CN113403601A - 一种镀膜厚度光学控制装置和方法 - Google Patents

一种镀膜厚度光学控制装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镀膜厚度光学控制装置和方法，所述的装置包括一个及以上不同波长的激光器、用于不同波长激光分束和合束的分光光学元件、散射板、驱动电机、透镜、多模光纤、光功率计、光控测试片、以及镀膜夹具。激光经过受驱动电机驱动而旋转的散射板转化为准相干光，准相干光经透镜聚焦进入多模光纤，传输至镀膜机，并经透镜准直后入射至光控测试片，透射光经透镜聚焦后进入第二多模光纤，在光纤出口经准直和分光，利用光功率计分别测量不同波长的出射光的功率，监控光控测试片上不同波长光的透射率，实现镀膜厚度的控制。薄膜厚度光学控制装置具有结构简单，安装方便，监控光源线宽窄的特征，可实现高精度光学薄膜镀膜过程的厚度控制。

Description

一种镀膜厚度光学控制装置和方法
技术领域
本发明涉及镀膜技术领域，具体涉及一种薄膜厚度光学控制装置和方法。
背景技术
光学干涉滤光片是一种通过多层薄膜的干涉实现对不同波长光的选择性调制的光学元件，其性能和构成滤光片的多层膜的厚度控制精度密切相关，因此高精度控制光学薄膜的厚度是镀制光学干涉滤光片的核心技术。目前常用的控制薄膜厚度的方法包括石英监控器方法、时间控制方法以及光学控制方法等。石英监控器利用石英晶体的振荡频率随沉积在石英晶体上的薄膜厚度的变化关系来确定沉积薄膜的厚度，由于石英监控器的位置通常和滤光片的位置不同，因此实际镀膜厚度和监控厚度有较大的差异，不适合镀制精密滤光片；时间控制方法主要应用于镀膜速度比较稳定的镀膜过程如离子束溅射镀膜中，但是长时间镀膜过程中，由于离子源和靶材等的持续使用，镀膜速率会逐渐发生变化，导致膜厚控制误差。薄膜厚度光学控制方法利用光学信号直接测量滤光片表面的膜厚，可以直接控制滤光片的性能，并进行实时的膜厚补偿，适合镀制各种光学干涉滤光片。
目前，薄膜厚度光学控制装置通常采用灯光源实现，灯光源经过光栅和狭缝，制备成准单色光，通过调整狭缝位置，光波长可以灵活变化。但是基于灯光源的薄膜厚度光学控制装置也存在一系列的缺点。首先，由于灯光源经过单色化后强度很小，因此带来较大的噪声，导致镀膜终止条件的误判；其次，由于系统中广泛应用了光栅、单色狭缝等结构，系统非常复杂，造价高且稳定性要求非常苛刻；此外，单色化的准单色光的波长线宽通常在1nm以上，在一些要求较高的滤光片镀膜中，较宽的线宽也会带来监控误差。
发明内容
本发明提出了一种基于激光光源的薄膜厚度控制装置和控制方法，利用激光光源强度大、线宽窄的特征，提高镀膜厚度光学控制装置的稳定性和可靠性；镀膜过程中，通过实时模拟监控光在光控测试片上的透过率随镀膜厚度变化曲线，准确确定透射率极值数目，实时计算膜层镀制终止时的透射率，作为控制膜层终止的参数，提高了膜厚控制的稳定性和可靠性。
本发明的技术方案为：一种镀膜厚度光学控制装置，包括一个及以上不同波长的激光器、用于不同波长激光分束和合束的分光元件、散射板、驱动电机、第一多模光纤、第二多模光纤、光功率计、光控测试片、以及镀膜夹具，所述镀膜夹具带有透光通孔以及用于夹持光控测试片的孔；
所述激光器发射的激光经第一组分光元件合束，合束后的激光照射到由驱动电机驱动而转动的散射板上，形成准相干光，通过第一透镜聚焦准相干光到第一多模光纤入口，第一多模光纤将准相干光传输至镀膜机，经第二透镜准直之后，入射到位于镀膜机内部的光控测试片上，经光控测试片的透射光再经第三透镜聚焦进入第二多模光纤，在第二多模光纤出口经第四透镜准直、第二组分光元件分光后进入不同的光功率计。
在进一步优化的方案中，所述的一种镀膜厚度光学控制装置，还包括透镜组，设置于所述激光器和第一组分光元件之间，激光器发射的激光经所述一个或多个透镜组调整光束特征后再经第一组分光元件合束。本方案中，通过设置透镜组调整激光的光束特征，使得激光光斑大小、光斑发散角适合传输，更有利于提高镀膜厚度控制的精确性。
进一步的，所述的一种镀膜厚度光学控制装置，还包括一个或多个平面反射元件，用于调整光路传播方向。本方案中，通过设置平面反射元件改变光路传播方向，可以使得各个部件的布置位置得到优化，继而降低装置的整体体积尺寸。
进一步的，所述的一种镀膜厚度光学控制装置，还包括光阑，设置于散射板和第一透镜之间，准相干光经过光阑屏蔽不需要的杂散光后，由第一透镜聚焦到第一多模光纤入口。本方案中，通过设置光阑屏蔽掉不需要的杂散光，进一步提高准相干光质量。
