CN113512712A - 膜厚修正板及光学直接监控镀膜设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种膜厚修正板，其上开设有至少一个暴露孔，用于暴露玻璃基板的边缘部分，膜厚修正板的非暴露孔部分能够在玻璃基板的径向方向上，将玻璃基板全部遮挡，暴露的边缘部分能够进行中心直接监控，以减小光学薄膜滤光片的中心波长变化。同时，本发明提出一种包含上述膜厚修正板的光学直接监控镀膜设备，通过将旋转轴设置在偏离真空室中心轴的部位、将光学直接监控点设定在真空室中心轴部位，同时辅以具有暴露孔的膜厚修正板，可以使同一玻璃基板上同时具有中心直接监控和边缘直接监控的特点，既能保证薄膜光学滤光片的高产出率，降低生产成本，又能确保光学薄膜滤光片中心波长分布的一致性，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜滤光片技术领域，涉及一种光学薄膜滤光片的生产设备，特别是涉及膜厚修正板及光学直接监控镀膜设备。
背景技术
光学薄膜滤光片有广泛的应用领域，诸如在生命科学荧光检测、光纤通讯波分复用系统、激光雷达、人脸三维识别等高新技术领域，光学薄膜滤光片都是核心器件，作用是信息提取及提升系统信噪比。光学薄膜滤光片的生产方式是在真空环境中，用电子束加热，或离子束溅射，或磁控溅射的方式将不同厚度、高低折射率的材料交替组合，通过光学干涉的原理对某段光学波长起到透射或反射的效果。生产光学薄膜片的生产设备是光学真空镀膜机，主要由这几大部分组成：①真空的产生及维持系统；②材料加热蒸发或溅射系统；③膜层均匀性修正系统；④增加膜层品质的离子束辅助系统。
高端薄膜滤光片目前多通过进口设备生产，光学直接监控是生产高端窄带滤光片的唯一方法，即监控准直光直接投射到玻璃基片上，透过玻璃基片被光电探测器接收，转化为与薄膜厚度相关的电信号，经计算机处理后，可以达到精确的膜厚控制。提升玻璃基片区域的光学薄膜滤光片中心波长分布的一致性是该领域的技术难题。当前常规生产光学薄膜滤光片的设备内的光学直接监控方式主要有如下两种：
(1)边缘透射直接监控方式：
如图1所示，玻璃基片放置在工件架1上，工件架1绕位于设备中心轴的旋转轴9旋转，电子枪2、3交替工作，蒸发使高低折射率的材料沉积在玻璃基片上，离子源4工作产生离子束，轰击沉积在玻璃基片上的膜料，提升成膜质量。膜厚修正板5、6设置在工件架1下方；安装修正板的支架一般放置在真空室7的侧壁，有固定或活动两种类型，活动类型的修正效果好；监控光源8(可以是灯泡，也可以是从外部导入的光源)安装在某一个膜厚修正板的背面，通电发光，透过玻璃基片被光纤探头10接收，通过光电转换形式可以进行信息处理，将光信号转换成与膜厚相关的电信号，经软件计算后，设备自动判断，达到精确控制的目的。该结构的代表设备是日本光驰的带有直控的OTFC-1300设备。
当玻璃基片很大时，采用电子束蒸发或离子束溅射边缘透射直接监控方式进行成膜，如图2和3所示的形式。其中，如图3所示，离子束溅射的成膜方式是用一个离子源4产生的高能离子或原子轰击靶材11表面，将靶材材料以单个原子或多原子团的方式溅射出来，沉积到玻璃基板12上，辅助以膜厚修正板修正，达到监控点某区范围内的波长一致，其中膜厚修正板5、6设置在玻璃基板12的下方。图3中，激光穿过光纤探头10投射到玻璃基片12上，再穿透出真空室7，经反射镜13反射后被探测器14接收，转换成与光学膜厚相关的电信号，通过电信号的变化就可以达到监控薄膜厚度的目的。
上述可知，目前的边缘透射直接监控方式具有以下特点：
1、玻璃基板12的旋转轴9与设备的几何中心轴重合；
2、玻璃基片12绕设备的几何中心轴旋转；
3、由于高、低折射率材料在不同时刻的位置不同，不同时刻沉积的膜厚是不一样，需要依靠膜厚修正板修正薄膜厚度分布均匀性；
4、膜厚修正板一般是片式的，不同位置有不同的尺寸，膜的均匀性依靠调整修正板的尺寸来校准，不易调整，易变化；
