该膜厚信号输入锁相放大器12。用光开关6输出的参考信号作为锁相放大器12的参考输入，光电池17获得光源强度的变化信号作为锁相放大器12的辅助输入。锁相放大器12将输入信号与参考信号进行数字化处理，所有和参考信号频率不一致的信号均被认为是噪声，并将输入信号和辅助输入相除。这样可以消除光源变化带来的影响、漂移、偏置、非线性和模拟部分器件的老化，保证了数据的高可靠性和准确性，并且锁相放大器12输入端内置了50/60Hz和100/120Hz的陷波器可抑制电源引入的干扰信号，锁相放大器12内部的抗混叠滤波器可保证输入信号的失真非常小。另外，锁相放大器12提供标准的RS232、IEEE-488接口，易于进行自动化控制。

本发明光学膜厚监控系统作反射式光学膜厚监控系统，如图5所示，其安装情况是：所述的光源发射系统18设置于所述的镀膜机的真空室13之底并垂直向上，所述的信号接收系统19的折光元件9为半透半反镜，位于真空室13之底盘下并位于所述的光源发射系统18和监控片14之间，与所述的光源发射系统18发出的光束成45°。

图5反射式光学膜厚监控系统与图2透射式光学膜厚监控系统的工作原理一致，调节方法一致，在此不再赘述。

图2和图5中虚线部分的光源发射系统18和信号接收系统19都分别可通过机械加工组装成一个整体，这样有利于透射式和反射式系统的快速变换安装。

所述的锁相放大器12对来自光电池17的光源强度的变化信号从光电倍增管10获得的膜厚的信号进行除法处理。所述的锁相放大器12的输入端内置有50/60Hz和100/120Hz的陷波器和抗混叠滤波器。所述的锁相放大器(12)具有标准的RS232、IEEE-488接口。

由于光源强度信号的变化会导致镀膜过程中的信号不稳定，这样很容易出现误判极值点的情况，本发明通过将经过监控片的信号和光源的强度信号相除，消除了由于光源不稳导致携带膜厚信息的信号的不稳定性，降低了对光源稳定性的要求。

用光开关6获取调制光的频率信号，电路简单且稳定，获得的脉冲信号的低电平低于0.5V，高电平大于3.5V且小于5V，这样可以使锁相放大器12工作于最稳定的状态，排除了其他频率的杂散信号。

监控片14的面积略大于经准直镜8后的平行光束的光斑面积，这样充分利用监控片，又保证信号的准确性。

Claims (9)

1.一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控系统，特征在于其结构包括光源发射系统(18)、监控片(14)、信号接收系统(19)和锁相放大器(12)四部分：

所述的光源发射系统(18)由带光电池(17)的光源(1)和沿该光源(1)发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜(15)、光阑(4)、单排孔调制盘(5)和准直镜(16)组装成一体，所述光阑(4)的光阑孔置于聚光镜(15)的焦点处，所述的单排孔调制盘(5)设有光开关(6)，该单排孔调制盘(5)周沿的调制孔(51)贴近所述光阑(4)的光阑孔并位于所述的光源发射系统(18)发出的光束上；

所述的信号接收系统(19)由依次设置的折光元件(9)、会聚镜(8)、单色仪(7)和光电倍增管(10)组装成一同光轴系统；所述的光电倍增管(10)的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器(12)的信号输入端相连，光开关(6)的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器(12)的参考信号输入端相连，光电池(17)的光源强度信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器(12)的辅助输入端相连；

所述的监控片(14)置于镀膜机的真空室(13)中并位于所述的光源发射系统(18)的光束上，所述的折光元件(9)既与所述的光源发射系统(18)的光束成45°，又与所述的信号接收系统(19)的光轴成45°。

2.根据权利要求1所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的光源发射系统(18)设置于所述的镀膜机的真空室(13)之顶垂直向下，而所述的信号接收系统(19)的折光元件(9)位于真空室(13)之底盘下并与所述的光源发射系统(18)发出的经监控片(14)的光束45°。

3.根据权利要求2所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的折光元件(9)为半透半反镜。

4.根据权利要求1所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的光源发射系统(18)设置于所述的镀膜机的真空室(13)之底并垂直向上，所述的信号接收系统(19)的折光元件(9)位于真空室(13)之底盘下并位于所述的光源发射系统(18)和监控片(14)之间，与所述的光源发射系统(18)发出的光束成45°。

5.根据权利要求4所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的折光元件(9)为反射镜。

6.根据权利要求1所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的光开关(6)由发光二极管LEI)和光电三极管G组成，所述的发光二极管LED串连一个1K的电阻与+5V电源相连，所述的光电三极管G的低电平小于0.5V，高电平大于3.5V且小于5V。

7.根据权利要求1所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的锁相放大器(12)将从光电倍增管(10)获得的经过监控片(14)的膜厚的信号与来自光电池(17)的光源强度的变化信号相除。

8.根据权利要求7所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的锁相放大器(12)的输入端内置有50/60Hz和100/120Hz的陷波器和抗混叠滤波器。

9.根据权利要求7或8所述的光学膜厚监控系统，其特征在于所述的锁相放大器(12)具有标准的RS232、IEEE-488接口。

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