进一步的，所述镀膜夹具在驱动电机驱动下旋转，进入镀膜机的准相干光照射到镀膜夹具，在不同时刻分别通过透光通孔和光控测试片，对任一波长的准相干光，I为对应光功率计测量的通过光控测试片的光强，I0为对应光功率计测量的通过透光通孔的光强，光控测试片在对应波长的透射率Tm为I与I0的比值。光强的测量方法为，对光功率计设置触发阈值，当探测光强超过触发阈值时开始记录光强，低于触发阈值时停止记录光强，选择记录光强中间强度稳定的区域，计算平均光强作为测量的光强I或I0。
进一步的，对任一波长的准相干光，通过光控测试片上的光强I和通过透光通孔的光强I0通过比较光功率计测量的光强大小区分，在镀膜夹具的一个转动周期中，两个光强中的较大光强对应于通过透光通孔的光强I0，较小光强对应于通过光控测试片的光强I。
根据本发明的另一方面，还提出一种镀膜厚度光学控制方法，基于本发明前述的镀膜厚度光学控制装置实现，包括如下步骤：
(1)模拟镀膜过程中光控测试片对不同波长激光的透射率随镀膜厚度变化曲线，从至少两个不同波长的激光中，选择各个膜层的监控激光；
(2)镀膜开始前，测量光控测试片对不同波长激光的透射率，校准该透射率的数值为未镀膜光控测试片在对应波长的理论透射率；
(3)开始膜层镀制，记录膜层镀制过程中光控测试片对监控激光的透射率Tm，根据透射率Tm随镀膜厚度变化曲线，计算镀制膜层的实际厚度t，并实时计算光控测试片透射率Tm相对于膜层厚度t的导数dTm/dt；当dTm/dt＝0时，利用该Tm重新计算镀膜材料在监控激光波长的实际膜层折射率、镀膜终止时的光控测试片的透射率Tc、以及镀膜过程中出现的透射率极大值和透射率极小值数目，当镀膜过程中光控测试片对监控激光的透射率极大值和透射率极小值数目分别满足要求、且Tm＝Tc时，膜层镀膜终止。
当所镀制的光学干涉薄膜为多层膜时，还包括以下步骤：
(4)根据光控测试片透射率随膜层厚度变化曲线反演计算膜层的实际厚度，将膜层的实际折射率和实际厚度代入膜系设计，重新计算薄膜光谱，如果薄膜光谱不满足设计要求，则实时优化未镀膜膜层厚度，使膜系设计满足镀膜光谱要求；
(5)对于利用时间监控作为辅助监控的镀膜过程，根据膜层实际镀膜时间和实际镀膜厚度，计算镀膜的平均速率；对于利用石英监控器作为辅助监控的镀膜过程，根据石英监控器监控的薄膜厚度和实际镀膜厚度，计算石英监控器监控厚度和实际镀膜厚度的比例；
(6)利用步骤(3)-(5)相同的方法镀制第二至最后膜层。
所述步骤(1)中，基于膜层材料的折射率和光控测试片的折射率，计算不同波长激光在光控测试片上的透射率随镀膜厚度变化的曲线，选择膜层镀膜终止前光控测试片透射率出现一个及以上的透过率极值、膜层镀膜开始和终止时光控测试片透射率和理论计算的透射率极大值和极小值相差最大的波长对应的激光，作为该膜层的厚度监控激光。
进一步的，对于所使用的激光均不满足光学监控要求的膜层，通过记录的对应膜层材料镀膜速率，利用镀膜时间控制薄膜厚度，或者通过记录的石英监控器测量厚度与实际镀膜厚度之间的关系，利用石英监控器监控薄膜厚度。记录光控测试片在不同波长激光的透射率曲线，作为镀膜厚度反演计算以及下一层薄膜镀膜厚度光学监控的依据。
相对于目前采用灯光源的直接光控系统，本发明的技术优势为：
(1)采用激光光源提供单色光源，从而避免使用光栅、移动狭缝等复杂的单色机构，系统更加简单，可靠性更高。
(2)采用的激光光源具有高能量，实现光束功率的直接探测，避免了锁相放大技术等弱信号提取技术。
(3)采用多波长激光光源作为直接监控波长，可以实时监控并计算薄膜的实际厚度，从而实现薄膜光谱的实时优化。
(4)光控信号的采集是基于触发-采集-分析过程获得的，极大地降低了镀膜机转动的稳定性和转动位置检测准确性的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1中提供的镀膜厚度光学控制装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中光控测试片和通孔在真空室中的安装结构图；
图3为实施例1中光强信号采集时序图；
图4为实施例2中的多层膜光谱的设计结果图；
图5为实施例2中镀膜过程中，632.8nm波长监控光的透射率随镀膜时间变化曲线；
图6为实施例2中镀膜过程中，355nm波长监控光的透射率随镀膜时间变化曲线；
图7为实施例2中镀膜过程中，532nm波长监控光的透射率随镀膜时间变化曲线；
图8为镀膜终止时的透射率和透射率极值的示意图；
