CN201015002Y - 光学镀膜膜厚监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光学镀膜膜厚监控装置，其投光装置直接与镀膜机的光入射口连接或与分光器、反射镜箱连接用于将投光装置发出的光投射进镀膜机，镀膜机的光出射口连接一光传输部件与分光器的光入射口连接，分光器的光出射口再与光电信号转换装置的光入射口连接，或者镀膜机的出射光线通过反射镜箱将光反射入光电信号转换装置，光电信号转换装置的电信号输出端通过信号处理单元与计算机相连接。本实用新型提高了膜厚监测的稳定性和准确度，满足了高精度镀膜的要求。

Description

光学镀膜膜厚监控装置

技术领域

本实用新型属于光学镀膜实时监控领域，特别是涉及一种对利用光学镀膜蒸镀工件表面膜厚进行监测的装置。

背景技术

现有的膜厚计通常是模拟式的，没有计算机处理功能，稳定性和准确度很差，不适合连续多层镀膜。不能满足高精度镀膜的要求。另外现有的膜厚计光轴调试非常复杂，要花费用户或调试人员大量的时间。此外，现有的膜厚计还具有下列缺陷：1、光源发射部分通常采用的是卤钨灯泡，或是在卤钨灯泡后侧置一平面或弧面反射镜以便增强发射光线的亮度。由于卤钨灯本身发出的光线比较弱，而且光源在出射光孔方向发射的光线是散射光或经过反射产生的平行光，加之出射光孔透过的光束很小，绝大部分光线投射到光源箱壁上白白浪费，因此光能量的利用率低，而且出射的光线太弱，由此导致监控系统的光信号弱，监控识别难度大，效果差。

2、光源灯直接与电源连接，电源电压的波动导致光源的亮度不稳定，从而影响到光信号监测的精准性，致使膜厚监控效果差。

3、光源箱内散热措施效果不好，灯泡长时间连续工作导致光源箱温度过高，对供电电源阻抗增大，影响灯泡发光效果。

4、采用的卤钨灯泡在使用寿命后期发光性能显著降低，将直接影响到监控系统的信号质量，因此必须及时进行更换，但靠人工操作记忆，不能及时准确地掌握控制更换时间，其可靠性差。

5、用于调制光波的调制器通常采用运算放大器1同步电机作为调制盘的旋转动力，转速稳定性较差，由此造成调制光束的波长和频率不均匀，影响并降低了光信号的监测精度及监测效果。其次，调制盘上的光孔多为圆形或扇形结构，使调制后的光波为近似三角波曲线，其峰值经过滤波处理以后产生高次谐波，使信号产生波动，给信号的监测带来困难。

6、聚光镜箱中的聚光透镜，其聚光位置是固定而不可调的，当透过光线的随着不同镀膜机或者安装位置的变化时，由于无法调整透镜的焦距和倍率，而使投射到比较片上的光斑不均匀，不能全部投射到比较片上，由此造成光能损失，并导致光信号的衰减。

7、当发射的光束进入反射镜箱时，镜箱中因结构所致，使光束折反射路径多，光程长，导致光学器件多，结构复杂，制造成本高。其次，由于光轴的出射、反射角度难于调整，不能适应各种不同距离的光信号投射，因而对镀膜机型的适用范围小，且安装位置也受到很大限制。同时，在使用过程中调整难度大，不仅费时费力，效率低，而且难以快速准确可靠地将发射光信号投射到镀膜比较片上。

