CN101013169A - 光学镀膜监控系统信号消噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学镀膜监控系统信号消噪方法，主要包括：在监控系统中的光源部分加装电源集成模块、光源灯斜置、光波调制采用步进电机以及信号处理电路中采用高增益低噪声的元器件，并采用前级放大器与后级放大器分离以及低阻抗输入方式。本发明的方法能够对光学镀膜监控系统中来自电源、光源、传导、电子枪强光以及信号处理电路等各方面的噪声干扰，进行有效的抑制或消除，并由此获得比较纯净而精确的膜厚信号。同时采用了窄带八阶滤波器，可使调制频率以外的无用信号得到极大的衰减，提高处理信号的分辨率，为镀膜厚度精确监控提供可靠的保证。

Description

光学镀膜监控系统信号消噪方法

技术领域

本发明属于光学镀膜技术领域，是一种光学镀膜监控系统信号消噪方法。

背景技术

在光学镀膜过程中，广泛采用光电极值法进行膜厚的实时监控。该方法是利用光源系统发射的光束，经过调制、准直，投射到比较片上，然后利用比较片反射携带膜厚信号的光信号，经过聚焦、光电转换、放大、滤波等一系列电信号处理得到的是具有膜厚信息的电信号，即一定膜厚状态下的电压值。当这一电压达到某一极值时，说明镀制的膜层达到了预期厚度要求，即可对蒸镀系统进行控制，从而获得精确的蒸镀膜层厚度。但在实时监控中，由于光信号在传导过程中受诸多噪声源的影响，而使终端电信号不准确且不稳定，由此影响到膜厚监控系统的监测效果。

镀膜监控系统中产生噪声源的主要因素为：

1、光源发射系统一般采用普通电源，其电压在±10％范围随机波动，导致光源发光亮度的不稳，而且光亮度的变化经过电路几千倍的放大后就会产生很大的噪声信号，这种噪声信号必然造成膜厚信号极值监测结果的不稳定及失真；

2、光源灯在长时间连续发光的情况下，其使用寿命较短，最好的灯具也只能使用几千个小时，而且灯泡在使用寿命后期发光性能衰减。这一衰减必然造成光信号强度降低，并由此引起监测结果的不准。因此必须在光源灯有效使用周期终止之前及时进行更换，而目前通常的做法是靠操作者的记忆或记录，使光源灯的及时更换得不到可靠的保证。

3、传统光学镀膜监控系统中一般使用的光源，其发光亮度过低，同时采用平面或弧面反射镜反射的是漫射光，发射的光束亮度较差，加之光程中各种杂光噪声的干扰，造成信噪比过低，终端光信号不易分辨。

4、通常调制光源是由同步电机带动调制盘旋转，同步于市电的50Hz工频频率，而市电的工频频率波动约为±0.3Hz。经调制要获得1000Hz频率的调制光，加上随机的工频频率波动，实际输出的光频率为1000±6Hz，这±6Hz的工频波动也是光源产生的噪声，会引入信号处理电路中增加电路输出的不稳定性。

5、工频干扰：如果调制光频率是工频信号的整数倍时，调制信号F＝N*50Hz(N＝1，2，3....N)，信号处理电路中心频率也工作在F＝N*50Hz，这样工频信号将在整个放大电路中产生较大的干扰；

6、调制盘的光孔多数采用圆形或扇形结构，经调制后的光波曲线为近似梯形曲线，其峰谷部曲线平滑，并产生谐波噪声，最终会造成膜厚信号的分辨率低，影响监测效果的精确性；

7、监控系统中的光信号投射到比较片上，再由比较片反射到光电转换传感器上，光程很长，容易渗入杂光信号，特别是在镀膜机腔体内比较片的投射、反射过程中，不仅有杂光的渗入，而且镀膜过程中电子枪打开后产生强光干扰，其频率是随机的，且光亮度很高，对监控光信号具有极强的干扰作用；

8、在传统的信号处理电路中一般使用二阶滤波器和锁相环电路来处理电路噪声和频率误差，因其对噪声的处理能力不足，而影响输出信号的稳定性；

9、监控系统电路本身产生的噪声：由于传感器采集到的光信号非常微弱，光作用于光电二极管产生的电流是fA-pA级。对于这样小的信号处理，前级放大器要采用高倍率的IN转变换及电压放大器，这样也就避免不了把电路元器件本身的固有噪声及工艺制作问题产生的噪声同时进行了放大，由此给系统监测的灵敏度带来不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效地消除各种信噪源的影响，得到纯净的膜厚信号，增强信号处理的灵敏度，提高监测结果准确性的光学镀膜监控系统信号消噪方法。

