CN115308822A - 微透镜阵列的制备方法，薄膜厚度监测方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种微透镜阵列的制备方法，薄膜厚度监测系统及装置。该方法利用光谱共焦技术，使用梯度折射率微透镜阵列将入射光离散为一系列焦点，将待测膜层置于焦点处，反射的信号光再次经过梯度折射率微透镜阵列，信号光由分光元件进行色散处理后经成像透镜成像在面阵探测器上，面阵探测器接收待测膜层厚度的不同波段信号光，通过对信号光进行分析处理即可获知待测膜层平面度、均匀性、厚度信息。对于光学件进行膜层蒸镀时，降低膜层厚度实时监测难度，从而保证了测量精度能够满足要求。

Description

微透镜阵列的制备方法，薄膜厚度监测方法、系统及装置

技术领域

本申请属于光学技术领域，具体涉及一种梯度折射率微透镜阵列的制备方法，薄膜厚度监测方法、系统及装置。

背景技术

光学薄膜目前已经广泛地渗透到各个新兴的科技领域，光学薄膜具有良好的空间周期结构且易于进行设计，与其他技术相比拟，具有独特的优异性能。在制备光学薄膜器件时，对其实时进行光学特性测试十分重要，首先需要进行的就是薄膜厚度测量，即薄膜厚度监控技术。目前主流的薄膜厚度监控技术是利用光电极值法：利用检测透射率或者反射率，利用光信号极值来控制1/4波长或其整数倍膜厚的方法来测量薄膜厚度；该方法缺点：1实时在线监测精度不高，在5％-10％膜厚精度。2在极值点附近，厚度变化不灵敏，使得精度降低。3无法获得陪镀片上所镀膜层厚度是否均匀的特征。

发明内容

为解决背景技术中的问题，采取如下技术方案如下。

一种梯度折射率微透镜阵列制备方法，其特征在于：

所述制备方法包括以下步骤：

1)制备梯度折射率微透镜阵列用基础玻璃；

2)利用玻璃拉丝机对制备的基础玻璃进行拉丝，以制成直径介于0.5-2mm的基础玻璃丝；

3)将基础玻璃丝放入480-600℃的硝酸钾熔盐中进行离子交换，以将基础玻璃中的Cs⁺离子与熔盐中的K⁺离子发生位置置换，在基础玻璃丝内部形成从中心到边缘Cs⁺离子浓度从高到低的渐变梯度分布，以制作成梯度折射率透镜；

4)将Cs⁺离子交换好的基础玻璃丝进行三角形密集排列，形成含Cs⁺梯度折射率微透镜阵列母棒，其中在三根玻璃丝排列接触的区域形成三角形空隙，在所述空隙处插入吸光黑丝，以防止阵列玻璃透镜之间的光串扰；

5)把所述阵列母棒进行热熔压，使玻璃丝间相互粘接；

6)对梯度折射率微透镜阵列母棒进行切片，并对切面进行研磨、抛光，以形成梯度折射率微透镜阵列。

优选的，该步骤1)中所述基础玻璃包括10-50％的B₂O₃、3-15％的Al₂O₃、5-15％的WO₃、1-5％的InF₃、5-30％的Cs₂O、1-5％的Nd₂O₅、1-5％的Ta₂O₅、1-30的SiO₂，组分以mol百分数表示。

优选的，该步骤3)中，离子交换结束后，中心Cs⁺离子浓度为原始玻璃C^s+离子浓度，边缘Cs⁺离子浓度为0或接近0，玻璃丝从中心到边缘的折射率逐渐变低的分布。

本申请实施例提供一种薄膜厚度在线监测方法，其特征在于：包括：

利用可见光波段光源作为出射光源，

使用准直透镜对出射光源发出的不同波长的光束进行准直后入射至分光棱镜，经分光棱镜反射后的光线入射至梯度折射率微透镜阵列；所述梯度折射率微透镜阵列为面阵式分布，其每个梯度折射率微透镜对不同波长的光束进行聚焦，在轴向上形成与波长对应的焦点，每个梯度折射率微透镜在轴向上形成的与波长对应的焦点构成该波长的焦平面；