5、成膜是大面积沉积；
6、光学监控位置，即光纤探头10不在设备的几何中心，而在边缘处，故称为边缘直接监控。
(2)中心直接监控方式：
如图4所示，玻璃基板12的中心与设备旋转中心基本重合，电子枪(或离子束溅射)2、3将膜料原子/分子沉积到玻璃基板12上，离子源4用于提升膜层质量和膜厚的细微修正。其光学监控系统中，光源发出的光耦合进光纤，通过光纤准直器15后变成准直光，投射到玻璃基片12上，再穿透出真空室7，经反射镜13反射后被探测器14接收，转换成与光学膜厚相关的电信号，通过电信号的变化就可以达到监控薄膜厚度的目的。
该监控方式中，光学监控位置(即光纤探头10)和玻璃基片12均位于中心，好处是两种材料经旋转平均后，容易在中间部位得到薄膜滤光片中心波长变化小、膜厚均匀性较高的分布；但成膜有效面积小，远离中心区域的滤光片特性衰变快，产量低，成本高。当前对波长均匀性要求很高的光通信DWDM膜片，一般都采用这种结构的生产方式。
通过对比以上两种直接监控的方式，可以发现边缘直控方式成膜面积大、生产效率高，中心波长变化大、稳定性差，膜厚均匀性靠修正板修正；而中心直控方式成膜面积小、生产效率低，中心波长变化小、稳定好，无修正板，膜厚均匀性靠离子源微调。因此，现有边缘直控方式和中心直控方式之间的优缺点相互对立，且无法兼容，所以如何提出一种既能保证薄膜光学滤光片的高产出率和大成膜面积，又能兼顾较好波长均匀性的方案，是目前本领域亟待解决的一个难题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种膜厚修正板，以减小光学薄膜滤光片的中心波长变化。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种膜厚修正板，用于安装在玻璃基板的前方，所述膜厚修正板与所述玻璃基板间隔设置；所述膜厚修正板上开设有至少一个暴露孔，所述暴露孔用于暴露所述玻璃基板的边缘部分，以使暴露的所述边缘部分能够进行中心直接监控；所述膜厚修正板的非暴露孔部分能够在所述玻璃基板的径向方向上，将所述玻璃基板全部遮挡。
可选的，任意所述暴露孔均为张角为0°～360°的扇形暴露孔。且任意暴露孔均不是豁口，即膜厚修正板的外圈是连续的，可保证修正板的强度，确保其在使用过程中不变形。
可选的，所述膜厚修正板为圆形修正板，所述圆形修正板的圆心和任意所述扇形暴露孔的顶点均位于所述玻璃基板的旋转轴所在直线上。
可选的，所述扇形暴露孔的两侧边为任意形状的曲线。
本发明的另一目的是提出一种光学直接监控镀膜设备，以克服现有薄膜光学滤光片中心波长均匀性和有效成膜面积无法兼顾的问题。具体方案如下：
一种包含上述膜厚修正板的光学直接监控镀膜设备，包括真空室和光学监控系统，其中，所述玻璃基板的旋转轴偏离所述真空室的中心轴设置；所述膜厚修正板安装在所述玻璃基板的前方，所述暴露孔将所述玻璃基板的边缘部分暴露；所述光学监控系统中形成的准直光穿过所述暴露孔，并所述与所述中心轴重合，以使所述玻璃基板暴露于所述暴露孔的边缘部分被所述光学监控系统进行中心直接监控；被所述膜厚修正板遮挡的所述玻璃基板偏离所述准直光，以被所述光学监控系统进行边缘直接监控。
可选的，所述膜厚修正板通过支架安装于所述真空室的内顶壁或内侧壁。
可选的，所述玻璃基片以10～1200转/分钟的转速绕所述旋转轴旋转。
可选的，述光学监控系统包括光源、光纤、与所述光纤相连的光纤准直器和探测器；所述光源和所述探测器分别位于所述真空室轴向方向的两端，所述光源发出的光耦合进所述光纤，并通过所述光纤准直器变成准直光，依次穿透所述玻璃基片和所述真空室；所述探测器用于接收穿透出所述真空室的准直光。
可选的，所述光纤准直器的准直光发射方向与所述探测器的准直光接收方向垂直，所述探测器的前方设置有用于改变准直光发射路径的反射镜。所述光源发出的光耦合进所述光纤，通过所述光纤准直器后变成准直光，投射到所述玻璃基片上，再穿透出所述真空室；穿透出所述真空室的准直光经所述反射镜反射后再被所述探测器接收。