为实现本发明的目的所采用的消噪方法如下：

(1)光源系统的消噪

a)在镀膜监控系统的光源电源电路中加装一个DC电源集成模块，使光源灯电源的电压恒定在10～20秒波动不大于±1mV，1小时内的波动不大于±5mV；纹波Vrms≤1mV，以减小电源电压随机波动所形成的噪声，保证光源的稳定性；

b)在镀膜监控系统的光源电源电路中增设感应式计时器，对光源灯的使用寿命进行计时控制，便于及时更换光源灯，避免光源灯寿命后期性能的衰减带来电压的波动，消除发光不稳对光源信号的影响；

c)光源灯采用高亮度并带有椭球面聚光的杯状卤钨灯，并采用灯杯斜置结构，使聚光光轴与出射光轴之间形成10～30°夹角，或在出射光路上设置匀光棒，避免光源灯因发射光束携带灯丝成像暗斑而造成的膜厚信号非正常波动的信噪，提高光源发射光的强度和光信号的信噪比；

(2)投光系统的消噪

a)光调制器采用同步电机驱动，并通过同步电机驱动电路使光波频率的稳定性控制在ΔF＜0.001％范围内，其固定频率在50～60Hz范围内调整，以避开市电工频频率的整数倍，消除市电工频频率波动带来的噪声干扰，使电机的转速更加稳定；

b)调制盘透光孔采用矩形结构，使得调制光波呈近似正弦曲线，以减少光信号频率波动以及谐波产生的噪声；

(3)膜厚信号处理系统的消噪

a)在膜厚信号处理电路中采取前级放大电路和后级信号处理电路分离的方法，具体为：采用大倍率I/V转换电路，将微弱的电流信号转换为电压信号，再通过可调整放大倍率的前置放大器将电压信号进一步放大，使之具有较高的抗干扰能力，增强膜厚监控中的有效信号，同时避免噪声的引入，也便于前级放大信号顺利通过电缆传输到后级放大电路，避免因长电缆信号传输而引入的干扰；

b)膜厚信号处理电路的滤波电路采用窄带滤波器，该滤波采用八阶有源滤波器，窄带滤波器的中心频率为光源的调制光频率为预设频率，纹波电压为150μV，电压调整率为0.5mV。

c)膜厚信号处理电路的电源采用直流电源模块，避免由电源引入的噪声干扰。

按照上述光学镀膜监控系统信号消噪方法，能够对光学镀膜监控系统中来自电源、光源、传导、电子枪强光以及信号处理电路等各方面的噪声干扰，进行有效的抑制或消除，并由此获得比较纯净而精确的膜厚信号。同时采用了窄带滤波器，可使调制频率以外的无用信号得到极大的衰减，从而提高了处理信号的分辨率，为镀膜厚度精确监控提供了可靠的保证。

附图说明

图1是光源电路示意图；

图2是光源箱和调制器的结构示意图；

图3是调制盘结构图：

图4是同步电机驱动电路框图；

图5是膜厚信号处理电路框图；

图6是程控放大器电路框图

图7是窄带滤波器电路图。

具体实施方式

本发明包括对整个镀膜实时监控中的光源系统、投光系统和膜厚信号处理系统所产生的噪声源进行的消噪，具体消噪方法如下：

参看图1，在光源系统的电源电路中设置了高精度的DC电源集成模块，可使供电电源的电压10～20秒波动不大于±1mV，1小时内的波动不大于±5mV；纹波Vrms≤1mV，为光源灯提供稳压稳流电源，使光源灯电源的电压恒定在10～20秒波动不大于±1mV，1小时内的波动不大于±5mV，纹波Vrms≤1mV，能够保证光源发射光束的亮度恒定在一个极小的波动范围内，使光源发射光束的亮度均匀一致。其次，在光源灯的电源电路上增设一个感应式计时器，当接通灯光电源，穿装在电源导线上的线圈即产生感应电流，并由此启动计时器的运行而开始计时；当光源灯停止工作，关闭电源开关，线圈内感应电流中断，计时器也随之停止运转。从而可以准确可靠地记录显示光源灯的使用时间，并可设置计时器声音报警装置，当光源灯使用时间到达有效寿命周期终点时，计时器可自动发出报警，提醒更换。