将待测薄膜放置于其中任一个波长对应的焦平面位置；

由待测薄膜反射的共聚焦光作为信号光再次进入梯度折射率微透镜阵列，经梯度折射率微透镜阵列折射后形成平行光并再次入射至分光棱镜；

使用准直透镜组对透过分光棱镜的信号光进行准直，再由分光元件进行色散处理后经成像透镜成像在面阵探测器上，面阵探测器接收待测膜层厚度的不同波段信号光，通过对信号光进行分析处理得到待测膜信息，所述待测膜信息包括待测膜层平面度、均匀性或厚度信息中的至少一种。该在线监测方法采用了梯度折射率微透镜阵列作为面阵色散元件，形成与不同波长对应的焦平面，该焦平面上每个微透镜的焦点处都会获得膜层厚度的一个采样点，通过梯度折射率微透镜阵列可同时获得了膜层面上与微透镜数量相同个数的采样点；该装置有多个检测和系统一体化方案，实现快照式面区域的形貌信息获取，具有微米甚至几十纳米的高度或位移分辨率。该方法可用于镀膜时膜厚检测，将薄膜厚度在线监测装置集成于镀膜设备内腔体上端，实时监测信号光并使用光谱仪对信号光的光谱数据进行处理，得到峰值波长与膜系厚度一一对应关系，从而实现膜层的精准控制。

优选的，该薄膜厚度(在线)监测方法中包括：

基于所述准直透镜组中设置的小孔阵列滤波器来滤除信号光中的杂散光。

本申请实施例提供一种使用上述薄膜厚度在线监测方法的在线监测光学系统。

优选的，该(在线)监测光学系统，其包括：

出射光源、准直透镜、分光棱镜、梯度折射率微透镜阵列、准直透镜组、分光元件及面阵探测器；

所述出射光源用以发出的不同波长的光束至准直透镜，

所述准直透镜用以将所述光束准直后入射至分光棱镜，

所述分光棱镜用以将经所述准直透镜后的光束反射后入射至梯度折射率微透镜阵列，其包括多个梯度折射率微透镜，每个梯度折射率微透镜在轴向上形成的与波长对应的焦点构成该波长的焦平面，其中任一个波长对应的焦平面位置上以放置待测薄膜；

由待测薄膜反射的共聚焦光作为信号光再次进入梯度折射率微透镜阵列，经梯度折射率微透镜阵列折射后形成平行光并再次入射至分光棱镜；

使用准直透镜组对透过分光棱镜的信号光进行准直，再由分光元件进行色散处理后经成像透镜成像在面阵探测器上，

面阵探测器接收的信号光经由光纤束传输至微型光谱仪中，微型光谱仪对采集的信号光光谱信息传送至数据处理器中。

优选的，该准直透镜组中设有小孔阵列滤波器，滤除信号光中的杂散光。

优选的，该梯度折射率微透镜阵列为面阵式分布，其每个梯度折射率微透镜对不同波长的光束进行聚焦，在轴向上形成与波长对应的焦点，每个梯度折射率微透镜在轴向上形成的与波长对应的焦点构成该波长的焦平面。

本申请实施例提供一种薄膜厚度监测装置，其搭载上述的监测(光学)系统。

有益效果

本申请方案的技术效果体现在：体积小巧，便于安装，且不需采用光纤传输光路，密封性能好。实现薄膜平面度实时快速在线监测；采用梯度折射率微透镜阵列排列在光轴方向进行色散，达到0.1μm级纵向检测精度。

附图说明

图1为本申请实施例的面阵式光谱共焦测量光学系统的示意图。

图2为本申请实施例的面阵式光谱共焦测量光学系统在镀膜装置中的应用示意图。

图3为本申请实施例的分光元件的结构示意图。

图4为本申请实施例的梯度折射率微透镜阵列横截面示意图。

图5为本申请实施例的梯度折射率微透镜相对纵向色差示意图。

图6为本申请实施例的梯度折射率微透镜结构示意图。

图7为本申请实施例的小孔滤光板结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

本申请公开一种微透镜阵列(也称梯度折射率微透镜阵列)的制备方法，薄膜厚度监测系统及装置。该方法利用光谱共焦技术，使用梯度折射率微透镜阵列将入射光离散为一系列焦点，将待测膜层置于焦点处，反射的信号光再次经过梯度折射率微透镜阵列，信号光由分光元件进行色散处理后经成像透镜成像在面阵探测器上，面阵探测器接收待测膜层厚度的不同波段信号光，通过对信号光进行分析处理即可获知待测膜层平面度、均匀性、厚度信息。对于光学件进行膜层蒸镀时，降低膜层厚度实时监测难度，从而保证了测量精度能够满足要求。

