CN105369210A - 一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置，包括光源发射系统、监控片、信号接收系统和锁相放大器，其特征在于，所述光源发射系统由带光电池的光源和沿该光源发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜、光阑、单排孔调制盘和准直镜组装成一体，所述光阑的光阑孔置于聚光镜的焦点处。本发明根据镀膜机的具体情况既可安装成垂直透射式镀膜厚度监控装置，又可安装成反射式镀膜厚度监控装置，使用非常灵活方便，既适用于垂直透射式镀膜厚度监控装置，又适于作反射式镀膜厚度监控装置，安装变换方便而且监控的精度高。

Description

一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置

技术领域

本发明涉及一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置。

背景技术

镀膜厚度监控装置是在真空镀膜过程中监控薄膜厚度的光学系统，现有的监控光学薄膜厚度的系统是垂直透射式光学系统(85101725，1987年10月7日公开)，图1是其光路图，在角可变滤光片或单色仪出射狭缝后置一等双孔光阑，且使其双孔的公共中心线垂直通过角可变滤光片旋转轴线(光轴)。反射聚光镜把光源成像于等双孔光阑上，从双孔出射的分别是测量光束和参考光束，双排孔调制盘分别调制参考光和信号光，透镜将等双孔光阑成像于监控片所在的平面上，并且使测量光束通过监控片，而参考光束从监控片旁边空白处通过，透镜将光束聚焦到接收器。

目前光学镀膜大都使用光学监控膜厚的方法，并且有些膜系用透射光路监控效果较好，有些则用反射光路监控效果较好。上述引用的垂直透射式双光束光学系统只能监控透射光的信号，且上述系统不能将频率和入射光频率不一致的噪声剔除，另外需通过透镜将等双孔光阑成像于监控片上，因此对等双孔光阑、透镜、监控片之间的距离有严格的要求，并且要求测量光束通过监控片，参考光束从监控片旁边通过，这对等双孔光阑、监控片08的尺寸要求都很高。

发明内容

为解决上述现有的缺点，本发明的主要目的在于提供一种实用的实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置，既适用于垂直透射式镀膜厚度监控装置，又适用作反射式镀膜厚度监控装置，而且监控的精度高。

为达成以上所述的目的，本发明的一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置采取如下技术方案：

一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置，包括光源发射系统、监控片、信号接收系统和锁相放大器，其特征在于，所述光源发射系统由带光电池的光源和沿该光源发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜、光阑、单排孔调制盘和准直镜组装成一体，所述光阑的光阑孔置于聚光镜的焦点处，所述的单排孔调制盘设有光开关，该单排孔调制盘周沿的调制孔贴近所述光阑的光阑孔并位于所述的光源发射系统发出的光束上，光源发射系统设置于所述的镀膜机的真空室之顶垂直向下；所述信号接收系统由依次设置的折光元件、会聚镜、单色仪和光电倍增管组装成一同光轴系统，信号接收系统的折光元件位于真空室之底盘并与所述光源发射系统发出的经监控片的光束成45°，所述折光元件为反射镜；所述的光电倍增管的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的信号输入端相连，光开关的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的参考信号输入端相连，光电池的光源强度信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的辅助输入端相连；所述的监控片置于镀膜机的真空室中并位于所述的光源发射系统的光束上，所述的折光元件既与所述的光源发射系统的光束成45°，又与所述的信号接收系统的光轴成45°。

所述光源发射系统设置于所述的镀膜机的真空室之底并垂直向上，所述信号接收系统的折光元件位于真空室之底盘下并位于所述光源发射系统和监控片之间，与所述光源发射系统发出的光束成45°，所述折光元件为半透半反镜。

所述光开关由发光二极管LED和光电三极管G组成，所述的发光二极管LED串连一个1K的电阻与+5V电源相连，所述的光电三极管G的低电平小于化0.5V，高电平大于3.5V且小于5V。

所述锁相放大器对来自光电池的光源强度的变化信号从光电倍增管获得的膜厚的信号进行除法处理，锁相放大器的输入端内置有50/60HZ和100/120HZ的陷波器和抗混叠滤波器，锁相放大器具有标准的RS232、IEEE-488接口。