参看图2，是镀膜监控系统中的光源箱1和调制器3，光源箱1内采用高亮度的卤钨灯作为光源，并配以椭球面的聚光灯杯，可使光源灯2发出的亮光全部会聚成一个很小的光斑，其强度大幅增加，由此使光信号的信噪比大大提高。由于聚光灯杯的聚光作用，灯丝将在位于发射光轴的焦点上成像而形成暗斑，导致信号处理监测系统计算的光亮值不稳定。本案中采用将聚光灯杯斜置，使灯杯的聚光光轴与光源出射光轴之间的夹角α为10～30°，既能保证出射光孔处在光源会聚光斑的范围内，达到最大光强的效果，又可使灯丝聚焦成像的暗斑偏离出射光轴，从而保证发射光面的光亮均匀，避免暗斑对膜厚光信号的干扰。

调制频率的稳定性取决于调制盘转速的恒定程度，影响电机转速稳定性有两个方面的因素：1.电源电压的波动，其波动范围为±10％；2.电源频率的波动为50±0.3Hz，由此造成调制盘转速的随机波动，给调制光信号带来干扰。另外，当调制光频率是工频信号的整数倍时，调制信号F＝N*50Hz(N＝1，2，3....N)，信号处理电路中心频率也工作在F＝N*50Hz，这样工频信号也将在整个放大电路中产生较大的干扰。本案中调制器3上的同步电机5采用具有高稳定性的驱动电路(见图4)，其频率的稳定性控制在ΔF＜0.001％范围内，而且其恒定频率在50～60Hz范围内可任意调整，能够可靠地保证调制盘4转速的恒定，而且通过驱动电路输出频率的调整，使共模噪声得到抑制。所述同步电机驱动电路包括：一个晶体振荡电路用于产生超高频率信号；一个信号放大器，用于将晶体振荡电路输出的信号进行放大；一个分频电路，用于分捡经过放大的信号并按照需要的频率形成矩形波；一个正弦波形成电路，用于将分频电路输出的矩形波进行处理，并形成正弦波；一个功率放大器，用于将正弦波形成电路输出的电流进行放大并驱动同步电机按照设定的频率恒速运转。

由于传统调制器调制上的光孔多采用圆形或扇形结构，调制后的光波为近似梯形曲线，其中心频率带过宽，对光信号的监控灵敏度造成不利影响，而且带外产生的谐波噪声也对膜厚信号形成较强的干扰。因而，本案对调制盘4上的透光孔采用矩形结构(参见图3)，使调制光波呈近似正弦曲线，其峰谷极值易于分辨，为实现膜厚信号处理系统的窄带滤波提供了必要条件，并由此得到比较纯净的有用信号。

参看图5，是膜厚信号处理电路框图。在本发明中，膜厚信号处理系统采取前级放大和后级信号处理分离的方法，可以达到更好的信号稳定性及监测精度。其中前级放大包括：

一个大倍率I/V转换电路，用于把微弱的光信号产生的微弱电流变换为电压信号；

一个前置放大器，并配置具有微弱信号放大能力、温漂小的运算放大器可将I/V变换电路输出的电压信号进行精确的初步放大；

后级放大包括：

一个程控放大器：由单片机控制的两位数字电位器A、B和两级运算放大器A、B组成，(如图6所示)它是利用计算机来自动调整放大器的放大倍率。其调整方法是通过主控计算机与单片机之间的通讯协议，调用单片机内部的程序来设置数字电位器，通过改变数字电位器值达到调整运算放大器的放大倍率的目的；

一个窄带滤波器，用来选择经过调制的频率，滤除杂光干扰，从而得到比较干净的有用信号，并通过调整滤波器的Q值，使修正窄带滤波器的特性曲线达到设计要求。

一个交流放大器，用于对经过滤波的交流电压信号进行放大。

一个绝对值电路，是由运放构成的精密绝对值电路，用于将输入的交流信号完整地变换为脉动直流信号；

一个直流放大器，用于对脉冲直流信号进一步进行放大，达到计算机进行分辨处理的要求。

在膜厚监控系统中，除了光源发射系统和光信号调制过程容易产生信噪外，其后续传导、转换、处理过程的噪声主要来源于两个方面。一种是蒸镀仓内电子枪打开后对比较片的投射光和带有膜厚信号的反射或投射光产生的光干扰；另一种是膜厚信号系统电路本身产生的噪声。在对膜厚信号处理的过程中，对于上述两个方面的噪声必须进行滤除，否则会严重影响监测结果的准确性。本发明中，在膜厚信号处理系统中采用了窄带滤波器(参看图7)，该滤波器采用八阶有源滤波器，由四个二阶滤波器连接而成并集成在一个芯片内，每个二阶滤波器的外围设有4个电阻，并采用2支贴片电阻串联来达到所需阻值精度的要求。根据预先设定的调制光的频率值，窄带滤波器的中心频率设置为预先设定的频率，从而能够有效地滤除由电子枪的强光进入产生的噪声以及电路本身引入的噪声。

