CN104233212B - 一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，通过研究行星转动夹具上镀膜元件的运动规律，设计专用圆环形直接光控测试片和镀膜夹具；在镀膜机中优化光源和光收集聚焦透镜的位置，并通过控制背景噪声、光强度以及信号测量位置，获得随薄膜厚度变化的光学信号，并据此计算实际沉积的膜层厚度。本发明可以实现镀膜机行星转动夹具上平面或者球面镜片上薄膜厚度的直接光学控制，提高行星转动镀膜机薄膜厚度控制的准确度以及复杂膜系的镀膜效率。

Description

一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜制备技术领域，特别是一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法。

背景技术

光学薄膜由具有高、低折射率的材料(膜层)按照特定的顺序依次沉积到光学基片上构成，其光谱特性和每个膜层的厚度和折射率相关。精确控制薄膜厚度是光学镀膜技术中实现特定光谱要求的核心，控制薄膜厚度包括两方面内容：首先要求在光学元件上不同位置处薄膜厚度一致，即薄膜厚度均匀性达到特定的水平；其次要求每一层的薄膜厚度精确控制。为了提高大口径平面光学元件上或者球面光学元件上薄膜的厚度均匀性，通常采用行星转动夹具并利用均匀性挡板修正提高膜厚均匀性，修正挡板通过有选择地遮挡光学元件上沉积速率较快的位置，达到修正薄膜厚度均匀性的目的。控制光学薄膜厚度的方法主要有石英晶体振荡方法和光学监控两种方法。石英晶体振荡方法通过石英晶体的振动频率和质量的关系探测沉积在石英板上的薄膜厚度，具有较好的精确度并广泛应用于各种镀膜机中。然而石英晶体振荡法无法满足一些精密光学镀膜过程中厚度精确监控以及厚度补偿要求，如在高精度光学滤光片、波分复用滤光片等制备过程中，需要控制精度更高的光学控制方案实现薄膜厚度的高精度控制。

通常厚度监控装置和被镀光学元件处于镀膜机真空室内的不同位置，沉积在监控装置上的薄膜厚度和被镀光学元件上的薄膜厚度不同，需要利用工具因子将监控的薄膜厚度和实际被镀光学元件上的薄膜厚度联系起来，因此，镀膜前必须反复测量光学元件上的薄膜厚度来精确确定工具因子，这个过程耗时费力。同时在镀膜过程中由于真空室真空度的动态变化、蒸发舟中膜料的逐渐减少以及其他原因会导致工具因子在镀膜过程中发生一定变化，从而影响薄膜厚度控制精度。为了解决该问题，引入薄膜厚度直接光控技术，通过利用光学方法测量与被镀光学元件位置等效的光控测试片上的薄膜厚度，直接获得被镀光学元件上的薄膜厚度。

目前薄膜厚度直接光控技术主要使用在简单转动镀膜机中，这是因为简单转动镀膜机中光学元件的运动轨迹相对简单，因此放置小的测试片(通常测试片口径为38mm或50mm)后，在随后的镀膜过程中实时测量光控测试片上的薄膜厚度即可实现被镀光学元件薄膜厚度的直接监控，该方法通常用于小口径光学滤光片的镀制。对于口径较大的光学元件，通常采用行星转动夹具提高膜厚均匀性。由于行星转动夹具上点的运动轨迹非常复杂，因此无法通过监测特定位置处光控测试片上的薄膜厚度来实现被镀光学元件薄膜厚度的实时监控。目前通常采用的方法是在行星转动夹具的公转盘上安装测试片，使测试片做简单转动，而被镀光学元件做行星转动，来间接实现行星转动被镀光学元件上薄膜厚度的直接监控。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服行星转动镀膜机中由于夹具运动轨迹复杂导致直接光学控制光学薄膜厚度的困难，提出了一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，实现行星转动夹具上被镀光学元件薄膜厚度的直接光控。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，具体的实现步骤如下：

步骤(1)、根据行星转动夹具上镀膜元件的运动规律，设计专用圆环形直接光控测试片和特殊镀膜夹具。特殊镀膜夹具包括光控测试片安装夹具和防止蒸发、溅射薄膜材料绕射的屏蔽罩。光控测试片夹具安装在行星转动夹具的中心位置，圆环形光控测试片固定在光控测试片夹具上，屏蔽罩安装在圆环形测试片上方。

步骤(2)、在镀膜机中优化光源和光收集聚焦透镜的位置。光收集聚焦透镜固定在真空室壁上，透镜光轴与光控测试片表面近似垂直。光源位于透镜光轴上，并安装在静止的膜厚均匀性修正挡板背面。聚焦透镜和光源分别位于光学测试片的两面。调整圆环形光控测试片的大小，使光轴通过圆环的中心圆弧。并保证行星转动过程中，光斑在圆环上保持一定的时间。