可选的，所述光纤准直器的准直光发射方向与所述探测器的准直光接收方向重合，所述光源发出的光耦合进所述光纤，通过所述光纤准直器后变成准直光，投射到所述玻璃基片上，再穿透出所述真空室；穿透出所述真空室的准直光由所述探测器直接接收。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提出的膜厚修正板，通过设置暴露孔将玻璃基板的部分边缘部位进行暴露，可使该暴露的边缘部位进行中心直接监控，以减小光学薄膜滤光片的中心波长变化，有利于提高光学薄膜滤光片整体的中心波长分布均匀性。
本发明提出的光学直接监控镀膜设备，结构布置合理，通过将旋转轴设置在偏离真空室中心轴的部位、将光学直接监控点设定在真空室中心轴部位或靠近真空室中心轴部位，同时辅以具有暴露孔的膜厚修正板，可以使同一玻璃基板上同时进行中心直接监控和边缘直接监控，最终达到被监控区域的薄膜滤光片中心波长变化小，且有较大的成膜面积的目的，既能保证薄膜光学滤光片的高产出率，降低生产成本，又能确保光学薄膜滤光片中心波长分布的一致性，有效克服了目前窄带滤光片中心波长均匀性差、且有效成膜面积小的行业痛点，可满足现有光学系统对光学薄膜滤光片的更高波长均匀性要求，实用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为现有技术中采用边缘透射直接监控方式的一种光学直接监控镀膜设备示意图；
图2为现有技术中采用边缘透射直接监控方式的另一光学直接监控镀膜设备示意图；
图3为现有技术中采用边缘透射直接监控方式的再一种光学直接监控镀膜设备示意图；
图4为现有技术中采用中心直接监控方式的光学直接监控镀膜设备示意图；
图5为本发明实施例所公开的光学直接监控镀膜设备的主视图；
图6为本发明实施例所公开的光学直接监控镀膜设备的俯视图；
图7为本发明实施例所公开的圆形修正板的装配俯视图；
图8为本发明实施例所公开的圆形修正板的装配仰视图；
其中，附图标记为：
1-工件架；2、3-电子枪；4-离子源；5、6-膜厚修正板；7-真空室；8-光源；9-旋转轴；10-光纤探头；11-靶材；12-玻璃基板；13-反射镜；14-探测器；15-光纤准直器；
16-圆形修正板；17-扇形暴露孔；18-监控点；19-固定孔；20-准直光；21-中心轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
本发明的目的之一是提供一种膜厚修正板，以减小光学薄膜滤光片的中心波长变化。
本发明的另一目的是提出一种包含上述膜厚修正板的光学直接监控镀膜设备，以彻底克服现有薄膜光学滤光片中心波长均匀性和有效成膜面积无法兼顾的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图7-8所示，本实施例提供一种膜厚修正板，该膜厚修正板可以是包含圆形、方形等在内的规则形状，也可以是不规则的多边形或其他形状。该膜厚修正板用于安装在玻璃基板12的前方，且膜厚修正板与玻璃基板12间隔设置；膜厚修正板上开设有至少一个暴露孔，暴露孔用于暴露玻璃基板12的边缘部分，以使暴露的边缘部分与光学直接监控镀膜设备中光学监控系统发射的准直光形成类似同轴，以便该暴露的边缘部分进行中心直接监控。中心直接监控方式，能够减小光学薄膜滤光片边缘部分的中心波长变化，有利于提高光学薄膜滤光片整体的中心波长分布均匀性。膜厚修正板的非暴露孔部分能够在玻璃基板12的径向方向上，将玻璃基板12全部遮挡，以避免造成光学薄膜滤光片边缘部分的中心波长分布不均匀。上述“前方”是指膜厚修正板设置于玻璃基板12与电子枪(或离子源)之间。
