CN100437024C - 光学膜厚在线测量折射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学膜厚在线测量折射率的方法，该方法利用计算机对膜层的实时折射率进行在线测量，并利用实时折射率值对监控电压信号的理论变化曲线进行修正，当镀膜曲线进行到峰值点或谷值点的时候，自动计算出实时折射率，修正停止点电压值和理论曲线，并将实时折射率显示在屏幕上。从而可以剔除蒸镀过程中各种随机的不可控因素对监控信号的影响，准确地计算和控制蒸镀停止点，同时，可以直观、精确地显示观察蒸镀情况的理论曲线和实际曲线的实时变化，还可以对镀件蒸镀的工艺条件和环境各项因素进行改进和调整，改善光学镀膜人机系统诸要素对镀膜工艺质量的保障水平。

Description

光学膜厚在线测量折射率的方法

技术领域

本发明属于光学镀膜监控技术领域，特别是一种光学膜厚在线测量折射率的方法。

背景技术

目前在光学镀膜中，一般采用光学监控系统进行镀膜膜厚的监测和控制，即由光源系统发出的光束经过调制、准直、分光，投射到比较片上，再将比较片反射的膜厚光信号投在受光器上，经过光电转换，获得带有膜厚信息的电压信号。监测时由人工观察电压信号仪表，当电压表针摆动到某一极值时，即认为达到了膜厚要求而停止蒸镀。但是，由于镀膜机内的温度、真空度及蒸镀速率等各种随机因素的影响，监测电压信号并不能准确的反映镀膜膜厚的变化。况且，在光学镀膜监控过程中，即便是同样的膜料同样的层系在多次蒸镀中的信号变化也是不一样的。因此，利用电压信号峰值作为蒸镀停止点的电压值来控制镀膜厚度，难以保证蒸镀停止点的准确性，由此造成镀膜膜厚精度低、镀件质量差。同时，由于靠人工操作，其蒸镀停止点的判定也完全凭操作者的经验，因而也使镀膜质量无法得到可靠的保证。对于这一问题，国内外尚没有较好的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用计算机对膜层的实时折射率进行在线测量，实现准确确定蒸镀停止点，精确控制镀膜膜层厚度，提高镀膜质量的光学膜厚在线测量折射率的方法。

为实现上述目的，本发明的折射率在线测量方法包括以下步骤：

(1)按照TFCalc和Essential Macleod软件程序，将镀膜工艺参数包括实验参数、设计理论参数和运算模型输入到计算机软件中，形成可供机算计操作的镀膜软件工艺文件；

(2)利用镀膜软件工艺文件，通过计算机设定监控波长值，并发送指令至分光器，调整监控波长；

(3)利用镀膜软件工艺文件，通过计算机发送指令到数字电位器，调整信号放大倍率；

(4)利用镀膜软件工艺文件，由计算机计算绘制监控电压信号变化理论镀膜曲线，并在蒸镀开始后显示在计算机屏幕上；

(5)按照镀膜工艺，进行坩锅切换、自动预熔后，由计算机按照镀膜软件工艺文件开始蒸镀操作，同时进行监控信号的实时采集和转换处理；

(6)当蒸镀开始后，先由计算机中的软件驱动数据采集卡采集初始信号电压值，并传输给数据处理软件；

(7)由计算机根据数据采集卡采集的监测电压值变化，计算绘制实际镀膜曲线，并显示在计算机屏幕上；

(8)当实际镀膜曲线进行到第一个峰值点或谷值点时，由计算机根据工艺参数和实时折射率运算模型计算出峰值点或谷值点的实时折射率，并显示在计算机屏幕上，同时根据该折射率值对理论蒸镀停止点的折射率值进行修正，确定控制蒸镀停止点的折射率值；

