CN100410693C - 光学滤光片薄膜厚度的监控方法 - Google Patents

光学滤光片薄膜厚度的监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学滤光片薄膜厚度的监控方法，该方法是首先计算出每块监控片都以中心波长λ0为监控波长的光谱曲线；再计算出偏离中心波长为监控波长的系列光谱曲线；然后用常规的极值间接监控方法在基片上镀光学薄膜；对镀制好的滤光片进行光谱曲线测试；将测试的光谱曲线与模拟计算的光谱曲线进行对比，找出与计算光谱曲线中最相近的光谱曲线，调整监控波长重新制备新的滤光片，如此重复，直到滤光片的测试光谱曲线的波形和透过率或反射率指标达到设计要求的指标。本发明方法的最大优点是：提高了薄膜厚度控制精度。对窄带滤光片的制备特别有利。

Description

光学滤光片薄膜厚度的监控方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜领域，具体是指光学滤光片薄膜厚度的监控方法。
技术背景
光学滤光片是由基片和在基片上真空蒸镀光学膜系构成的。在蒸镀光学膜系时，由于膜层厚度的变化，其反射和透射光都会发生变化，因此采用光学信号的变化来控制膜层厚度的变化方式是最合适的。现在常用的光学膜厚监控方法有：直接观察薄膜颜色变化的目视法；测量透过率或反射率对波长的导数变化的波长调制法；测量薄膜透射率或反射率的极值变化的极值法。
目视法是利用人眼作为接收器，目视观察薄膜干涉色的变化来控制介质膜的厚度。对于镀制单层MgF2的减反膜是非常方便的，至今仍为广泛应用。
波长调制法是测量反射率或透过率对波长的导数，在极值点反射率曲线的导数为零，在极大值情况下，从正值到负值迅速变化，在极小值情况下，变化情况相反，这是能够精确给出控制四分之一波长或其整数倍膜层厚度的方法。但其监控系统复杂。
极值法是H.D.Polster于J.Opt.Soc.Am.42，21(1952)1952年提出的，它是利用光电监控系统监控薄膜在蒸发过程中出现极值点的次数来控制四分之一波长整数倍光学薄膜厚度的方法。
极值法有三种，它们分别是直接控制法、间接控制法和半直接控制法。
直接控制法：薄膜的蒸发过程自始至终由被镀样品进行控制，不用控制片。采用被镀样品进行控制，对镀制窄带滤光片具有很高的精度。主要是由于相邻膜层之间会自动进行膜层误差的补偿(在控制波长上)，同时避免了凝聚特性变化而引起的误差，使窄带滤光片获得很高的波长定位精度。其缺点是：当膜层镀到较厚时，监控光学信号会变形；镀膜的状态发生变化带来的误差不能很方便的补偿。
间接控制法：薄膜的蒸镀过程由监控片来控制其厚度，监控片可以有多片。优点是由于薄膜的蒸发过程是先后在多片监控片上进行镀膜监控，因此可以变换不同的监控波长，避免了当膜层镀到较厚时，监控光学信号发生变形。缺点是当被镀样品淀积到一定厚度，换了新的监控片，此时被镀样品上淀积的膜层和同时淀积在一个新的监控片的膜层，其厚度之间有明显的差异；每层膜层的极值控制精度较低。
半直接控制法介于两者之间，是在镀有预镀层的监控片上直接控制整个镀膜过程的膜层厚度，同样存在控制精度问题。
发明内容
基于上述几种光学薄膜厚度的监控方法上存在的种种问题，本发明的目的是提供一种将间接控制法和薄膜光学模拟计算光谱曲线相结合的新监控方法。
本发明的监控方法步骤如下：
A.首先按所需滤光片的设计要求，设计滤光片膜系。根据膜系确定监控片的块数，利用光学薄膜设计软件Filmward或Filmstar或Tfcal计算出每块监控片都以中心波长λ0为监控波长的光谱曲线；再计算出偏离中心波长为监控波长的系列光谱曲线，监控波长的偏离量可以是递增，或递减，或相等，例如根据膜系确定监控片为3块，递增：第一块监控片的监控波长为λ0，第二块监控片的监控波长为λ0+Xnm，第三块监控片的监控波长为λ0+2Xnm，X＝1、2或3、----，监控波长偏离量的递减或相等可根据上述的递增规律依此类推；监控波长偏离量也可以是部分监控片的监控波长偏离中心波长，具体可根据不同滤光片的设计要求确定；
B.用常规的极值间接监控方法在基片上镀光学薄膜；
C.对镀制好的滤光片进行光谱曲线测试；
D.将测试的光谱曲线与模拟计算的光谱曲线进行对比，找出与模拟计算光谱曲线中最相近的测试光谱曲线，根据此测试光谱曲线的监控波长偏离规律，作相反方向偏离为监控波长。例如此测试光谱曲线的第一块监控片的监控波长从λ0处开始，以后每块监控片的监控波长递增2nm，那么就以第一块监控片的监控波长为λ0，以后每块监控片的监控波长递减2nm为监控波长，在上述B步骤的同一设备、同一工艺参数条件下，用B步骤方法重新制备新的滤光片；
E.重复C、D步骤，直到滤光片的测试光谱曲线的波形和透过率或反射率指标达到设计要求的指标。
本发明方法的优点是：
1、通过人工补偿，提高了薄膜厚度控制精度。
2、由于每块监控片的膜层厚度较直接控制的膜层厚度薄很多，可以避免由于膜层太厚，单色仪的监控波长带宽带来的信号变形的影响，及其监控信号由于光路受污染而带来的信号失真。
3、可以避免直接控制时半波膜系的过渡层不敏感，信号很小的弊端。
4、由于以每块控制片为模拟单位，更能有利于总结镀膜过程中蒸发规律以及每种膜系的控制误差规律，减少计算量，有利于人工控制和自动控制的优化。