8、在光学镀膜监控系统中，光信号的强弱，光电转换的效率，对于监控系统的灵敏度及准确性起着非常重要的作用。而现有的技术中用于光电转换装置中的光接受传感器件通常采用的是光电倍增管，该元件体积大、占用空间多，而且使用这种元件必须配套高压电源，致使电路复杂，制作成本高。其次，传感器接受光路中的聚焦透镜多为固定安装，使得透镜聚焦点的投射距离无法调节，难以将光信号聚焦点精确的投到传感器的接受面上，造成光电信号转换效率低，容易产生信号衰减，由此影响整个监控系统的监测效果。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有计算机监控功能的光学镀膜膜厚监控装置，提高膜厚测量的稳定性和准确度，满足高精度镀膜的要求。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种光学镀膜膜厚监控装置，它包括投光装置、分光器、光电信号转换装置、信号处理单元和计算机，投光装置直接与镀膜机的光入射口连接或与分光器、反射镜箱连接用于将投光装置发出的光投射进镀膜机，镀膜机的光出射口连接一光传输部件与分光器的光入射口连接，分光器的光出射口再与光电信号转换装置的光入射口连接，或者镀膜机的出射光线通过反射镜箱将光反射入光电信号转换装置，光电信号转换装置的电信号输出端通过信号处理单元与计算机相连接。

所述的光学镀膜膜厚监控装置采用上置式上反射光路，投光装置、分光器、反射镜箱、光电信号转换装置组成入射/反射光路，各部件依次组装后装在镀膜机蒸镀腔的顶部，它是将入射光信号投射到镀膜比较片上，并由此形成发射光信号的光发射路径；再由光反射镜将投射到镀膜比较片上的光信号反射到与该镜箱连接的光电信号转换装置上，形成一个将反射光信号输出的光反射路径。

所述的光学镀膜膜厚监控装置也可采用下置式下反射光路，投光装置安装在镀膜机蒸镀腔的底部组成入射光路，它是将入射光束投射到镀膜比较片上，并由此形成发射光信号的光发射路径；分光器和与其连接的光电信号转换装置装在镀膜机蒸镀箱体的底部，分光器通过光缆及光缆接头与镀膜机蒸镀箱体光出射口连接，由此形成光反射路径。

所述的光学镀膜膜厚监控装置还可采用透射式光路，其光入射口与光出射口在镀膜机蒸镀箱体上下端对应设置，投光装置安装在镀膜机蒸镀箱体的底部或顶部组成入射光路，它由光入射口将入射光束投射到镀膜比较片上，并由此形成发射光信号的光发射路径；分光器采用光缆并通过光缆接头安装在与发射光路对应的镀膜机蒸镀箱体顶部或底部，并与光电信号转换装置连接，用于接受投射到镀膜比较片上的光透射信号，形成一个将发射光信号输出的光透射路径。

所述的投光装置由光源发射箱、调制器、聚光镜筒组成，在光源发射箱内设置有带聚光灯罩的卤钨灯具，箱体一侧通过支柱连接一带定速电机的调制器，调制器的输出光源端对应连接有聚光镜筒，镜筒内设有可以轴向移动调节的光学系统组件，聚光镜筒的光束输出端通过法兰盘装有定位连接件，所述卤钨灯具是由卤钨灯、带有椭球面的聚光灯罩和灯座组成，聚光灯罩的聚光面朝向灯座的光通道，并与灯座扣装相连，灯座的中心为具有光通道的中空腔，并与箱体前壁上设置的光源出射孔相通，灯座朝向光源的端面为一斜面，卤钨灯及灯罩斜置安装在该斜面上，所述聚光灯罩的聚光光轴与光束出射孔的出射光轴之间的夹角α为10～30°(根据椭球面曲率不同而不同)，所述调制器由调制器壳体、调制盘和定速电机组成，调制盘装在壳体内，定速电机装在壳体外，其输出轴与调制盘中心连接，调制盘的圆周均布矩形光孔，所述聚焦透镜组件是由聚光透镜、透镜固定座、调节螺钉组成，所述聚光镜筒的筒壁上设置有用于调节聚焦透镜组件轴向移动的调节孔，聚光透镜固装在透镜固定座上，其上安装的调节螺钉伸出调节孔外。