图9为根据光控测试片透射率曲线实时优化镀膜终止透过率的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1示出了一种镀膜厚度光学控制装置的结构，该镀膜厚度光学控制装置包括三个不同波长的第一激光器101、第二激光器102和第三激光器103，第一透镜组104、第二透镜组105和第三透镜组106，第一分光元件107、第二分光元件108、第三分光元件109和第四分光元件110，驱动电机111，散射板112，光阑113，第一透镜114、第二透镜115、第三透镜116和第四透镜117，第一多模光纤118和第二多模光纤119，光控测试片120，第一光功率计121、第二光功率计122和第三光功率计123，可选择的用于调整光路传输方向的第一平面反射元件124、第二平面反射元件125、第三平面反射元件126和第四平面反射元件127，镀膜厚度光学控制装置封装盒128，以及光控测试片所在的镀膜机的镀膜真空室129。
所述的第一激光器101、第二激光器102和第三激光器103，第一透镜组104、第二透镜组105和第三透镜组106，第一分光元件107、第二分光元件108、第三分光元件109和第四分光元件110，驱动电机111，散射板112，光阑113，第一透镜114和第四透镜117，第一光功率计121、第二光功率计122和第三光功率计123，第一平面反射元件124和第四平面反射元件127，一起组成镀膜厚度光学控制装置的主体结构，封装在镀膜厚度光学控制装置封装盒128内部，封装盒128具有减震功能，以消除镀膜机振动对光路的影响，同时将不同的光学部件隔离，避免杂散光对光功率计的影响。
所述的第一分光元件107和第二分光元件108实现不同波长激光的合束，第三分光元件109和第四分光元件110实现不同波长激光的分束。
所述的光控测试片120，第二透镜115和第三透镜116，第二平面反射元件125和第三平面反射元件126位于镀膜真空室129的真空壁上或内部。
所述的第一透镜组104、第二透镜组105和第三透镜组106，第一透镜114、第二透镜115、第三透镜116和第四透镜117，第一多模光纤118和第二多模光纤119，在不同激光器的波长均具有高的透射率，优选的，所述的透镜和光纤表面镀有针对激光波长的增透膜。
所述的光控测试片120为双面抛光的平面基板，其制备材料在不同激光器的波长均具有高的透射率。
所述的散射板112由平面毛玻璃圆盘制成，所述的平面毛玻璃圆盘在不同激光器的波长均具有高的透射率，所述的驱动电机111驱动散射板112围绕散射板中心旋转，所述实施例采用直径30mm的毛玻璃，转速大于100rpm。
所述的镀膜厚度光学控制装置的工作过程为：第一、第二、第三激光器101、102和103发射的激光分别经过第一透镜组104、第二透镜组105和第三透镜组106调整激光的光斑大小、发散角等光束特征后，再通过第一分光元件107和第二分光元件108合束，合束后的多波长激光入射到由驱动电机111驱动转动的散射板112上，转动的散射板112将相干激光转化为准相干光，从而减弱激光在光学元件不同表面的反射光造成的干涉，特别是在光控测试片120两个表面的反射光的干涉。透射准相干光经过光阑113屏蔽不需要的杂散光，然后由第一透镜114会聚准相干光进入第一多模光纤118的一个端面，并由第一多模光纤118传输到固定在镀膜机外壁的第二透镜115前，经过第二透镜115准直后进入镀膜机，垂直地或以特定角度入射到光控测试片120，经过光控测试片120的透射光在镀膜真空室129内部经过第三平面反射元件126调整传播方向后，由第三透镜116聚焦进入第二多模光纤119的一个端面，并传输回镀膜厚度光学控制装置封装盒128内部，经过第四透镜117准直、第三分光元件109和第四分光元件110分解为不同波长的单色光，分别进入第一光功率计121、第二光功率计122和第三光功率计123探测光强度，探测的透射光强度输入计算机进行分析，并依此实现镀膜厚度的控制。
所述的第一平面反射元件124、第二平面反射元件125、第三平面反射元件126和第四平面反射元件127选择性地安装在光路中，实现对光束传播方向的调整。
图1所示为实现直接光学控制装置的基本结构。通过对系统增加元件可以提高系统的性能，如在光功率计前增加滤光片可以减小杂散光和其他波长光带来的噪声等；通过优化元件的制造方式可以实现系统结构的优化，如在光纤端面增加锥形光接收器件等，可以增加光的收集效率等；又如对每个激光器发射的激光分别利用高速转动的散射板实现准相干光等；这些增加的部件都不对镀膜厚度光学控制装置的根本原理做出改进，都属于本发明的保护范围。