本实施例中，暴露孔可以为扇形或包含长条形在内的其他形状。如图7-8所示，作为优选方式，本实施例优选任意暴露孔均为张角为0°～360°的扇形暴露孔17。其中，张角λ可在0°～360°范围内进行改变。并且，任意暴露孔均不是豁口，即如图7-8所示，膜厚修正板的外圈是连续的，可保证修正板的强度，确保其在使用过程中不变形。
本实施例中，图7-8所示，作为优选方式，玻璃基板12设置为一种圆形玻璃基板，膜厚修正板设置为圆形修正板16，圆形修正板16上开设至少一个扇形暴露孔17，且圆形修正板16的圆心和任意扇形暴露孔17的顶点均位于玻璃基板12的旋转轴9所在直线上，任意扇形暴露孔17的圆弧线均位于圆形修正板16的边缘内，以确保圆形修正板16的边缘保持连续。当然，圆形修正板16的圆心也可以偏离旋转轴9所在直线设置，任意扇形暴露孔17的顶点也可以偏离圆形修正板16的圆心设置。在实际操作中，当圆形修正板16上仅开设一个扇形暴露孔17时，可将其张角设置大一些；而当圆形修正板16上开设两个以上扇形暴露孔17时，可将任意扇形暴露孔17的张角设置的相对小一些，且任意两个扇形暴露孔17的张角可以相同也可以不同，两个以上扇形暴露孔17可以周向均布设置也可以非均布设置。在本实施例中，作为优选方式，当圆形修正板16上开设两个以上扇形暴露孔17时，可以细微调节滤光片的中心波长分布；且任意两个扇形暴露孔17的张角相同，且在圆形修正板16上呈圆周方向均布。此外，当暴露孔为除扇形以外的形状时，其在圆形修正板16上的开设数量、开设位置以及多个暴露孔时的分布方式，均可参考但不限于上述扇形暴露孔17。
本实施例中，图7-8所示，扇形暴露孔17的两侧边可以为任意形状的曲线，比如直线、锯齿线或波浪线等。通过将扇形暴露孔17的两侧边设置为曲线形状，能够充分达到修正薄膜厚度的目的，使薄膜滤光片中心波长变化小，中心波长一致性高。
本实施例还提出一种包含上述膜厚修正板的光学直接监控镀膜设备，其中：
如图6所示，玻璃基板12的旋转轴9偏离真空室7的中心轴21设置；但该中心轴21并不限于是严格意义上的真空室7最中心位置的轴线，其可以偏离真空室7最中心位置，该中心轴21中的“中心”是相对而言，而非绝对位置；膜厚修正板安装在玻璃基板12的前方，暴露孔将玻璃基板12的边缘部分暴露；
其中，“前方”是指膜厚修正板设置于玻璃基板12与电子枪(或离子源)之间，当光学直接监控镀膜设备为如图5所示的立式结构时，此时可称膜厚修正板设置于玻璃基板12的下方；而当光学直接监控镀膜设备从如图5所示的立式结构逆时针旋转90度成卧式结构时，又可称膜厚修正板设置于玻璃基板12的右侧；
光学监控系统中形成的准直光20，即监控点18与中心轴21重合，且允许有偏差。
本实施例中，膜厚修正板通过支架安装于真空室7的内侧壁，或悬置于真空室7的内顶壁。膜厚修正板上开设有固定孔19，用于通过螺栓或螺钉与上述支架固定连接。膜厚修正板也可以活动安装的方式安装于真空室7的内侧壁或内顶壁。
本实施例中，被暴露孔暴露的玻璃基板12的边缘部分被光学监控系统的准直光20穿过，形成类似同轴结构，用以光学监控系统对该暴露部分进行相对的中心直接监控；而膜厚修正板的非暴露孔部分，保留了现有膜厚修正板的正常膜厚度修正功能，被膜厚修正板遮挡的玻璃基板12偏离光学监控系统设置，即被膜厚修正板遮挡的玻璃基板12当下不被准直光20穿过，该被膜厚修正板遮挡的玻璃基板部分相对光学监控系统偏心设置，用以光学监控系统对该遮挡部分进行相对的边缘直接监控，同时对该部分辅以膜厚修正板修正成膜厚度。
本实施例中，玻璃基片12优选以10～1200转/分钟的转速绕旋转轴9旋转。
本实施例中，光学监控系统的光源8发出的光耦合进光纤，通过光纤准直器15后变成准直光20，投射到玻璃基片12上，再穿透出真空室7的底板；穿透出真空室7的准直光20经反射镜13反射后再被探测器14接收。作为优化和简化设置，还可以省略反射镜13，并将探测器14移动至与准直光20同轴设置，以便探测器14直接接收穿透出真空室7的准直光20。
