CN107557750A - 镀膜实时闭环控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镀膜实时闭环控制系统及其控制方法，属于光学镀膜技术领域。解决了如何实现镀膜过程中薄膜厚度的实时监控和闭环补偿的问题。本发明的镀膜实时闭环控制系统，包括探头移动导轨、膜厚监控探头、控制计算模块、电机驱动模块、由一个以上的子挡板组成的挡板、挡板支撑架和多个驱动电机；其中，膜厚监控探头实时测量采样点的薄膜厚度信息，探头移动导轨实时反馈膜厚监控探头的位置信息，控制计算模块执行闭环算法，对比测量薄膜厚度与目标厚度的差别，获得挡板修正策略，电机驱动模块执行挡板修正策略，将运动信号发送给驱动电机，子挡板在对应的驱动电机的控制下运动，形成修正的遮挡线形，从而实现薄膜厚度的闭环控制。

Description

镀膜实时闭环控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于光学镀膜技术领域，具体涉及一种镀膜实时闭环控制系统及其控制方法，尤其适用于大口径均匀性或非均匀性光学薄膜的镀制。

背景技术

反应烧结碳化硅(RB-SiC)具有比重小、热胀系数小、耐热冲击性高，比刚度高，热导性好、尺寸稳定性高等优点，被广泛应用于大口径光学望远镜的主镜材料。但是，反应烧结碳化硅存在微观成分不均匀性，在光学加工时，会出现抛光材料去除特性的不均匀性导致的台阶，制约反射镜的表面粗糙度的提升。反射镜表面改性技术有效的解决了这个问题。

碳化硅表面改性技术在反应烧结碳化硅反射镜基底上采用物理气相沉积的工艺手段沉积一层硅改性层，再通过抛光加工硅改性层获得良好的反射镜表面质量。物理气相沉积方法获得的硅改性层，不仅抛光特性均匀稳定，可以获得高质量的抛光面形，而且硅改性层的去除效率优于反应烧结碳化硅，从而也提高了光学加工的效率。

硅改性层作为改性加工层往往需要镀制较大的厚度，因此需要长时间稳定的镀膜工艺。但在镀膜工艺中，随着膜料或靶材的消耗，薄膜沉积的均匀性往往随时间的推移而发生变化，最终导致薄膜的均匀性随镀膜时间的延长而恶化，尤其在制备大口径硅改性层时更为突出。

现有技术中，采用固定的均匀挡板对薄膜的厚度进行修正，虽然该方法具有一定的均匀性修正能力，但是无法补偿因膜料或靶材的消耗而带来的均匀性实时变化。

且现有技术中，也没有能够准确制备特定变化规律的非均匀性薄膜的方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是如何实现镀膜过程中薄膜厚度的实时监控和闭环补偿，提供一种镀膜实时闭环控制系统及其控制方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

镀膜实时闭环控制系统，包括探头移动导轨、膜厚监控探头、控制计算模块、电机驱动模块、挡板支撑架、挡板和驱动电机；

所述膜厚监控探头在探头移动导轨内作往复运动，实时测量采样点处的薄膜厚度信息，并将薄膜厚度信息发送至控制计算模块；

所述探头移动导轨承载膜厚监控探头作往复运动，并将膜厚监控探头的位置信息发送至控制计算模块；

所述挡板由一个以上的子挡板组成，每个子挡板的修正范围对应于膜厚监控探头的一个或数个采样点，子挡板均固定在挡板支撑架上；

所述驱动电机为多个，均固定在挡板支撑架上，与子挡板一一对应，子挡板在对应的驱动电机的控制下移动；

所述控制计算模块接收薄膜厚度信息和膜厚监控探头的位置信息，将测量的薄膜厚度与该采样点处的目标厚度进行对比，确定挡板修正策略，若测量的薄膜厚度小于该采样点处的目标厚度，将对应的子挡板移出该采样点的膜料沉积路径，反之对应的子挡板移入该采样点的膜料沉积路径；