图2示出一种镀膜厚度光学控制装置在镀膜机中安装结构。其中真空腔壁201仅示出安装所述镀膜厚度光学控制装置的部分。202为第一三维调整机构，用于调整第一多模光纤118和第二透镜115的相对位置，从而使经第一多模光纤118出射的激光经过第二透镜115变为平行准相干光束。平行准相干光束通过入射光学窗口203入射进真空室，经反射镜204调整光束传播方向后，以一定的角度入射到光控测试片120上。
第二三维调整机构205用于调整第二多模光纤119相对于第三透镜116的位置。
实施例中，光束垂直入射到光控测试片。为避免真空室中镀膜过程产生的光的干扰，反射镜安装在挡板206后。挡板206可同时用于调整镀膜的均匀性。
光控测试片120安装在镀膜夹具207上，镀膜夹具每转动一周，光束通过光控测试片120一定的时间。
镀膜夹具207上还开有透光通孔208，在镀膜过程中，光束穿过光控测试片120后，镀膜夹具207再转动一定角度后，光束通过透光通孔208。
经过光控测试片120和透光通孔208的透射光束经过出射光学窗口209、第三透镜116后聚焦进入第二多模光纤119，由第二多模光纤119传送入探测器，分别测量通过光控测试片后和通过通孔后的光强的比值，计算光控测试片的透射率。
优选的，入射光学窗口203和出射光学窗口209的法线方向分别与光束入射角度具有一定的夹角，以避免光束在窗口表面的多次反射对光信号稳定性的影响。
可替代的，入射光学窗口203和出射光学窗口209可以通过将透镜直接固定在镀膜机真空壁201上实现，此时通过橡胶密封圈等实现透镜和金属真空腔体的真空密封连接。
所述的激光经过透光通孔208后光功率计探测的一种波长的激光功率(光强)为I0，经过光控测试片120后该波长激光的功率为I,则光控测试片的实时测量透射率Tm为：
Figure BDA0003124531780000071
所述的光强的探测方式为：随着驱动电机驱动镀膜夹具的转动，准相干光斑先后进入通孔208和光控测试片120所在的区域，随着通过通孔和光控测试片的光斑面积逐步增大，探测能量增大，当光斑完全进入通孔208和光控测试片120所在的区域时，探测能量处于基本稳定值；随着镀膜夹具的继续转动，光斑逐渐离开通孔208和光控测试片120，能量逐步减小。
图3中示出了通过通孔208和光控测试片120的光能量探测过程示意图。选择特定波长的一定光斑能量301作为触发阈值，当光斑能量大于触发阈值时，对应的时间以304表示，光功率计开始记录光强数据，当能量减弱至小于触发阈值时，对应的时间以305表示，表明激光离开通孔208或光控测试片120所在的区域，光功率计停止记录光强数据，通过软件分析304至305时间内的光强数据，取光强稳定的306和307时间段内的平均光强为探测光强I或者I0。
一般的，由于光控测试片的最大透射率比通孔透射率小，I和I0通过光强判断，光强较大为通过通孔208的光强I0，如图3中的302；光强较弱的为通过光控测试片120的光强I，如图3中的303。从而降低对镀膜设备转动稳定性以及转动位置监控精度的要求。
需要注意的是，本实施例中激光器的数量为3个，但是实际上对激光器的数量没有具体限制，例如可以为1、2、4或更多个。
实施例2
以下实施例示出利用所述镀膜厚度光学控制装置进行镀膜厚度控制、实现光学干涉多层膜镀膜的方法。由Ta2O5作为高折射率材料，SiO2作为低折射率材料，需要注意的是，此处的高折射率和低折射率只是相对概念，并不是限定某一折射率或折射率范围为低折射率或高折射率。双面抛光熔石英玻璃基板作为光控测试片，实现图4所示的在400nm-1000nm波长范围内，透射率曲线401和反射率曲线402均接近50％的分光膜的功能。本实施实例，仅介绍所示厚度控制装置的工作方式，其他各种膜系都可采用所的步骤和方法实现。
Ta2O5膜层、SiO2膜层以及双面抛光熔石英玻璃基板的折射率分别由nH、nL和ns表示。
所使用的激光器为3个，波长分别为632.8nm、355nm和532nm。
所述的膜系为sub/100nm H/59.92nm L/75.94nm H/130.45nm L/39.92nm H/80.63nm L/166.6nm H/63.57nm L/39.29nm H 126.87nm L/air。其中sub代表石英基板，H代表高折射率材料Ta2O5，L代表低折射率材料SiO2，air代表入射介质空气。