需要说明的是，附图5中的“20(21)”是指引线所指部位为准直光20或中心轴21，由于图示为准直光20和中心轴21重合设置的方式，所以从图中看二者为同一条直线。同理，附图6中的“21(18)”是指引线所指部位为中心轴21或监控点18，由于图示为监控点18设置在中心轴21上，所以从图中看二者为同一点。
本实施例提出的膜厚修正板，通过设置暴露孔将玻璃基板的部分边缘部位进行暴露，可使该暴露的边缘部位进行中心直接监控，以减小光学薄膜滤光片的中心波长变化，有利于提高光学薄膜滤光片整体的中心波长分布均匀性。
同时，本实施例提出的光学直接监控镀膜设备，结构布置合理，通过将旋转轴设置在偏离真空室中心轴的部位、将光学直接监控点设定在真空室中心轴部位或靠近真空室中心轴部位，同时辅以具有暴露孔的膜厚修正板，可以使同一玻璃基板上同时进行中心直接监控和边缘直接监控，最终达到被监控区域的薄膜滤光片中心波长变化小，且有较大的成膜面积的目的，既能保证薄膜光学滤光片的高产出率，降低生产成本，又能确保光学薄膜滤光片中心波长分布的一致性，有效克服了目前窄带滤光片中心波长均匀性差、且有效成膜面积小的行业痛点，可满足现有光学系统对光学薄膜滤光片的更高波长均匀性要求，实用性强。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种膜厚修正板，用于安装在玻璃基板的前方，其特征在于，所述膜厚修正板与所述玻璃基板间隔设置；所述膜厚修正板上开设有至少一个暴露孔，所述暴露孔用于暴露所述玻璃基板的边缘部分，以使暴露的所述边缘部分能够进行中心直接监控；所述膜厚修正板的非暴露孔部分能够在所述玻璃基板的径向方向上，将所述玻璃基板全部遮挡。
2.根据权利要求1所述的膜厚修正板，其特征在于，任意所述暴露孔均为张角为0°～360°的扇形暴露孔。
3.根据权利要求2所述的膜厚修正板，其特征在于，所述膜厚修正板为圆形修正板，所述圆形修正板的圆心和任意所述扇形暴露孔的顶点均位于所述玻璃基板的旋转轴所在直线上。
4.根据权利要求2所述的膜厚修正板，其特征在于，所述扇形暴露孔的两侧边为任意形状的曲线。
5.一种包含权利要求1～4任意一项所述膜厚修正板的光学直接监控镀膜设备，包括真空室和光学监控系统，其特征在于：
所述玻璃基板的旋转轴偏离所述真空室的中心轴设置；
所述膜厚修正板安装在所述玻璃基板的前方，所述暴露孔将所述玻璃基板的边缘部分暴露；
所述光学监控系统中形成的准直光穿过所述暴露孔，并所述与所述中心轴重合，以使所述玻璃基板暴露于所述暴露孔的边缘部分被所述光学监控系统进行中心直接监控；被所述膜厚修正板遮挡的所述玻璃基板偏离所述准直光，以被所述光学监控系统进行边缘直接监控。
6.根据权利要求5所述的光学直接监控镀膜设备，其特征在于，所述膜厚修正板通过支架安装于所述真空室的内顶壁或内侧壁。
7.根据权利要求5所述的光学直接监控镀膜设备，其特征在于，所述玻璃基片以10～1200转/分钟的转速绕所述旋转轴旋转。
8.根据权利要求5所述的光学直接监控镀膜设备，其特征在于，所述光学监控系统包括光源、光纤、与所述光纤相连的光纤准直器和探测器；所述光源和所述探测器分别位于所述真空室轴向方向的两端，所述光源发出的光耦合进所述光纤，并通过所述光纤准直器变成准直光，依次穿透所述玻璃基片和所述真空室；所述探测器用于接收穿透出所述真空室的准直光。
9.根据权利要求8所述的光学直接监控镀膜设备，其特征在于，所述光纤准直器的准直光发射方向与所述探测器的准直光接收方向垂直，所述探测器的前方设置有用于改变准直光发射路径的反射镜。
10.根据权利要求8所述的光学直接监控镀膜设备，其特征在于，所述光纤准直器的准直光发射方向与所述探测器的准直光接收方向重合，所述探测器能够直接接收穿透出所述真空室的准直光。
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