(9)由计算机对继续蒸镀过程的折射率变化进行实时计算，当实时折射率值达到控制蒸镀停止点的数值时，即可由计算机发送命令至蒸镀操作系统，立即停止蒸镀。

所述工艺实验参数包括监控光信号波长、膜料本身的折射率、膜层的折射率和吸收率。

所述设计理论参数包括：膜层厚度、预定填充密度、蒸镀速率、预定成膜时间、蒸镀基件折射率、真空折射率和大气折射率。

所述运算模型包括：实时折射率、实时反射率、膜厚与时间函数。

按照上述方法，利用计算机对膜层的实时折射率进行在线测量，并利用实时折射率值对监控电压信号的理论变化曲线进行修正，能够得到完全符合当前膜层蒸镀情况的真实参数，获得与膜层厚度变化相一致的电压信号变化曲线。从而，可以剔除蒸镀过程中各种随机的不可控因素对监控信号的影响，准确地计算控制镀膜过程中蒸镀停止点，可使镀膜精度大幅度提高，适应高精密光学器件的镀膜质量要求。同时，可以直观、精确地显示观察蒸镀过程中理论镀膜曲线和实际镀膜曲线的实时变化，通过二者的对比分析，还可以对镀件蒸镀的工艺条件和环境各项因素进行改进和调整，改善光学镀膜人机系统诸要素对镀膜工艺质量的保障水平。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的程序控制图。

具体实施方式

结合图1对本发明的方法做进一步说明：

(1)按照TFCalc和Essential Macleod软件程序，将设计文件输入到计算机中，工艺设计文件中包括监控光信号波长、膜层的折射率、吸收率实验参数；设计的膜厚、预定填充密度、蒸镀速率、预定成膜时间、监控光信号波长、蒸镀基件折射率、真空折射率、大气折射率的理论参数；实时折射率(当前膜厚下的折射率＝初始折射率×当前信号电压值÷初始信号电压值)、实时反射率(当前膜厚下的反射率＝初始反射率×当前信号电压值÷初始信号电压值)、膜厚-时间函数(膜厚＝蒸镀速率×预定成膜时间)的运算模型，并由此形成可供计算机自动操作的镀膜软件工艺文件，以实现折射率在线测量及膜厚实时监控系统的自动控制。

(2)在开始蒸镀之前，计算机利用镀膜软件工艺文件，并根据工艺要求计算设定监控波长值，并通过串行口给电路控制系统发送波长监控命令，电路控制系统在接受到命令以后向分光器的步进电机发送转动信号，控制步进电机旋转到指定的监控波长。

(3)利用镀膜软件工艺文件，根据当前层膜料的特性，设定放大器增益，通过计算机发送指令到程控放大器的数字电位器，依此调节数字电位器的阻值，由放大电路将阻值变化转换为增益变化，得到需要的信号放大倍率。同时计算机通过A/D采集卡来采集信号处理系统放大的电压变化信号并转换为反射率。

(4)根据镀膜软件工艺文件以及镀件基板和膜层的光学性能如：反射率、投射率、折射率、大气折射率等参数计算出蒸镀过程的信号电压及折射率理论值，由计算机计算并绘制监控电压信号变化的理论镀膜曲线，并在蒸镀开始后显示在计算机屏幕上，用于蒸镀过程中实际值的比较。

(5)按照镀膜工艺，计算机通过IO端口发送命令至蒸镀操作系统，进行坩锅切换，将当前蒸镀膜层需用的坩锅旋转到指定工艺位置；并由计算机通过IO端口输出脉冲信号，并通过D/A转换输出电子枪的束流值，开始预定的自动预熔工艺。在预熔完成以后，将电子枪控制权交给晶控进行束流控制，由计算机通过串口发送命令至电路切换继电器将控制信号切换到晶控，晶控将根据膜厚控制器的计算机通过串口发送的速率控制命令进行蒸发速率控制，而后由计算机按照镀膜软件工艺文件开始蒸镀操作。

(6)当蒸镀开始后，先由计算机中的软件驱动A/D数据采集卡采集初始信号电压值，并传输给数据处理软件；然后由计算机根据A/D采集卡采集的监测电压值变化，计算绘制实时镀膜曲线，并与预先输入的理论镀膜曲线同时显示在计算机屏幕上。

(7)由计算机驱动A/D采集卡采集由光信号变换的电压信号，并根据数据采集卡采集的监测电压值变化，将计算绘制的实际镀膜曲线，在计算机屏幕上显示，可以直观地观察蒸镀作业进行情况是否正常，同时将实际镀膜曲线与理论镀膜曲线进行比较；