本发明中，膜厚信号处理电路的电源采用高稳定性的直流电源模块，纹波电压150μV，电压调整率0.5mV，可以满足放大器的电源的要求，并用以避免由电源引入的干扰。

Claims (6)

1、一种光学镀膜监控系统信号消噪方法，其特征在于：在膜厚信号处理系统中采用如下消噪方法：

a)在膜厚信号处理电路中采取前级放大电路和后级信号处理电路分离的方法，具体为：采用大倍率I/V转换电路，将微弱的电流信号转换为电压信号，再通过可调整放大倍率的前置放大器将电压信号进一步放大；

b)膜厚信号处理电路的滤波电路采用窄带滤波器，该滤波器采用八阶有源模拟滤波器；

c)膜厚信号处理电路的电源采用直流电源模块。

2、一种如权利要求1所述的光学镀膜监控系统信号消噪方法，其特征在于：在光源系统中采用如下消噪方法：

(1)光源系统的消噪

a)在镀膜监控系统的光源电源电路中加装一个DC电源集成模块，使光源灯电源的电压恒定在10～20秒波动不大于±1mV，1小时内的波动不大于±5mV；纹波Vrms≤1mV；

b)在镀膜监控系统的光源电源电路中增设感应式计时器，对光源灯的使用寿命进行计时控制；

c)光源灯采用高亮度并带有椭球面聚光的杯状卤钨灯，并采用灯杯斜置结构，使聚光光轴与出射光轴之间形成10～30°夹角，或在出射光路上设置匀光棒；

(2)投光系统的消噪

a)光调制器采用同步电机驱动，并通过同步电机驱动电路使光波频率的稳定性控制在ΔF＜0.001％范围内，其固定频率在50～60Hz范围内调整；

b)调制盘透光孔采用矩形结构；

3、根据权利要求2所述的光学镀膜监控系统信号消噪方法，其特征在于：所述同步电机驱动电路包括：一个晶体振荡电路，用于产生超高频率信号；一个信号放大器，用于将晶体振荡电路输出的信号进行放大；一个分频电路，用于分捡经过放大的信号并按照需要的频率形成矩形波；一个正弦波形成电路，用于将分频电路输出的矩形波进行处理，并形成正弦波；一个功率放大器，用于将正弦波形成电路输出的电流进行放大并驱动同步电机按照设定的频率恒速运转。

4、根据权利要求1或3所述的光学镀膜监控系统信号消噪方法，其特征在于：所述的后级信号处理电路包括：

一个程控放大器：由单片机控制的两位数字电位器A、B和两级运算放大器A、B组成，它是利用计算机来自动调整放大器的放大倍率，其调整方法是通过主控计算机与单片机之间的通讯协议，调用单片机内部的程序来设置数字电位器，通过改变数字电位器值达到调整运算放大器的放大倍率的目的；

一个窄带滤波器，用来选择经过调制的频率，滤除杂光干扰，得到有用信号；

一个交流放大器，用于对经过滤波的交流电压信号进行放大；

一个绝对值电路，是由运放构成的精密绝对值电路，用于将输入的交流信号完整地变换为脉动直流信号；

一个直流放大器，用于对脉冲直流信号进一步进行放大，达到计算机进行分辨处理的要求。

5、根据权利要求1或4所述的光学镀膜监控系统信号消噪方法，其特征在于：所述窄带滤波器采用八阶有源滤波器，是由四个二阶滤波器连接而成并集成在一个芯片内，每个二阶滤波器的外围设有四个电阻，并采用两支贴片电阻串联达到所需阻值精度的要求。

6、根据权利要求5所述的光学镀膜监控系统信号消噪方法，其特征在于：窄带滤波器的中心频率为光源的调制光频率为预设频率，纹波电压为150μV，电压调整率为0.5mV。

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