此外本申请公开一种梯度折射率微透镜阵列制备方法，其包括：

1)制作梯度折射率微透镜阵列选用的基础玻璃配方以mol百分数表示如下：10-50％的B₂O₃、3-15％的Al₂O₃、5-15％的WO₃、1-5％的InF₃、5-30％的Cs₂O、1-5％的Nd₂O₅、1-5％的Ta₂O₅、1-30％的SiO₂；

2)基础玻璃在玻璃拉丝机上进行拉丝，制成直径为0.5-2mm的基础玻璃丝；

3)基础玻璃丝进入480-600℃的硝酸钾熔盐中进行离子交换，基础玻璃中的Cs+离子和熔盐中的K+离子发生位置置换，在基础玻璃丝内部从中心到边缘形成Cs+离子浓度从高到低的渐变梯度分布，离子交换结束后，中心Cs+离子浓度为原始玻璃Cs+离子浓度，边缘Cs+离子浓度为0，因为Cs+离子浓度的渐变分布形成玻璃丝从中心到边缘的折射率渐变低分布，从而可以制作成梯度折射率透镜；

4)把Cs+离子交换好的基础玻璃丝进行三角形密集排列，根据梯度折射率微透镜阵列大小规划排丝数量，最终形成含Cs+梯度折射率微透镜阵列母棒，其中在三根玻璃丝排列接触的区域形成三角形空隙，在该空隙处插入吸光黑丝，防止阵列玻璃透镜之间的光串扰；

5)把4)步排布好的梯度折射率微透镜阵列母棒进行热熔压，使玻璃丝相互粘接；

6)对梯度折射率微透镜阵列母棒进行切片，经过对切面进行研磨、抛光，形成所的梯度折射率微透镜阵列。本方案中所述的三角形密集排列具体是指将基础玻璃丝接触排列在一起，排列后的横截面呈三角形分布。

下面结合附图及实施例对本申请做进一步描述：

实施例一：

如图1所示为本申请实施例的薄膜厚度监测系统(也称面阵式光谱共焦测量光学系统)的示意图，图2所示为该监测系统在装置中的截面示意，

该面阵式光谱共焦测量光学系统，包括：

出射光源1、准直透镜2、分光棱镜3、梯度折射率微透镜阵列4、准直透镜组7、分光元件9、成像透镜10、面阵探测器11。出射光源发出的不同波长的光束经过准直透镜之后入射至分光棱镜，经分光棱镜反射后光线入射至梯度折射率微透镜阵列；梯度折射率微透镜阵列为面阵式分布，其每个梯度折射率微透镜对不同波长的光束进行聚焦，在轴向上形成与波长对应的焦点；每个梯度折射率微透镜在轴向上形成的与波长对应的焦点构成该波长的焦平面，将待测陪镀片6上的薄膜5放置于其中任一个波长对应的焦平面位置；由待测薄膜反射的共聚焦光作为信号光再次进入梯度折射率微透镜阵列，经梯度折射率微透镜阵列折射后形成平行光并再次入射至分光棱镜；使用准直透镜组对透过分光棱镜的信号光进行准直，再由分光元件进行色散处理后经成像透镜成像在面阵探测器上。在具体的应用时，面阵探测器接收的信号光经由光纤束200传输至微型光谱仪300中(参见图2)，微型光谱仪对采集的信号光光谱信息传送至数据处理器400中；准直透镜组中设置有小孔滤光板8，小孔滤光板用于滤除信号光中的杂散光以及滤除未被共聚焦的光谱成分。一个应用实例为将面阵式光谱共焦测量光学系统配置在镀膜设备600中替换传统的采用光电极值法采用的膜系监测设备。集成后的面阵式光谱共焦测量光学系统100置于镀膜设伞架500的正上方。

出射光源可选白光光源，如卤素灯。分光棱镜选用半透半反透镜，以45度偏折角度设置在光路中将光束反射进入梯度折射率微透镜阵列；分光棱镜作用为使光轴偏转90°方向，便于压缩装置体积，便于对待测样品测量。梯度折射率微透镜阵列使得准直光在光轴方向进行色散，在各个膜层厚度表面进行聚焦，各膜层镀于陪镀片表面。小孔滤光板滤除杂散光以及滤除未被共聚焦的光谱成分后提高了监测装置横向以及纵向的分辨率。