(8)在蒸镀过程中，当蒸镀曲线进行到第一个峰值点(高折射率膜料)或谷值点(低折射率膜料)的时候，依据光学基板、真空及大气等介质折射率的稳定性，可以通过电压信号实时值与理论值的比较及预先输入的工艺参数，由计算机计算出镀膜的实时折射率，以修正理论蒸镀停止点的电压值，准确地确定控制蒸镀停止点的折射率值。同时，可将实时折射率显示在屏幕上，让操作者及用户直观地看到镀膜产品的折射率指标。另外，也可根据实时曲线与理论曲线差异程度的大小，分析评价蒸镀作业人机系统的工艺保障条件，从而采取措施，改善工艺技术。

(9)由计算机对继续蒸镀过程的折射率变化进行实时计算，当实时折射率值达到控制蒸镀停止点的数值时，即可由计算机发送命令至蒸镀操作系统，立即停止蒸镀。折射率是光学镀件的一项主要使用性能指标，采用折射率值来控制蒸镀停止点，能够可靠的保证蒸镀质量，并能大大提高蒸镀膜厚的精度。

参看图2，本发明的计算机控制程序如下：

(1)输入镀膜工艺设计文件及运算参数；

(2)发送指令到分光器，调整监控波长；

(3)发指令到数字电位器，调整信号放大倍率；

(4)计算机通过IO端口发送BCD码进行坩锅切换；

(5)发指令到蒸镀操作系统，执行蒸镀操作；

(6)计算绘制理论镀膜曲线，屏幕显示；

(7)驱动数据采集卡AI端口，采集电压信号；

(8)根据采集的电压信号变化绘制镀膜曲线，屏幕显示；

(9)检测第一个电压信号峰值点或谷值点；

(10)计算峰值点或谷值点的实时折射率，计算设定蒸镀停止点；

(11)当实时折射率达到所确定的蒸镀停止点的数值时，计算机发送命令控制晶控，停止该层的蒸镀；

(12)如果继续下一个膜层的蒸镀，则重复2-9步骤操作，或者结束镀膜操作。

Claims (2)

1、一种光学膜厚在线测量折射率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)按照TFCalc和Essential Macleod软件程序，将工艺参数输入到光学膜厚控制器的计算机中，形成计算机操作的镀膜软件工艺文件；

(2)由镀膜软件工艺文件自动生成监控电压信号变化的理论镀膜曲线，并在蒸镀开始后显示在计算机屏幕上；

(3)在开始蒸镀之前，计算机根据蒸镀工艺设置监控波长值，并发送指令至分光器，调整监控波长；

(4)在镀膜机的真空系统准备完成以后，按照镀膜软件工艺文件开始执行蒸镀操作；

(5)计算机根据蒸镀工艺设置监控信号放大增益，并发送命令至膜厚信号处理系统，调整增益到位，同时由计算机中的软件驱动A/D采集卡采集初始电压变值，并传输给数据处理软件；

(6)切换坩锅，按照蒸镀工艺将相应的坩埚转动到当前蒸镀工位；

(7)计算机通过IO端口输出脉冲信号，开始预定的自动预熔工艺；

(8)当预熔完成以后，计算机发送命令至蒸镀操作系统，开始执行蒸镀工艺，同时开始监控信号的采集和处理；

(9)由计算机根据A/D采集卡采集的监测电压值变化，自动生成实际镀膜曲线，并显示在计算机屏幕上；

(10)当实际镀膜曲线进行到第一个峰值点或谷值点时，由计算机根据工艺参数和实时折射率运算模型计算出峰值点或谷值点的实时折射率，并显示在计算机屏幕上，同时根据该折射率值对理论蒸镀停止点的折射率值进行修正，确定控制蒸镀停止点的折射率值；

(11)由计算机对继续蒸镀过程的折射率变化进行实时计算，当实时折射率值达到控制蒸镀停止点的折射率值时，即可由计算机发送命令至蒸镀操作系统，立即停止蒸镀。

2、根据权利要求1所述的光学膜厚在线测量折射率的方法，其特征在于：所述工艺参数包括监控光信号波长、膜层的折射率、吸收率实验参数；设计的膜厚、预定填充密度、蒸镀速率、预定成膜时间、蒸镀基件折射率、真空折射率、大气折射率的理论参数；实时折射率、实时反射率、膜厚与时间函数的运算模型。

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