步骤(3)、通过控制背景噪声、光学总强度以及信号测量位置，获得特定波长位置随薄膜厚度变化的光学信号。背景噪声(I_d)在不透光的行星转动夹具和光轴相交时测量一定时间并取平均值；光学总强度(I₀)在所有行星转动夹具和光轴不相交时测量一定时间并取平均值；信号强度(I)为圆环形光学测试片和光轴相交并且光斑完全处于光学测试片的时间段内测量并取平均值。该波长处光控测试片上薄膜的透射率为：

T＝100％*(I-I_d)/(I₀-I_d)。

步骤(4)、监控光学信号通过聚焦透镜收集并通过光纤传入和单色仪分光后进入光电探测器探测，光电探测器输出信号送入计算机进行数据分析与处理。通过特定波长光学信号的计算与分析，获得实际沉积的膜层厚度，并实现镀膜过程薄膜厚度的实时监控。

进一步的，所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于光控测试片安装夹具采用强度较高不易变形的金属加工，如不锈钢等，直接光控测试片采用光学玻璃制备，屏蔽罩采用质量轻且耐高温的材料如聚四氟乙烯加工，几何尺寸根据镀膜机的结构确定。

进一步的，所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于均匀性修正挡板用来修正不同的行星转动夹具上的薄膜厚度均匀性，同时用来防止沉积薄膜对光源与光收集聚焦透镜造成污染。

进一步的，所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于所述光源可以为灯光源直接安装在均匀性修正挡板上，也可以是连接外部灯光源或者激光光源的光纤输出端口。

进一步的，所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于光学信号的计算分析可直接通过商用光控系统软件实现。

本发明的技术方案的原理为：行星转动镀膜机中，被镀光学元件的公转角速度和自转角速度多为互质的两个数，如公转角速的自转角速度之比为131：19。采用互质的公、自转角速度比是为了提高薄膜厚度均匀性。此时被镀光学元件上点的运动轨迹非常复杂。尽管如此，在夹具上距离被镀光学元件中心位置相等的圆周上，薄膜厚度理论上是完全一致，监控该圆周上不同位置的薄膜厚度具有相同的效果。通过设计圆环形状的直接光控测试片，监控该圆周上测试片的薄膜厚度实现镀膜过程中被镀光学元件薄膜厚度的直接光控。直接光控测试片安装在专用夹具上，被镀光学元件安装在和位置完全等效的其他行星转动夹具上，整个被镀光学元件上薄膜厚度均匀性通过修正挡板控制。光控信号通过光纤传入光电探测器进行探测，光电探测器输出的信号送入计算机进行数据分析和处理，最终实现镀膜过程中薄膜厚度的直接光控。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.相对于简单转动夹具上的薄膜厚度光学控制方案，提供了一种行星转动夹具上薄膜厚度的直接光学控制方案，使行星转动夹具上的镀膜过程可以实现薄膜厚度的直接光控。

2.可以实现大口径光学元件镀膜过程中薄膜厚度的直接光控，使大口径光学元件上复杂膜系镀制的膜厚控制准确性提高，提高镀膜效率。

附图说明

图1为行星转动夹具上薄膜厚度直接光控安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施进一步说明本发明。

图1是行星转动镀膜机中薄膜厚度直接光控测试片以及安装夹具的结构示意图。直接光控测试片1采用圆环形形状，圆环的尺寸由镀膜机结构确定。夹具包括光控测试片安装夹具2和屏蔽薄膜材料绕射的屏蔽罩3。光控测试片夹具采用强度较高不易变形的金属，如不锈钢加工制备并安装在行星转动夹具的中心位置。圆环形光控测试片固定在光控测试片夹具上，采用光学特征均匀的光学玻璃材料制备。屏蔽罩安装在圆环形测试片上，采用质量轻且耐高温的材料如聚四氟乙烯加工。被镀光学元件安装在和光控测试片位置完全等效的其他行星转动夹具上，整个被镀光学元件上薄膜厚度均匀性通过修正挡板控制。