所述反射镜箱具有一个带有入射光通孔和出射光通孔的箱体，箱体内与入射光通孔和出射光通孔的对应处设置有一对光学面入射/反射镜，与该入射/反射镜相连接的是下端面为一斜面的镜座，镜座的顶部设有伸出镜箱外的用于调整入射/反射镜角度以及上下位置的调节组件，所述调节组件包括装在箱体壁上的可调节上下位置的拉簧弹力调节件及用于调节角度的顶丝调节件，顶丝调节件与镜座上端触接。

所述的光电信号转换装置由光学镜箱和信号转换箱两部分构成，二者之间的结合部位通过紧固件连接，其中，光学镜箱位于膜厚光信号传输部件的光束出射端，其内设有可以轴向移动调节的聚焦透镜组件，信号转换箱内设置有由支座支撑的光电信号转换电路板，箱体上设有接线柱，支座的中心带有与光学镜箱连通的光信号通道孔，所述聚焦透镜组件是由依次组装的聚焦透镜、透镜固定座、调节螺钉组成，所述光学镜箱的箱壁上对称设有用于调节聚焦透镜组件轴向移动的长槽孔。

所述光电信号转换电路包括：一个光接受传感器件，用于接受光信号并转换为电信号；一个大倍率的I/V变换电路，用于将光电流信号变换为电压信号；一个前置放大器，用于将I/V变换电路输出的电压信号进行初步放大。

所述的分光器具有一个分光箱体，箱体两侧壁上开有光束入射孔和光束出射孔，与入射孔和出射孔对应处装有进光狭缝盘和出光狭缝盘，中部装有分光光栅，在进光狭缝盘、出光狭缝盘和分光光栅上均装有步进电机，各步进电机通过传输线分别与设置在箱体外部的控制电路连接，所述控制电路包括：一个工控机，用于根据设定的分光器出光狭缝尺寸、进光狭缝尺寸及采用的光谱范围发出指令，并通过串口传输到单片机；一个单片机，用于译码并分别对驱动器发出控制脉冲信号；三个驱动器，分别用于带动进光狭缝盘、出光狭缝盘和分光光栅的步进电机，使之分别准确地移动到设定的位置。

所述的信号处理单元由程控放大器、滤波器、交流放大器、绝对值整流电路、直流放大器、A/D转换卡依次连接组成，程控放大器的输入端与光电信号转换装置的输出端相连接，直流放大的信号连接到A/D转换卡上，A/D转换卡与计算机相连接，所述程控放大器还与单片机相连接，用于接受单片机发出的增益调节信号。

本实用新型利用计算机进行膜厚监控，提高了膜厚监测的稳定性和准确度，满足了高精度镀膜的要求。通过与晶控的配合，完美的检测光亮值的变化，并根据镀膜材料的不同，自动设置增益，达到最大的精度，并且可以控制晶控来设置精确的蒸发速率，并且根据镀膜工艺的不同，设置不同的APC(压强自动控制器)，在镀膜过程中能够根据工艺的变化，在达到峰值点的时候实时计算出本层镀膜的实时折射率的变化，然后根据实时折射率的变化修正停止点的电压，达到高精度的要求。

本实用新型的光路可以简单调节，普通安装人员只需几分钟就可以完成光轴调试，并且可以在各种不同的镀膜机中都可以使用，并且可以保证比较片上的光斑大小一致，它对于比较片系统的要求很低，可以适应不同大小和数量的比较片控制系统。光学系统经过了通用性计算，只需更换不同焦距的透镜和镜筒就可以完成不同尺寸的镀膜机的对于光学系统的要求。在结构方面，光路系统可以使用上反射、下反射或透射。并且根据镀膜机的安装尺寸的限制，可以使用统一的镜箱，在安装位置拥挤的时候，可以非常容易的完成安装。使用带自动匀光投光器光纤传导的时候，可以使安装方法非常容易，并且能够保证发射和接收的角度足够小，保证了测试精度。