一般来说，满足特定光谱要求的光学干涉薄膜可以采用不同的膜系设计实现，需要对不同的膜系设计进行镀膜过程的光学监控的模拟，选择适合所述监控波长的膜系。选择依据包括但不限于：①第一膜层的折射率和光控测试片的折射率相差较大(大于设定阈值)，且至少在一个波长，光谱测试片透射率随镀膜厚度增加出现一个及以上的透射率极值；②每一个膜层，至少在一个波长，光控测试片的透射率随镀膜厚度增加出现一个及以上的透射率极值；③每一个膜层镀膜过程中，光控测试片的透射率变化尽量大(大于设定阈值)；④每一个膜层镀膜开始和终止时光控测试片的透射率，和该膜层的透过率极值相差尽量大。
优选的，可以采用计算机自动程序实现最符合监控要求的膜系的自动筛选。
根据本发明的一个实施例，所述的一种镀膜厚度光学控制方法，镀制所述的光学干涉薄膜包括如下步骤：
(1)模拟镀膜过程中光控测试片对不同波长激光的透射率随镀膜厚度变化曲线，从至少两个不同波长的激光中，选择各个膜层的监控激光；
所述实施例中，使用的激光波长分别为632.8nm、355nm和532nm。基于这三个波长高折射率膜层、低折射率膜层和石英光控测试片的折射率，模拟光控测试片透射率随膜层厚度变化的曲线，根据该模拟结果，选择每个膜层的监控波长。
考虑每个膜层镀膜的速率为0.1nm/s，所述膜系在632.8nm波长处，随着镀膜时间增加光控测试片透射率变化如图5所示；在355nm波长处，随着镀膜时间增加光控测试片透射率变化如图6所示；在532nm波长处，随着镀膜时间增加光控测试片透射率变化如图7所示，其中横坐标为模拟的镀膜时间，纵坐标为透射率。因此图5中的501、502、503、504、505、506、507、508、509和510分别表示在石英光控测试片上依次沉积所述10个膜层时，光控测试片的透射率随镀膜厚度的变化。
根据所示出的光控测试片透射率随镀膜厚度的变化曲线，选择每个膜层的监控激光。选择的依据包括：
第一，膜层镀制过程中光控测试片的透射率随镀膜厚度增加是否出现极值，如果不出现极值，则不满足监控要求。
所述的透射率极值表示透射率从逐渐变大向逐渐变小、或者透射率从逐渐变小向逐渐变大的转换点，如图5中512所示为透射率极小值，513所示为透射率极大值。图5示出：以632.8nm激光做为监控光时，透射率曲线502、505和509不存在透射率极值，因此这些膜层不能采用632.8nm光源作为镀膜厚度监控光源；
第二，判断每个膜层镀制过程中透射率随镀膜厚度变化值是否满足监控需求，如果膜层镀制过程中透射率变化值小于监控需求，则不满足监控需求。
如定义满足监控需求的透射率变化最小值为2％，则如图5、图6和图7所示，所述的三个激光波长都满足该判断依据。
第三，膜层镀膜开始和镀膜终止时的透射率和该膜层的透射率极大值和极小值均具有较大的差异。
图8示出了第二膜层镀膜终止时的透射率801和透射率极值802和803的关系，其中第二个膜层镀制过程中出现一个透射率极值802；假设镀膜厚度继续增大，会出现另一个透射率极值803，透射率极值803在镀膜过程中不会出现，但是在分析镀膜的监控波长时，必须保证每个膜层镀膜终止时透过率801和透射率极值802和803的差异同时大于设定阈值。该阈值根据不同的膜系设计和控制精度确定，在所述实施例中，阈值设定为2％。
根据所述判断依据，可以利用632.8nm波长激光监控的膜层包括501、506、507、508。
图5所示的632.8nm波长处光控测试片的透射率随镀膜厚度变化曲线中，503、504示出的透过率监控曲线尽管出现透射率极值，但镀膜终止点的透射率非常接近透射率极值，因此这些膜层不适合采用632.8nm波长激光来监控镀膜厚度。
图6所示的355nm波长处光控测试片的透射率随镀膜厚度变化曲线中，601、602和603示出的第4层、第9层和第10层的透过率监控曲线尽管出现透射率极值，但镀膜终止点的透射率非常接近透射率极值，因此不适合采用355nm波长激光来监控镀膜厚度；604所标记的第6层薄膜镀膜过程中光控测试片的透射率曲线，其镀膜终止时的透射率符合监控要求，但镀膜开始时透射率非常接近透射率极值，因此不适合采用355nm波长激光来监控镀膜厚度。
图7所示的532nm波长对应的光控测试片的透射率变化曲线中，701、702和703示出第4层、第9层和第10层膜层的透射率曲线，这三个膜层可以采用532nm波长激光来监控镀膜厚度。