采用如上技术方案的本发明，具有如下有益效果：

1、由于本发明具有模块化结构，因此本发明光根据镀膜机的具体情况既可安装成垂直透射式镀膜厚度监控装置，又可安装成反射式镀膜厚度监控装置，使用非常灵活方便。

2、本发明使用简单且稳定的光开关电路获得参考信号，使用该参考信号可以消除漂移、偏置、非线性和模拟部分器件的老化，保证了数据的高可靠性和准确性。

3、所述的锁相放大器的信号输入端接50/60HZ和100/120HZ的陷波器可抑制电源引入的干扰信号，锁相放大器的抗混叠滤波器可保证输入信号的失真非常小，从而使得利用该垂直透射式或反射式光学系统监控薄膜厚度的精度很高。

4、所述的光电池获得的光源强度的变化信号输入锁相放大器，锁相放大器将从光电倍增管输入的信号和光电池输入的信号相除，由于这两个信号中由于光源变化带来的影响是相同的，故这样可以消除光源变化对监控带来的影响，降低了对光源的要求。

5、所述的锁相放大器可用来测量直至数个nV的微弱信号，甚至当信号被比它大数千倍的杂散信号掩盖时，也可做出正确的测量，并且精度很高。参考信号为测量信号的同步信号，锁相放大器将测量信号与参考信号进行数字化处理后，消除了漂移、偏置、非线性和模拟部分器件的老化，保证了数据的高可靠性和准确性，并且锁相放大器输入端内置50/60HZ和100/120HZ的陷波器，可抑制电源引入的干扰信号，以及其内部的抗混叠滤波器可保证输入信号的失真非常小。另外，锁相放大器提供标准的防RS232、IEEE-488接口，易于进行自动化控制。

附图说明

图1为现有的的监控光学薄膜厚度的系统是垂直透射式光学系统结构示意图。

图2为本发明实施例1透射式镀膜厚度监控装置的结构示意图。

图3为本发明光开关的电路图。

图4为本发明单排孔调制盘的结构示意图。

图5为本发明实施例2反射式镀膜厚度监控装置的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合附图进一步进行说明：

如图2所示，本发明的结构包括光源发射系统18、监控片14、信号接收系统19和锁相放大器12四部分：

所述的光源发射系统18由带光电池17的光源1和沿该光源1发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜15、光阑4、单排孔调制盘5和准直镜16组装成一体，所述光阑4的光阑孔置于聚光镜15的焦点处，所述的单排孔调制盘5设有光开关6，该单排孔调制盘5周沿的调制孔51贴近所述光阑4的光阑孔并位于所述的光源发射系统18发出的光束上。

所述的信号接收系统19由依次设置的折光元件9、会聚镜8、单色仪7和光电倍增管10组装成一同光轴系统；所述的光电倍增管10的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器12的信号输入端相连，光开关6的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器12的参考信号输入端相连，光电池17的光源强度信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器12的辅助输入端相连。

所述的监控片14置于镀膜机的真空室13中并位于所述的光源发射系统18的光束上，所述的折光元件9既与所述的光源发射系统18的光束成45°又与所述的信号接收系统19的光轴成45°。

所述的光开关6如图3所示，由发光二极管LED和光电三极管G组成，所述的发光二极管LED串连一个1K的电阻与+5V电源相连，所述光电三极管G的低电平小于0.5V，高电平大于3.5V且小于5V。

本发明镀膜厚度监控装置作透射式镀膜厚度监控装置，如图2所示，其安装情况是：所述的光源发射系统18设置于所述的镀膜机的真空室13之顶垂直向下，而所述的信号接收系统19的折光元件9为反射镜，位于真空室13之底盘下并与所述的光源发射系统18发出的经监控片14的光束成45°。

其工作原理是：光源1发出的光束经聚光镜15会聚到光阑4上，入射光束经单排孔调制盘5后成为调制光，经准直镜16后成为平行光，该平行光通过监控片8后成为信号光，镀膜过程中薄膜的光学厚度信息将表现为信号光的强度信息。在调制盘5的-边固定一光开关6，光开关6由电源、发光二极管、光电三极管、电阻组成，镀膜过程中发光二极管一直处于发光状态，当其发出的光被单排孔调制盘5挡住时，光电三极管处于截止状态，输出电平为低电平，当光从单排孔调制盘5的孔51中透过照射到光电三极管上时，光电三极管处于导通状态，输出电平为高电平，输出脉冲波的频率即为入射到监控片14上的调制光的频率，该信号作为参考信号。经过监控片14后的光经反射镜9反射后经会聚镜8会聚到单色仪7的入射狭缝11上，用光电倍增管10接收单色仪7出射狭缝的光，并将所接收的该膜厚信号输入锁相放大器12。用光开关6输出的参考信号作为锁相放大器12的参考输入，光电池17获得光源强度的变化信号作为锁相放大器12的辅助输入。锁相放大器12将输入信号与参考信号进行数字化处理，所有和参考信号频率不一致的信号均被认为是噪声，并将输入信号和辅助输入相除。这样可以消除光源变化带来的影响、漂移、偏置、非线性和模拟部分器件的老化，保证了数据的高可靠性和准确性，并且锁相放大器12输入端内置了50/60Hz和100/120Hz的陷波器可抑制电源引入的干扰信号，锁相放大器12内部的抗混叠滤波器可保证输入信号的失真非常小。另外，锁相放大器12提供标准的RS232、IEEE-488接口，易于进行自动化控制。

