CN100413995C - 一种光学镀膜偏振光谱监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明为涉及光学真空镀膜机的监控系统领域，实现在光学薄膜的实际使用角度下对偏振光谱特性进行直接和实时的监控，结构上包括光学镀膜机、监控光路系统和监控仪，监控光线从光源出发，经过光学镀膜机中的滤光片和监控光路进入监控仪，监控仪根据监控光信号来控制光学薄膜膜厚，所述滤光片与监控光线成夹角A，夹角A等于滤光片实际使用中与光线的夹角，监控光路系统中设有棱镜，棱镜光轴与入射光的夹角只允许监控光线的S偏振态或P偏振态的光出射至监控仪。

Description

一种光学镀膜偏振光谱监控系统

技术领域

本发明为涉及光学真空镀膜机的监控系统领域，更具体的说是一种光学镀膜偏振光谱膜厚监控仪。

技术背景

光学薄膜元器件已经广泛应用于光学、电子、信息、通信、军事、生物、医学、环保、节能、材料等国民经济的各个领域，发挥着非常重要的作用。特别是由于光通信产业的蓬勃发展，几乎每个光通信元器件都离不开光学镀膜，要求由光学薄膜实现的功能越来越多。因此，一些对偏振特性有要求的光学薄膜也得到了越来越多的应用，诸如消偏振截止薄膜，偏振分光膜，消偏振分光膜等等。

现有的光学薄膜监控，都是得到光学薄膜镀层在0度监控角下的信息。然而只有在光线倾斜入射时，光学薄膜才能产生偏振分离。因此传统的0度监控无法对光学薄膜的偏振特性直接监控，而只能在镀制完毕后，利用分光光度计进行测试，达不到实时监控。

发明内容

为填补现有技术中的空白，本发明提出了光学薄膜偏振监控的方案，并进行光学薄膜偏振监控仪的研制，实现在光学薄膜的实际使用角度下对光谱特性进行直接和实时的监控。

本发明在国产镀膜机上进行改造实现，以期在镀制过程中对光学薄膜的偏振光谱进行实时的监控，同时也提高国产镀膜机的性能，降低成本。

本发明通过以下技术方案实现其目的。

本发明公开了一种光学镀膜偏振光谱监控系统，包括光学镀膜机、监控光路系统和监控仪，监控光线从光源出发，经过光学镀膜机中的滤光片和监控光路进入监控仪，监控仪根据监控光信号来控制光学薄膜膜厚，所述滤光片与监控光线成夹角A，夹角A等于滤光片实际使用中与光线的夹角，监控光路系统中设有棱镜，棱镜光轴与入射光的夹角只允许监控光线的S偏振态或P偏振态的光出射至监控仪。监控光线倾斜通过滤光片之后产生偏振，由于在实际使用的过程中，光线与滤光片的夹角不一样，所以为实现准确监控，本发明的滤光片与监控光线成夹角A必须等于实际使用中滤光片与光线的夹角，本发明可以在镀膜机中安装角度调节装置来调节滤光片与监控光线的夹角。由于本发明的目的是实现对监控光单一偏振态的监控，所以采用棱镜来实现监控光偏振分离，实际使用中可能需要监控S偏振态或P偏振态的光线，所以棱镜光轴与入射光的夹角只允许监控光线的S偏振态或P偏振态的光出射，监控仪根据实际需要仅用于监控其中一个偏振态。可以在棱镜上设置一个转动装置，用于调节光轴与入射光的夹角，适用不同监控过程的需要。本发明是所述的棱镜为格林棱-泰勒棱镜，属于格兰型结构的空气隙棱镜，采用天然晶体冰洲石材料制作，具有偏光性能好，消光比可优于1×10^-5等优点。

本发明相对于现有技术具有以下显著的实质性特点和突出的进步。

1.可以实现对光学镀膜进行偏振态的监控，填补了现有光学镀膜机的空白，适应光学镀膜机的未来发展趋势；

2.结构简单，监控准确，能够适用现有多种光学镀膜机，成本低；

3.棱镜为格林棱-泰勒棱镜，采用天然晶体冰洲石材料制作，具有良好的偏光性能。

附图说明

图1为光学镀膜偏振监控的光路系统结构图；

图2为本发明在电脑上实时显示的软件画面；

图3为一实验中最后一膜层镀制结束时本发明实时采集的P偏振透过率曲线。

图4为图3的镀膜成品经过分光光度计测量得到的P偏振透过率谱线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

真空镀膜光学监控通常采用光电检测光，即实时测量监控薄膜的透射率或者反射率的方法。薄膜的透射率或者反射率是随薄膜厚度的变化而变化。

膜层的透射率为：

$T=\frac{n_3}{n_1}\·\frac{t^2}{1+r^2-2r\cos \left(\frac{4\mathrm{\πnd}}{\mathrm{\λ}}\right)}$