因此，所述实施例中膜层的厚度控制激光波长分别为：第1、2、3层采用355nm波长激光控制薄膜厚度，第4层采用532nm波长激光控制薄膜厚度,第6层采用632.8nm波长激光控制薄膜厚度，第7和第8层采用355nm波长激光控制薄膜厚度，第9和第10层采用532nm波长光控制薄膜厚度。第5层镀膜过程中，对所述的三个激光波长，光控测试片的透过率随镀膜厚度变化曲线分别由505，605和704所示，三个波长激光均不满足厚度光学控制条件，因此采用别的方式如时间监控或者石英监控器监控薄膜厚度。
(2)镀膜开始前，测量光控测试片对不同波长激光的透射率，校准该透射率的数值为未镀膜光控测试片在对应波长的理论透射率；
光控测试片对不同波长激光的透射率采用图1所示的装置测量，测量时，光控测试片位于真空室中的镀膜夹具上，随着镀膜夹具的转动而运动。图1所述的光路固定后，整个系统的透射率确定，以通孔透射光的功率作为100％，则通过光控测试片后光功率计探测的功率为光控测试片的透射率。
一般地，因为光控测试片的厚度、光学器件的色散特征等影响，实际测量和理论计算的光控测试片透射率有一定的差异，需要标定实际测试的未镀膜光控测试片的透射率为理论计算的未镀膜光控测试片的透射率。所述实施例中，需标定光控测试片在355nm的透射率为92.87％，在532nm的透射率为93.23％,在632nm的透射率为93.31％。
(3)开始膜层镀制，记录膜层镀制过程中光控测试片对监控激光的透射率Tm，根据透射率Tm随镀膜厚度变化曲线，计算镀制膜层的实际厚度t，并实时计算光控测试片透射率Tm相对于膜层厚度t的导数dTm/dt；当dTm/dt＝0时，利用该Tm重新计算镀膜材料在监控激光波长的实际膜层折射率、镀膜终止时的光控测试片的透射率Tc、以及镀膜过程中出现的透射率极大值和透射率极小值数目，当镀膜过程中光控测试片对监控激光的透射率极大值和透射率极小值数目分别满足要求、且Tm＝Tc时，膜层镀膜终止。
所示实施例的第一膜层为Ta2O5薄膜。图9示出了实际镀制Ta2O5膜层的折射率和设计膜系时使用的Ta2O5膜层折射率具有差异时，理论计算的光控测试片透过率(实线)和实际镀膜过程中记录的透过率(虚线)的差异。所述的第一个膜层的透射率极值的设计结果如901所示，镀膜过程中随镀膜厚度增加出现透射率极小值902。当实际镀制膜层的折射率和设计膜系时使用的薄膜折射率具有差异时，计算的透过率极小值901和实际监控获得的透过率极小值902存在差异。
所述实施例中，第一膜层镀膜时，光控测试片的透过率极小值由薄膜折射率和基板折射率决定。光在垂直入射光控测试片表面时，通过以下公式计算光控测试片在波长λ处的透射率T(λ)：
Figure BDA0003124531780000101
其中ρ01为光控测试片镀膜表面的真空-薄膜界面反射因数，ρ12为光控测试片未镀膜表面的真空-基板界面反射因数。真空的折射率n0＝1,则未镀膜表面的真空-基板界面反射因数为
Figure BDA0003124531780000111
在透射率极小值902处，真空-薄膜界面反射因数为
Figure BDA0003124531780000112
其中ns是基板的折射率，n1是第一个膜层的折射率。因此所述实施例中，根据第一膜层镀膜过程中光控测试片的透射率极小值902可以计算实施例中第一膜层材料Ta2O5的实际折射率。
所镀制薄膜的折射率和膜系设计所采用的薄膜折射率存在差异时，也可能导致第一膜层镀膜停止条件Tc变化，可根据第一个透过率极值实时计算镀膜终止时的光控测试片的透射率Tc、以及镀膜过程中出现的透射率极大值和透射率极小值数目。
(4)根据光控测试片透射率随膜层厚度变化曲线反演计算膜层的实际厚度，将膜层的实际折射率和实际厚度代入膜系设计，重新计算薄膜光谱，如果薄膜光谱不满足设计要求，则实时优化未镀膜膜层厚度，使膜系设计满足镀膜光谱要求；
所镀制薄膜的折射率和膜系设计所采用的薄膜折射率存在差异时，可能导致光学干涉薄膜光谱偏离设计目标。可根据实际确定的膜层折射率和镀膜厚度，优化第二及以上膜层的厚度，使镀膜光谱满足设计需求。优化膜层厚度后，重新按照步骤(1)确定未镀膜膜层的监控激光，并分别确定未镀膜膜层的薄膜厚度控制参数如镀膜过程中出现的透过率极大值和极小值数目、镀膜终止时光控测试片的透射率Tc。
所述的膜系设计所使用的膜层折射率和实际镀制膜层的折射率越接近，则理论模拟的光控测试片透过率和实际镀膜过程中光控测试片的透过率差别越小，重新优化膜系所需的时间越短，因此在镀膜前需要精确确定高折射率膜层和低折射率膜层的折射率色散系数。
(5)对于利用时间监控作为辅助监控的镀膜过程，根据膜层实际镀膜时间和实际镀膜厚度，计算镀膜的平均速率；对于利用石英监控器作为辅助监控的镀膜过程，根据石英监控器监控的薄膜厚度和实际镀膜厚度，计算石英监控器监控厚度和实际镀膜厚度的比例；