工作原理为：针对多层膜厚度测量，两层薄膜厚度梯度折射率微透镜在光轴方向形成一系列共聚焦的点，即微透镜在光轴方向产生色散。针对梯度折射率微透镜，相对纵向色差由下式表示：

λ为波长，l₂为像距，λ₁聚焦于第一层膜5a上表面，λ₂聚焦于第一层膜与第二层膜5b的分界面，λ₃聚焦于第二层膜下表面。随后根据已标定好的波长与后截距之间关系，由λ₁，λ₂，λ₃对应计算得到d₁,d₂。对于多层膜系三维形貌的构建则依赖于梯度折射率微透镜阵列的横向分辨率，即单个微透镜尺寸越小，排布越紧密，则横向分辨率越高。对于获取膜层平面度，同一层膜不同位置厚度有所细微差别，所以平面度是检验镀膜是否均匀的指标。平面度可以通过梯度折射率微透镜阵列对于获取的不同深度信息计算得到。

则若一束单色平行光入射到径向折射率渐变透镜中，后截距可由下式表示：

其中l′为后截距，

为聚焦常数，z为透镜长度，n(0)为透镜中心折射率。其中

是一个随波长变化的变量，而常规公式过于复杂且不易于测试获得所需计算参数，所以提出如下方法。若

即

则l′＝0，λ＝λ₁,λ₂,λ₃…时，通过计算得到

该计算方法为针对梯度折射率微透镜相对纵向色差的计算方法，也建立了梯度折射率微透镜波长与色散之间的关系。

对于径向折射率渐变透镜折射率分布若满足理想折射率分布

则除了色差之外不存在传统透镜所具有的像差，能够成理想像。所以精度较高，检测精度较高，能够达到0.1μm轴向的检测精度。

分光元件的一个实例如图3所示，分光元件选用闪耀光栅9a，光栅9a的高度H，光栅周期T，该闪耀光栅截面面型为椭圆部分，椭圆长轴和短轴分别为a和b，如根据光谱分辨率得到光栅周期T为1μm，设计得到椭圆面型参数a5μm，b1μm。

如图4所示梯度折射率微透镜阵列横截面示意图，梯度折射率微透镜为圆柱形透镜4a，共有M行，N列，各微透镜之间间距为D，微透镜直径大小为R1，大小为10-20μm。空隙处插入吸光黑丝4b，吸光黑丝直径大小为R2，作用为防止阵列玻璃透镜之间的光串扰。

如图5所示为梯度折射率微透镜对于不同波长的光形成的相对纵向色差，λ₁,λ₂,λ₃波长的光后截距分别为F_S1,F_S2，及F_S3。利用梯度折射率微透镜纵向色差获得波长与后截距之间关系，获得方式为利用不同波长的单色光对梯度折射率微透镜进行标定处理。

如图6所示为单个梯度折射率微透镜结构图，长度为z，半径为R，采用此方式制作的梯度折射率微透镜色散范围大，对单色光成像球差小，纵向精度高。

如图7所示为小孔滤光板结构示意图，共有M行，N列，板高度为H。各小孔之间间距为D，上小孔8a/下小孔8b的半径大小分别为R1，大小分别为10-15μm。中间小孔半径大小为R2，大小为5-10μm。

现基于梯度折射率微透镜阵列，提出一种采用面阵式光谱共焦传感器高精度测量薄膜厚度的在线监测方法和装置，目前市面上未见有利用此装置利用在薄膜厚度测量应用。相较于传统的点共焦光谱共焦传感器，扫描便可在线迅速获得较大检测面积的各膜层厚度，能够实时在线监测膜层厚度是否均匀，而且精度最高可达到0.1μm量级，完全满足了实时在线高精度监测各膜系厚度及均匀性指标。

本申请基于梯度折射率微透镜阵列提出的一种新型薄膜厚度高精度(在线)监测的方法和装置，克服了光电极值法(在线)监测精度不高，无法获得膜层厚度是否均匀等因素，实现了薄膜厚度高精度监测。

上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

1)制备梯度折射率微透镜阵列用基础玻璃；

2)利用玻璃拉丝机对制备的基础玻璃进行拉丝，以制成直径介于0.5-2mm的基础玻璃丝；

3)将基础玻璃丝放入480-600℃的硝酸钾熔盐中进行离子交换，以将基础玻璃中的Cs⁺离子与熔盐中的K⁺离子发生位置置换，在基础玻璃丝内部形成从中心到边缘Cs⁺离子浓度从高到低的渐变梯度分布，以制作成梯度折射率透镜；