其中n₁、n、n₃分别为空气、膜料、基片的折射率；d是膜层的物理厚度。

由以上公式看出，在真空镀膜的过程中，光源发出的光经透过滤光片或被滤光片反射，随着膜料的不断蒸镀，膜层的厚度d不断变化，膜层的透射率或反射率相应的发生变化。

如图1所示的一种光学镀膜偏振光谱监控系统，包括光学镀膜机4、监控光路系统和监控仪6，监控光线从光源3出发，经过光学镀膜机中的滤光片1，由反光镜5反射，通过棱镜2只透射S或P偏振态的光信号通过导光光纤7进入监控仪6。在监控仪6中光信号依次通过光栅单色仪61、CCD图像传感器62、A/D转换器63，经数据采集卡64输送到计算机65中进行计算和分析，计算机65根据此光信号控制光学镀膜膜厚。本实施例中所述的滤光片1与监控光线成夹角A，夹角A等于滤光片实际使用中与光线的夹角，所述棱镜2光轴与入射光的夹角只允许监控光线的S偏振态或P偏振态的光出射至监控仪。棱镜采用格林棱镜，格林棱-泰勒棱镜属格兰型结构的空气隙棱镜，由天然晶体冰洲石材料制作，偏光性能好，消光比可优于1×10^-5。常规使用波段为300-2800nm。CCD图像传感器62包括CCD探测器和CCD驱动板。CCD探测器的型号为TCD1251UD。TCD1251UD是一种高灵敏度、低暗电流、高速线阵CCD图象传感器，具有2700个采用高灵敏度PN结作为光敏单元的像敏单元，像敏单元大小：11μm×11μm×11μm，即相邻像元中心距为11μm，适用于光谱测量和尺寸测量。本装置采用的线阵CCD配套驱动板，其特性主要有：驱动频率4档可调；积分时间16档可调，接口的电气标准为TTL电平；输出模拟信号电压为5V。数据采集卡64是与本发明的线阵CCD驱动系列配合的高速AD数据采集卡。卡上自带大容量静态缓存，适用于各种测量、测试和分析应用场合。其采样频率12Bit，采用精度达5MHz，为PCI插口。

本发明的特点在于在光学薄膜的实际使用角度下进行直接监控。本发明的监控过程中，滤光片1与监控光线成夹角A。采用电子枪蒸发膜料42，打开挡板41使膜料蒸汽在滤光片1上沉积。滤光片1在沉积过程中不断变化的信号光通过格林棱镜2，使格林棱镜2的光轴在某一恰当位置并固定，格林棱镜2将只允许S偏振态或P偏振的光出射。光纤束将出射的分离后的偏振光引进单色仪61，加大单色仪61的出射狭缝，在出射狭缝接CCD图像传感器62，单色仪61的光栅将光投射到接在出射狭峰的2700像元的线阵CCD上，形成一个从紫外到红外分布的色带。CCD图像传感器62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，经数据采集卡64转换送入计算机65处理，通过实时监控软件的界面在电脑显示出镀制过程的偏振光谱曲线。镀膜人员通过对比理论曲线和实际镀制的偏振光谱曲线，并根据评价函数，对镀膜过程中每一层的镀制开始和结束做出判断，达到直接控制所镀薄膜的偏振特性的目的。

滤光片光谱特性采用实时显示软件，其目的是在屏幕上实时显示出滤光片的光谱特性曲线，它是完成宽光谱膜厚监控仪监控镀膜过程的基础，如图2所示。还包括薄膜计算软件，以便在镀膜过程中，我们必须知道镀到什么地方为止，从而事先输入薄膜各层的膜厚和折射率计算出理论上的终点，才能和实时观察到的光谱曲线相比较。本模块的薄膜计算软件可设置不同的镀制角。宽光谱监控评价函数这一模块可以为每一层的镀制结束提供参考，操作人员可利用评价函数对每一层的镀制结束做出判断。如图3即为一实验中最后一膜层镀制结束时本发明实时采集的P偏振透过率曲线，从图4可以看出产品在镀膜过程中的监控曲线基本与实际产品的基本相符。

Claims (4)

1. 一种光学镀膜偏振光谱监控系统，包括光学镀膜机、监控光路系统和监控仪，监控光线从光源出发，透过光学镀膜机中作为镀膜基底的滤光片(1)和经过监控光路进入监控仪，监控仪根据监控光信号来控制光学薄膜膜厚，其特征是所述滤光片(1)与监控光线成夹角A，夹角A等于滤光片(1)实际使用中与光线的夹角，监控光路系统中设有棱镜(2)，棱镜(2)光轴与入射光的夹角只允许监控光线的S偏振态或P偏振态的光出射至监控仪。

2. 根据权利要求1所述的光学镀膜偏振光谱监控系统，其特征是所述的棱镜(2)为格兰型结构的空气隙棱镜。

3. 根据权利要求2所述的光学镀膜偏振光谱监控系统，其特征是所述的棱镜(2)为格林棱镜。

4. 根据权利要求1或2或3所述的光学镀膜偏振光谱监控系统，其特征是所述的棱镜(2)采用天然晶体冰洲石材料制作。

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