所述电机驱动模块接收控制计算模块的命令，根据挡板修正策略实时发送运动信号给相应的驱动电机，控制驱动电机运动。

进一步的，所述探头移动导轨设置在镀膜夹具旋转中心的辐线方向，探头移动导轨的长度大于旋转夹具的半径。

进一步的，所述膜厚监控探头在探头移动导轨内作直线往复运动。

进一步的，所述子挡板为一个以上，所有子挡板并排设置。

进一步的，所述子挡板在驱动电机的控制下作一维伸缩运动。

进一步的，所述薄膜厚度信息为薄膜厚度或反应薄膜厚度的间接值，当薄膜厚度信息为反应薄膜厚度的间接值时，控制计算模块将反应薄膜厚度的间接值转换为薄膜厚度。

进一步的，所述膜厚监控探头在控制计算模块的控制下移动。

上述镀膜实时闭环控制系统的控制方法，步骤如下：

步骤一、设定镀膜的均匀性或非均匀性目标值；

步骤二、设定膜厚监控探头的采样点方案；

步骤三、根据采样点方案，从第一个采样点开始，膜厚监控探头对采样点处进行薄膜厚度测量，并将薄膜厚度信息发送给控制计算模块，同时探头移动导轨将此时膜厚监控探头的位置信息发送给控制计算模块；控制计算模块将测量的采样点处的薄膜厚度与该采样点处的目标厚度进行对比，确定挡板修正策略，若测量的采样点处的薄膜厚度小于该采样点处的目标厚度，将对应的子挡板移出该采样点的膜料沉积路径，反之将对应的子挡板移入该采样点的膜料沉积路径；控制计算模块将挡板修正策略发送给电机驱动模块，电机驱动模块按照接收的挡板修正策略向对应的驱动电机发出运动指令，驱动电机控制对应的子挡板作对应的运动；移动膜厚监控探头，依次检测剩余的采样点；

步骤四、重复步骤三，子挡板循环修正，直至镀膜结束，完成镀膜实时闭环控制系统的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的镀膜实时闭环控制系统通过实时的测试确定挡板的修正策略，修正后的挡板整体线形可以补偿薄膜厚度偏离目标值的误差，实时测得的薄膜厚度误差又可以主动改变挡板的修正线形，实现镀膜过程中薄膜厚度的实时监控和闭环补偿，有效的将薄膜的均匀性误差控制在目标设定范围内，制备具有均匀性厚度要求或者非均匀性厚度要求的薄膜，且适用于多种薄膜沉积方式，例如电子束蒸发、磁控溅射、离子束溅射等，即便是大口径长时间镀膜也不存在问题，应用广泛。

附图说明

图1为本发明的镀膜实时闭环控制系统的示意图；

图2为本发明镀膜实时控制方法的流程图；

图中，1、探头移动导轨，2、膜厚监控探头，3、控制计算模块，4、电机驱动模块，5、挡板支撑架，6、子挡板，7、驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图1和2，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明实施方式，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，均属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种大口径光学薄膜实时闭环控制系统，包括：探头移动导轨1、膜厚监控探头2、控制计算模块3、电机驱动模块4、挡板支撑架5、挡板和驱动电机7。

其中，探头移动导轨1为膜厚监控探头2提供往复运动的路径，其具有位置信息反馈功能，能够将膜厚监控探头2的位置信息发送给控制计算模块3，探头移动导轨1的轨道形状依据膜厚监控探头2的路径设置，通常设置为直线导轨。探头移动导轨1设置在能够探测薄膜厚度，又不影响膜料沉积的位置，通常探头移动导轨1设置在镀膜夹具旋转中心的辐线方向，即以旋转中心为中心的径向上，探头移动导轨1的长度大于旋转夹具的半径，使得膜厚监控探头2的测试范围覆盖整个旋转夹具。具体可根据本领域技术人员常规技术实现，如固定在真空室内壁上。