(6)利用步骤(3)-(5)相同的方法镀制第二至最后膜层。
镀制第二至最后膜层时，光控测试片的透射率可以通过传输矩阵方法计算。传输矩阵M的表示式为：
M＝MNMN-1…M2M1，
其中1，2，……N-1，N代表了从基板依次沉积的N层膜。光束垂直入射光控测试片时，从光控测试片基板到真空的第i个膜层的特征矩阵Mi为：
Figure BDA0003124531780000121
其中ni为从光控测试片基板到真空依次沉积的第i层薄膜的折射率，di为所述第i层薄膜的物理厚度，λ为监控光的波长。引入两个变量B和C，并令：
Figure BDA0003124531780000122
则反射因数ρ01为：
Figure BDA0003124531780000123
所述的第N膜层代表了正在镀制的膜层，则N-1，……2，1所代表的膜层的厚度和折射率已通过对应的镀膜过程确定。通过计算镀制第N膜层时监控测试片的透射率随膜层镀膜厚度的变化曲线，并和光控测试片实际透过率变化曲线比较，可以确定第N层薄膜的折射率。
所述镀膜过程中，确定第二膜层折射率的方法为：镀制第二膜层时，随着镀膜厚度的增大，光控测试片的实际透射率出现极值903后，利用特征矩阵方法计算第二膜层材料取不同折射率时光控测试片的透射率极值，选择和实际测量的透射率极值903相同时对应的膜层折射率为实际镀制的第二膜层的折射率。
所述的实施例中，利用所述方法确定的第二膜层材料折射率为低折射率膜层材料SiO2的实际折射率。
所述第二膜层的实际折射率和膜系设计所采用第二膜层的折射率存在差异时，可能导致光学干涉薄膜光谱偏离设计目标。可根据实际确定的第一和第二膜层折射率和镀膜厚度，实时优化第三及以上膜层的厚度，使镀膜光谱满足设计需求。优化膜层厚度后，重新按照步骤(1)，选择未镀膜膜层的监控激光波长，并分别确定未镀膜膜层的薄膜厚度控制参数如镀膜过程中出现的透过率极大值和极小值数目、镀膜终止时光控测试片的透射率Tc。
所述镀膜过程中，确定第三及以上膜层折射率的方法和确定第二膜层折射率的方法相同。
所述镀膜过程中，透射率极值的确定方法为：实时模拟光控测试片透射率随镀膜厚度变化的曲线，并利用理论模拟结果计算透过率相对镀膜厚度的导数dTm/dt，确定dTm/dt＝0对应的点为透过率极值，从而减少镀膜参数变化如镀膜短暂停止、光强度噪音引起的对透过率曲线极值的误判。
所述镀膜过程中，对于不满足光学厚度监控条件的膜层，采用时间监控或者石英监控器控制薄膜的厚度，具体实现方法为：对于时间控制方法辅助控制的镀膜系统，根据上一层同样材料的膜层镀膜完成后计算的平均沉积速率，利用该膜层的物理厚度除以平均沉积速率，获得镀膜时间，通过镀膜时间监控薄膜的厚度；对于石英监控器监控辅助控制的镀膜系统，根据上一层同样材料的膜层镀膜完成后光控测试片上的薄膜厚度和石英监控器记录厚度之间的比率，利用待镀制膜层的物理厚度除以该比率，获得该膜层石英监控器监控厚度参数，从而利用石英监控器控制该膜层的厚度。
所述的镀膜实施例中，第五膜层在镀膜过程采用该方法实现监控，所使用的平均镀膜速率或者实际镀膜厚度和石英监控器记录厚度之间的比率采用第三层薄膜镀膜时获得的数据。
对于镀制标准的法布里-波罗形式的标准滤光片时，所述的镀膜过程可以采用具有法布里-波罗形式的标准滤光片中心波长的激光器作为监控光源。其镀膜终止点位于透射率极值，所述的镀膜终止条件由实时监控的dTm/dt＝0确定。
根据本发明的又一实施例，可选的，本发明的实施例的镀膜厚度控制方法还可实现为计算机软件或计算机软件程序产品。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明还可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行所述的指令，以实现所述的方法。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现所述方法指定的步骤和功能。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镀膜厚度光学控制装置，其特征在于，包括一个及以上不同波长的激光器、用于不同波长激光分束和合束的分光元件、散射板、驱动电机、第一多模光纤、第二多模光纤、光功率计、光控测试片、以及镀膜夹具，所述镀膜夹具带有透光通孔以及用于夹持光控测试片的孔；