5、本发明方法对窄带滤光片的制备特别有利。
附图说明
图1是412nm带通滤光片，利用光学薄膜设计软件计算的光谱曲线；
(a)图为按412nm带通滤光片的设计要求计算的光谱曲线；
(b)图以3片监控片，每片监控片的监控波长递减2nm设计计算的光谱曲线；
(c)图以3片监控片，每片监控片的监控波长递增2nm设计计算的光谱曲线。
图2为412nm窄带滤光片镀膜实测光谱曲线。
图3为红外截止滤光片的计算光谱曲线。
图4为红外截止滤光片的镀膜实测曲线，其控制片的监控波长相同。
图5为红外截止滤光片的镀膜实测曲线，其后三片控制片的监控波长都调短20nm的镀膜实测曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
实例1：412nm窄带滤光片，带宽为20nm，三半波窄带滤光片其膜系为(LHLH2LHLH)3，L为SiO2，H为TiO2，选用3片监控片，每片控制片的膜系为LHLH2LHLH，监控片采用Si，并用反射式光学极值间接控制法监控膜厚。按上述步骤进行滤光片光学薄膜的制备。图1是利用光学薄膜设计Filmward软件，模拟分析计算的光谱曲线。图1中三个计算曲线，代表了如果监控没有误差和蒸发状态没有变化的情况下，三片监控片的监控波长变化而带来的不同效果。图1(a)的计算曲线是模拟三片监控片的监控波长相同，在整个镀膜过程中没有变化，监控波长λ0为412nm。图1(b)的计算曲线是模拟每片监控片的监控波长递减2nm(波长变化0.5％)，图1(c)的计算曲线是模拟每片监控片的监控波长递增2nm(波长变化0.5％)。因此我们可以根据镀膜的光谱曲线情况，来调整每块监控片的监控波长，这样镀膜出来的主峰滤光片可以得到较好的波形。图2是监控波长经过调整后制备的滤光片的实测曲线，其第一片监控片的监控波长λ0为412nm，第二片监控片的监控波长增加2nm，即为412+2nm，第三片监控片的监控波长为412+2+2nm，该实测曲线的光谱峰值透过率为85％，中心波长为411nm，符合理论设计要求，达到预期目标。
实例2：红外截止滤光片，其要求为420-600nm，透过率大于85％，λ＝645nm，T＝50％，700-1050nm，T平均＜1％，1050-1100nm，T最大＜10％。膜系设计为两个截止膜堆，其膜系为：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。
监控波长λ0＝735nm，L-SiO2，H-TiO2。
因此，采用六块监控片，前五块每块监控片涂6层膜，监控片的膜系为：
第一监控片：1.214L 1.118H 1.123L.996H 1.074L.957H；
第二监控片：1.06L.963H 1.056L.96H 1.054L.966H；
第三监控片：1.064L.972H 1.073L 1H 1.11L 1.07H；
第四监控片：1.23L 1.264H 1.355L 1.322H 1.371L 1.326H；
第五监控片：1.362L 1.317H 1.37L 1.34H 1.389L 1.354H；
第六监控片：1.397L 1.352H 1.383L 1.315H 1.299L 1.142H.58L。
上面的监控膜层的设计，实际上，前三块监控片为一个短波长的后截止膜堆，后三块监控片为一个长波长的后截止膜堆，这样的分配可以通过调节每三块监控片的监控波长来调节，波形如截止区的透过率。
图3是红外截止滤光片设计膜系的理论计算光谱曲线图，在截止区的平均透过率小于1％，在700-1050nm最大透过率小于3％。图4是按照设计监控波长λ0为735nm，每块监控片的监控波长一致的情况下镀制的实测曲线，由图可见在700-1050nm的中间有一个凸起的波包。根据图4的曲线，对后三块监控片的监控波长进行扁移模拟计算，得出后三块监控片的监控波长较监控波长λ0长了20nm。因此在镀制该膜系时，将后三块监控片的监控波长调短20nm后，进行镀膜得到的实测曲线如图5，符合理论设计要求，达到预期目标。

Claims (1)

1. 一种光学滤光片薄膜厚度的监控方法，其特征在于具体步骤如下：
A.首先按所需滤光片的设计要求设计好滤光片的膜系确定监控片的块数，利用光学薄膜设计软件Filmward或Filmstar或Tfcal计算出每块监控片都以中心波长λ0为监控波长的光谱曲线；再计算出监控波长偏离中心波长的系列光谱曲线，每块监控片的监控波长偏离中心波长的偏离量是递增或递减或相等，或是根据不同滤光片的设计要求确定部分监控片的监控波长偏离中心波长；
B.用常规的极值间接监控方法在基片上镀光学薄膜；
C.对镀制好的滤光片进行光谱曲线测试；
D.将测试的光谱曲线与模拟计算的光谱曲线进行对比，找出与模拟计算光谱曲线中最相近的测试光谱曲线，根据此测试光谱曲线的监控波长偏离规律，将监控波长作相反方向偏离，在上述B步骤的同一设备、同一工艺参数条件下，用B步骤方法重新制备新的滤光片；
E.重复C、D步骤，直到滤光片的测试光谱曲线的波形指标以及透过率或反射率指标均达到设计要求。
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