本发明镀膜厚度监控装置作反射式镀膜厚度监控装置，如图5所示，其安装情况是：所述的光源发射系统18设置于所述的镀膜机的真空室13之底并垂直向上，所述的信号接收系统19的折光元件9为半透半反镜，位于真空室13之底盘下并位于所述的光源发射系统18和监控片14之间，与所述的光源发射系统18发出的光束成45°。

图5反射式光学膜厚监梓系统与图2透射式镀膜厚度监控装置的工作原理一致，调节方法一致，在此不再赘述。

图2和图5中虚线部分的光源发射系统18和信号接收系统19都分别可通过机械加工组装成一个整体，这样有利于透射式和反射式系统的快速变换安装。

所述的锁相放大器12对来自光电池17的光源强度的变化信号从光电倍增管10获得的膜厚的信号进行除法处理。所述的锁相放大器12的输入端内置有50/60HZ和100/120HZ的陷波器和抗混叠滤波器。所述的锁相放大器具有标准的路RS232、IEEE-488接口。

由于光源强度信号的变化会导喊镀膜过程中的信号不稳定，这样很容易出现误判极值点的情况，本发明通过将经过监控片的信号和光源的强度信号相除，消除了由于光源不稳导致携带膜厚信息的信号的不稳定性，降低了对光源稳定性的要求。

用光开关6获取调制光的频率信号，电路简单且稳定，获得的脉冲信号的低电平低于0.5V高电平大于3.5V明且小于5V这样可以使锁相放大器12工作于最稳定的状态，排除了其他频率的杂散信号。

监控片14的面积略大于经准直镜8后的平行光束的光斑面积，这样充分利用监控片，又保证信号的准确性。

Claims (4)

1.一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置，包括光源发射系统、监控片、信号接收系统和锁相放大器，其特征在于，所述光源发射系统由带光电池的光源和沿该光源发出的光束的前进方向依次设置的聚光镜、光阑、单排孔调制盘和准直镜组装成一体，所述光阑的光阑孔置于聚光镜的焦点处，所述的单排孔调制盘设有光开关，该单排孔调制盘周沿的调制孔贴近所述光阑的光阑孔并位于所述的光源发射系统发出的光束上，光源发射系统设置于所述的镀膜机的真空室之顶垂直向下；所述信号接收系统由依次设置的折光元件、会聚镜、单色仪和光电倍增管组装成一同光轴系统，信号接收系统的折光元件位于真空室之底盘并与所述光源发射系统发出的经监控片的光束成45°，所述折光元件为反射镜；所述的光电倍增管的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的信号输入端相连，光开关的信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的参考信号输入端相连，光电池的光源强度信号输出端通过屏蔽线与锁相放大器的辅助输入端相连；所述的监控片置于镀膜机的真空室中并位于所述的光源发射系统的光束上，所述的折光元件既与所述的光源发射系统的光束成45°，又与所述的信号接收系统的光轴成45°。

2.根据权利要求1所述的一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置，其特征在于，所述光源发射系统设置于所述的镀膜机的真空室之底并垂直向上，所述信号接收系统的折光元件位于真空室之底盘下并位于所述光源发射系统和监控片之间，与所述光源发射系统发出的光束成45°，所述折光元件为半透半反镜。

3.根据权利要求1所述的一种实时监控镀膜过程中薄膜厚度的光学膜厚监控装置，其特征在于，所述光开关由发光二极管LED和光电三极管G组成，所述的发光二极管LED串连一个1K的电阻与+5V电源相连，所述的光电三极管G的低电平小于化0.5V，高电平大于3.5V且小于5V。

4.光学膜厚监控装置，其特征在于，所述锁相放大器对来自光电池的光源强度的变化信号从光电倍增管获得的膜厚的信号进行除法处理，锁相放大器的输入端内置有50/60HZ和100/120HZ的陷波器和抗混叠滤波器，锁相放大器具有标准的RS232、IEEE-488接口。