所述激光器发射的激光经第一组分光元件合束，合束后的激光照射到由驱动电机驱动而转动的散射板上，形成准相干光，通过第一透镜聚焦准相干光到第一多模光纤入口，第一多模光纤将准相干光传输至镀膜机，经第二透镜准直后，入射到位于镀膜机内部的光控测试片上，经光控测试片的透射光再经第三透镜聚焦进入第二多模光纤，在第二多模光纤出口经第四透镜准直、第二组分光元件分光后进入不同的光功率计。
2.根据权利要求1所述的一种镀膜厚度光学控制装置，其特征在于，还包括透镜组，设置于所述激光器和第一组分光元件之间，激光器发射的激光经所述一个或多个透镜组调整光束特征后再经第一组分光元件合束。
3.根据权利要求1所述的一种镀膜厚度光学控制装置，其特征在于，还包括一个或多个平面反射元件，用于调整光路传播方向。
4.根据权利要求1所述的一种镀膜厚度光学控制装置，其特征在于，还包括光阑，设置于散射板和第一透镜之间，准相干光经过光阑屏蔽不需要的杂散光后，由第一透镜聚焦到第一多模光纤入口。
5.根据权利要求1所述的一种镀膜厚度光学控制装置，其特征在于，镀膜夹具在驱动电机驱动下旋转，进入镀膜机的准相干光照射到镀膜夹具，在不同时刻分别通过透光通孔和光控测试片，对任一波长的准相干光，I为对应光功率计测量的通过光控测试片的光强，I0为对应光功率计测量的通过透光通孔的光强，光控测试片在对应波长的透射率Tm为I与I0的比值。
6.根据权利要求5所述的一种镀膜厚度光学控制装置，其特征在于，对任一波长的准相干光，通过光控测试片上的光强I和通过透光通孔的光强I0通过比较光功率计测量的光强大小区分，在镀膜夹具的一个转动周期中，两个光强中的较大光强对应于通过透光通孔的光强I0，较小光强对应于通过光控测试片的光强I。
7.一种镀膜厚度光学控制方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一所述的镀膜厚度光学控制装置实现，包括以下步骤：
(1)模拟镀膜过程中光控测试片对不同波长激光的透射率随镀膜厚度变化曲线，从至少两个不同波长的激光中，选择各个膜层的监控激光；
(2)镀膜开始前，测量光控测试片对不同波长激光的透射率，校准该透射率的数值为未镀膜光控测试片在对应波长的理论透射率；
(3)开始膜层镀制，记录膜层镀制过程中光控测试片对监控激光的透射率Tm，根据透射率Tm随镀膜厚度变化曲线，计算镀制膜层的实际厚度t，并实时计算光控测试片透射率Tm相对于膜层厚度t的导数dTm/dt；当dTm/dt＝0时，利用该Tm重新计算镀膜材料在监控激光波长的实际膜层折射率、镀膜终止时的光控测试片的透射率Tc、以及镀膜过程中出现的透射率极大值和透射率极小值数目，当镀膜过程中光控测试片对监控激光的透射率极大值和透射率极小值数目分别满足要求、且Tm＝Tc时，膜层镀膜终止。
8.根据权利要求7所述的一种镀膜厚度光学控制方法，其特征在于，当所镀制的光学干涉薄膜为多层膜时，还包括以下步骤：
(4)根据光控测试片透射率随膜层厚度变化曲线反演计算膜层的实际厚度，将膜层的实际折射率和实际厚度代入膜系设计，重新计算薄膜光谱，如果薄膜光谱不满足设计要求，则实时优化未镀膜膜层厚度，使膜系设计满足镀膜光谱要求；
(5)对于利用时间监控作为辅助监控的镀膜过程，根据膜层实际镀膜时间和实际镀膜厚度，计算镀膜的平均速率；对于利用石英监控器作为辅助监控的镀膜过程，根据石英监控器监控的薄膜厚度和实际镀膜厚度，计算石英监控器监控厚度和实际镀膜厚度的比例；
(6)利用步骤(3)-(5)相同的方法镀制第二至最后膜层。
9.根据权利要求7所述的一种镀膜厚度光学控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，基于膜层材料的折射率和光控测试片的折射率，计算不同波长激光在光控测试片上的透射率随镀膜厚度变化的曲线，选择膜层镀膜终止前光控测试片透射率出现一个及以上的透过率极值、膜层镀膜开始和终止时光控测试片透射率和理论计算的透射率极大值和极小值相差最大的波长对应的激光，作为该膜层的厚度监控激光。
10.根据权利要求8所述的一种镀膜厚度光学控制方法，其特征在于，对于所使用的激光均不满足光学监控要求的膜层，通过记录的对应膜层材料镀膜速率，利用镀膜时间控制薄膜厚度，或者通过记录的石英监控器测量厚度与实际镀膜厚度之间的关系，利用石英监控器监控薄膜厚度。记录光控测试片在不同波长激光的透射率曲线，作为镀膜厚度反演计算以及下一层薄膜镀膜厚度光学监控的依据。
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