膜厚监控探头2设置在探头移动导轨1内，并沿探头移动导轨1做往复运动，实时测量采样点处的薄膜厚度信息，并将薄膜厚度信息发送给控制计算模块3。膜厚监控探头2可直接将薄膜厚度发送给控制计算模块3，也可以将能够反映薄膜厚度的参数发送给控制计算模块3，进而通过控制计算模块3的拟合计算获得薄膜实时厚度。为操作方便，膜厚监控探头2可以通过控制计算模块3控制。

挡板由一个以上的子挡板6组成，子挡板固定在挡板支撑架5上且设置在膜料沉积路径之中，通常并排固定，构成离散化的挡板线形。每个子挡板6的修正范围对应于膜厚监控探头1的一个或数个采样点。

驱动电机7为多个，均固定在挡板支撑架5上，与子挡板6一一对应，驱动对应的子挡板6运动，所有子挡板6形成修正的遮挡线形。子挡板6的运动形式根据实际需要设计即可，没有特殊限制，优选子挡板6在对应的驱动电机7的控制下作一维伸缩运动，子挡板6通过伸缩运动控制挡板的整体遮挡线形。通常该伸缩的方向为镀膜夹具旋转中心的辐线方向，即以旋转中心为中心的径向上。

挡板支撑架5用于固定子挡板6和驱动电机7，挡板支撑架5的形状没有特殊限制，如为直线、二次曲线、复杂自由曲线等，其固定位置可根据本领域技术人员常规技术实现，如固定在真空室内壁上。

驱动电机7和子挡板6的具体数目，应当根据镀膜口径大小和均匀性精细程度要求合理设计。子挡板6越小，相应的均匀性精细分割程度越高。本实施方式中驱动电机7和子挡板6分别为十个，如图1中，S1-S10与M1-M10。

控制计算模块3具备控制算法执行能力，通过接收探头移动导轨1发送的位置信息和膜厚监控探头2发送的薄膜厚度信息，实时构建出薄膜厚度状态，将采样点处测量的薄膜厚度与改采样点处的目标厚度进行对比，进一步计算出挡板修正策略，若测量的采样点处的薄膜厚度小于该采样点处的目标厚度，将对应的子挡板6移出该采样点的膜料沉积路径，反之对应的子挡板移入该采样点的膜料沉积路径，并将修正策略发送给电机驱动模块4；

电机驱动模块4接收控制计算模块3发出的修正策略，根据修正策略实时发出相应的运动信号给对应的驱动电机7，控制驱动电机7的运动。

需要说明的是，本发明的控制系统置于膜料沉积路径中，以对薄膜的沉积分布进行实时调控，有效的将薄膜的均匀性误差控制在目标设定范围内。

采用上述镀膜实时闭环控制系统的控制方法：

步骤一、设定镀膜的均匀性或非均匀性目标值；

步骤二、设定膜厚监控探头2的采样点方案；

步骤三、根据采样点方案，从第一个采样点开始，膜厚监控探头2对采样点处进行薄膜厚度测量，并将薄膜厚度信息发送给控制计算模块3，同时探头移动导轨1将此时膜厚监控探头2的位置信息发送给控制计算模块3；控制计算模块3将测量的采样点处的薄膜厚度与该采样点处的目标厚度进行对比，确定挡板修正策略，若测量的采样点处的薄膜厚度小于该采样点处的目标厚度，将对应的子挡板6移出该采样点的膜料沉积路径，反之对应的子挡板6移入该采样点的膜料沉积路径；控制计算模块3将挡板修正策略发送给电机驱动模块4，电机驱动模块4按照接收的挡板修正策略向相应的驱动电机7发出运动指令，驱动电机7驱动对应的子挡板6运动；移动膜厚监控探头2，依次检测剩余的采样点；

步骤四、重复步骤三，子挡板6循环修正，直至镀膜结束，完成镀膜实时闭环控制系统的控制。

Claims (8)