在镀膜机中优化光源4和光收集聚焦透镜5的位置。光收集聚焦透镜固定在镀膜机真空室壁上，透镜的光轴和光控测试片表面近似垂直。光源位于透镜光轴上，并安装在静止的膜厚均匀性修正挡板6上。透镜和光源分别位于光控测试片的两侧。调整圆环形光控测试片的大小，使光轴通过圆环的中心圆弧。并保证行星转动过程中，光斑在圆环上保持一定的时间。在镀膜过程中，光控测试片安装夹具呈行星转动，每公转一周，测试片上有一定区域位于光源与光收集聚焦透镜之间。光收集聚焦透镜、光控测试片和光纤材料根据镀膜需要选择，要求在测量波段有较高的透射率。光源根据镀膜需要选择，要求在测量波段光强较大，光电探测器要求在探测波段具有较高的线性响应。膜厚均匀性修正挡板用来修正不同的行星转动夹具上被镀光学元件的薄膜厚度均匀性，同时用来防止沉积薄膜材料对光源与光收集聚焦透镜造成污染。

确定镀膜过程中背景噪声、光总强度以及监控信号测量位置，获得特定波长随薄膜厚度变化的光学信号。背景噪声在屏蔽罩处于光源和透镜之间区域测量，光总强度在光源和透镜无任何遮挡时测量，监控光学信号在光控测试片位于光源和透镜之间时测量。监控信号通过聚焦透镜收集并通过光纤传送至单色仪进行分光，并采用光电探测器测量某一波长处的光强。背景噪声(I_d)在不透光的行星转动夹具和光轴相交时测量一定时间并取平均值；光学总强度(I₀)在所有行星转动夹具和光轴不相交时测量一定时间并取平均值；监控信号强度(I)为圆环形光学测试片和光轴相交并且光斑完全处于光控测试片内的时间段内测量并取平均值。该波长处光控测试片上薄膜的透射率为：

T＝100％*(I-I_d)/(I₀-I_d)。

最后通过商用光控软件实现光学信号的分析与计算，获得实际沉积的膜层厚度，并实现镀膜过程的控制。

总之，本发明提出了一种通过圆环形光控测试片实现行星转动夹具上镀膜过程薄膜厚度直接光控的方法。与现有的直接光控技术相比，本发明可以实现大口径光学元件上膜厚均匀性要求高的镀膜过程的直接光控，也可以实现球面光学元件上复杂膜系镀膜过程的直接光控。

本发明未详细阐述内容部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤(1)、根据行星转动夹具上镀膜元件的运动规律，设计专用圆环形直接光控测试片和特殊镀膜夹具；特殊镀膜夹具包括光控测试片安装夹具和防止蒸发、溅射薄膜材料绕射的屏蔽罩；光控测试片夹具安装在行星转动夹具的中心位置，圆环形光控测试片固定在光控测试片夹具上，屏蔽罩安装在圆环形测试片上方；

步骤(2)、在镀膜机中优化光源和光收集聚焦透镜的位置，具体为：光收集聚焦透镜固定在真空室壁上，透镜光轴与光控测试片表面近似垂直；光源位于透镜光轴上，并安装在静止的膜厚均匀性修正挡板背面；聚焦透镜和光源分别位于光学测试片的两面；调整圆环形光控测试片的大小，使光轴通过圆环的中心圆弧；并保证行星转动过程中，光斑在圆环上保持一定的时间；

步骤(3)、通过控制背景噪声、光学总强度以及信号测量位置，获得特定波长位置处随薄膜厚度变化的光学信号；背景噪声I_d在不透光的行星转动夹具和光轴相交时测量一定时间并取平均值；光学总强度I₀在所有行星转动夹具和光轴不相交时测量一定时间并取平均值；信号强度I为圆环形光学测试片和光轴相交并且光斑完全处于光学测试片的时间段内测量并取平均值；该波长位置处光控测试片上薄膜的透射率为：

T＝100％*(I-I_d)/(I₀-I_d)

步骤(4)、光学信号通过聚焦透镜收集并通过光纤传入光电探测器，光电探测器输出信号送入计算机进行数据分析与处理；通过特定波长光学信号的计算与分析，获得实际沉积的膜层厚度，并实现镀膜过程薄膜厚度的实时监控。

2.根据权利要求1所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于：光控测试片安装夹具采用强度较高不易变形的金属加工，直接光控测试片采用光学玻璃制备，屏蔽罩采用质量轻且耐高温的材料如聚四氟乙烯加工，几何尺寸根据镀膜机的结构确定。

3.根据权利要求1所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于：均匀性修正挡板用来修正大口径行星转动夹具上平面或者球面透镜上的薄膜厚度均匀性，同时用来防止沉积薄膜对光源与光收集聚焦透镜造成污染。

4.根据权利要求1所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于：所述光源能够为灯光源直接安装在均匀性修正挡板上，也能够是连接外部灯光源或者激光光源的光纤输出端口。

5.根据权利要求1所述的一种行星转动镀膜机上薄膜厚度直接光控的安装方法，其特征在于：光学信号的计算分析可直接通过商用光控系统软件实现。