4)将Cs⁺离子交换好的基础玻璃丝进行三角形密集排列，形成含Cs⁺梯度折射率微透镜阵列母棒，其中在三根玻璃丝排列接触的区域形成三角形空隙，在所述空隙处插入吸光黑丝，以防止阵列玻璃透镜之间的光串扰；

5)把所述阵列母棒进行热熔压，使玻璃丝间相互粘接；

6)对梯度折射率微透镜阵列母棒进行切片，并对切面进行研磨、抛光，以形成梯度折射率微透镜阵列。

2.如权利要求1所述的微透镜阵列制备方法，其特征在于：

步骤1)中所述基础玻璃包括：

10-50％的B₂O₃、3-15％的Al₂O₃、5-15％的WO₃、1-5％的InF₃、5-30％的Cs₂O、1-5％的Nd₂O₅、1-5％的Ta₂O₅、1-30％的SiO₂，组分以mol百分数表示。

3.如权利要求1所述的微透镜阵列制备方法，其特征在于：

步骤3)中，离子交换结束后，中心Cs⁺离子浓度为原始玻璃C^s+离子浓度，边缘Cs⁺离子浓度为0或接近0，玻璃丝从中心到边缘的折射率逐渐变低的分布。

4.一种薄膜厚度监测方法，其特征在于：包括：

利用可见光波段光源作为出射光源，

使用准直透镜对出射光源发出的不同波长的光束进行准直后入射至分光棱镜，经分光棱镜反射后的光线入射至梯度折射率微透镜阵列；所述梯度折射率微透镜阵列为面阵式分布，其每个梯度折射率微透镜对不同波长的光束进行聚焦，在轴向上形成与波长对应的焦点，每个梯度折射率微透镜在轴向上形成的与波长对应的焦点构成该波长的焦平面；

将待测薄膜放置于其中任一个波长对应的焦平面位置；

由待测薄膜反射的共聚焦光作为信号光再次进入梯度折射率微透镜阵列，经梯度折射率微透镜阵列折射后形成平行光并再次入射至分光棱镜；

使用准直透镜组对透过分光棱镜的信号光进行准直，再由分光元件进行色散处理后经成像透镜成像在面阵探测器上，面阵探测器接收待测膜层厚度的不同波段信号光，通过对信号光进行分析处理得到待测膜信息，所述待测膜信息包括待测膜层平面度、均匀性或厚度信息中的至少一种。

5.如权利要求4所述的薄膜厚度监测方法，其特征在于：

基于所述准直透镜组中设置的小孔阵列滤波器来滤除信号光中的杂散光。

6.一种使用如权利要求4或5所述薄膜厚度监测方法的监测系统。

7.如权利要求6所述的监测系统，其特征在于包括：

出射光源、准直透镜、分光棱镜、梯度折射率微透镜阵列、准直透镜组、分光元件及面阵探测器；

所述出射光源用以发出的不同波长的光束至准直透镜，

所述准直透镜用以将所述光束准直后入射至分光棱镜，

所述分光棱镜用以将经所述准直透镜后的光束反射后入射至梯度折射率微透镜阵列，其包括多个梯度折射率微透镜，每个梯度折射率微透镜在轴向上形成的与波长对应的焦点构成该波长的焦平面，其中任一个波长对应的焦平面位置上以放置待测薄膜；

由待测薄膜反射的共聚焦光作为信号光再次进入梯度折射率微透镜阵列，经梯度折射率微透镜阵列折射后形成平行光并再次入射至分光棱镜；

使用准直透镜组对透过分光棱镜的信号光进行准直，再由分光元件进行色散处理后经成像透镜成像在面阵探测器上，

面阵探测器接收的信号光经由光纤束传输至微型光谱仪中，微型光谱仪对采集的信号光光谱信息传送至数据处理器中。

8.如权利要求7所述的监测系统，其特征在于，包括：

所述准直透镜组中设有小孔阵列滤波器，滤除信号光中的杂散光。

9.如权利要求7所述的监测系统，其特征在于，

所述梯度折射率微透镜阵列为面阵式分布，其每个梯度折射率微透镜对不同波长的光束进行聚焦，在轴向上形成与波长对应的焦点，每个梯度折射率微透镜在轴向上形成的与波长对应的焦点构成该波长的焦平面。

10.一种薄膜厚度监测装置，其搭载如权利要求7-9中任一项所述的监测系统。

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