1.镀膜实时闭环控制系统，其特征在于，包括探头移动导轨(1)、膜厚监控探头(2)、控制计算模块(3)、电机驱动模块(4)、挡板支撑架(5)、挡板和驱动电机(7)；

所述膜厚监控探头(2)在探头移动导轨(1)内作往复运动，实时测量采样点处的薄膜厚度信息，并将薄膜厚度信息发送至控制计算模块(3)；

所述探头移动导轨(1)承载膜厚监控探头(2)作往复运动，并将膜厚监控探头(2)的位置信息发送至控制计算模块(3)；

所述挡板由一个以上的子挡板(6)组成，每个子挡板(6)的修正范围对应于膜厚监控探头(2)的一个或数个采样点，子挡板(6)均固定在挡板支撑架(5)上；

所述驱动电机(7)为多个，均固定在挡板支撑架(5)上，与子挡板(6)一一对应，子挡板(6)在对应的驱动电机(7)的控制下移动；

所述控制计算模块(3)接收薄膜厚度信息和膜厚监控探头(2)的位置信息，将测量的薄膜厚度与该采样点处的目标厚度进行对比，确定挡板修正策略，若测量的薄膜厚度小于该采样点处的目标厚度，将对应的子挡板(6)移出该采样点的膜料沉积路径，反之对应的子挡板(6)移入该采样点的膜料沉积路径；

所述电机驱动模块(4)接收控制计算模块(3)的命令，根据挡板修正策略实时发送运动信号给相应的驱动电机(7)，控制驱动电机(7)运动。

2.根据权利要求1所述的镀膜实时闭环控制系统，其特征在于，所述探头移动导轨(1)设置在镀膜夹具旋转中心的辐线方向，探头移动导轨(1)的长度大于旋转夹具的半径。

3.根据权利要求1所述的镀膜实时闭环控制系统，其特征在于，所述膜厚监控探头(2)在探头移动导轨(1)内作直线往复运动。

4.根据权利要求1所述的镀膜实时闭环控制系统，其特征在于，所述子挡板(6)为一个以上，所有子挡板(6)并排设置。

5.根据权利要求1所述的镀膜实时闭环控制系统，其特征在于，所述子挡板(6)在驱动电机(7)的控制下作一维伸缩运动。

6.根据权利要求1所述的镀膜实时闭环控制系统，其特征在于，所述薄膜厚度信息为薄膜厚度或反应薄膜厚度的间接值，当薄膜厚度信息为反应薄膜厚度的间接值时，控制计算模块(3)将反应薄膜厚度的间接值转换为薄膜厚度。

7.根据权利要求1所述的镀膜实时闭环控制系统，其特征在于，所述膜厚监控探头(2)在控制计算模块(3)的控制下移动。

8.权利要求1～7任何一项所述的镀膜实时闭环控制系统的控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、设定镀膜的均匀性或非均匀性目标值；

步骤二、设定膜厚监控探头(2)的采样点方案；

步骤三、根据采样点方案，从第一个采样点开始，膜厚监控探头(2)对采样点处进行薄膜厚度测量，并将薄膜厚度信息发送给控制计算模块(3)，同时探头移动导轨(1)将此时膜厚监控探头(2)的位置信息发送给控制计算模块(3)；控制计算模块(3)将测量的采样点处的薄膜厚度与该采样点处的目标厚度进行对比，确定挡板修正策略，若测量的采样点处的薄膜厚度小于该采样点处的目标厚度，将对应的子挡板(6)移出该采样点的膜料沉积路径，反之将对应的子挡板(6)移入该采样点的膜料沉积路径；控制计算模块(3)将挡板修正策略发送给电机驱动模块(4)，电机驱动模块(4)按照接收的挡板修正策略向对应的驱动电机(7)发出运动指令，驱动电机(7)控制对应的子挡板(6)作对应的运动；移动膜厚监控探头(2)，依次检测剩余的采样点；

步骤四、重复步骤三，子挡板(6)循环修正，直至镀膜结束，完成镀膜实时闭环控制系统的控制。