结构方面另一个典型的改进是采用了高亮度灯杯倾斜放置的方法，可以消除卤钨灯灯丝的中心光暗的问题，采用比较均匀的灯壁部分的反射光，可以显著增大亮度。

本实用新型电路方面使用了高增益低噪声的器件，在电路的布局和噪声的处理方面都进行了专门设计。光电信号转换装置采用了圆筒式结构，安装和调试都非常容易，并且容易确定中心受光点，采用光电信号转换装置前级放大和后级放大器分离的方法，可以达到更好的信号稳定性和精度。本实用新型采用了高性能窄带滤波器，可以有效的消除电子枪高强度亮光以及来自环境的噪声信号。本实用新型的光调制器可以有效地避免50HZ和60hz的电路噪声的干扰，使共模噪声得到了抑制，信号的稳定性显著提高。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型实施例3的结构示意图；

图4是投光装置的结构示意图；

图5是光源电路示意图；

图6是分光器结构示意图；

图7是分光器电路示意图；

图8是反射镜箱结构示意图；

图9是图8的俯视图；

图10是光电信号转换装置结构示意图；

图11是图10中的光电信号转换电路框图；

图12是信号处理单元的电路框图；

图13是程控放大器的电路框图；

图14是二阶滤波器的电路原理图。

具体实施方式

参看图1，图中各标号分别为：光源发射箱1、调制器2、聚光镜筒3、分光器4、反射镜箱5、光电信号转换装置6、连接支架7、比较片换位机构8、工作盘转动机构9、蒸镀腔10、转盘架11、比较片12、光学基件13、工件转盘14、信号处理单元15、计算机16。

图1所示是本实用新型实施例1的总装结构示意图，其膜厚监控装置采用的是上置式上反射光路，包括光源发射箱1、调制器2、聚光镜筒3、分光器4、反射镜箱5和光电信号转换装置6，各部件依次组装后安装在镀膜机蒸镀腔的顶部。在蒸镀监控过程中，由光源发射箱1射出的光束经过调制器2的调制扩频，再由聚焦镜筒3中聚焦透镜304的准直(参见图4)，投射到反射镜箱5中的入射光反射镜508上(参见图8)，并由此投射到比较片12上。由比较片12反射的膜厚光信号经反射镜箱5中的出射光反射镜505的反射(参见图8)，经分光器4处理后，传导进入光电信号转换装置6进行光电转换处理，再将转换后的电信号经电路系统处理后，即可提供给计算机进行处理、监控。图中的比较片换位机构8和工作盘转动机构9属镀膜机配套部件，为公知技术，其结构不再赘述。

参看图2，是本实用新型的实施例2的总装结构示意图，监控装置采用下置式下反射光路，是由光源发射箱1、调制器2和聚光镜筒3组成入射光路，各部件依次组装后安装在镀膜机蒸镀腔10的底部，它是将入射光束投射到镀膜比较片12上，并由此形成发射光信号的光发射路径；光反射路径的光信号输出是由分光器4和与其连接的光电信号转换装置6组成，分光器4通过光缆17及光缆接头18安装在镀膜机蒸镀腔12的底部。采用下置式光路，是将经聚光镜筒3准直的光束直接投射到比较片12上，由比较片12膜厚反射的光信号直接投到分光器4上，其中间无须设置反射镜箱，结构更加简单，也缩短了传导光程。

参看图3，是本实用新型的实施例3的总装结构示意图，监控装置采用透射式光路，是由光源发射箱1、调制器2、聚光镜筒3组成入射光路，各部件依次组装后安装在镀膜机蒸镀腔10的底部或顶部，它是将入射光束投射到镀膜比较片12上，并由此形成发射光信号的光发射路径；光透射路径的光信号输出是由分光器4和与其连接的光电信号转换装置6组成，分光器4采用光缆17并通过光缆接头18安装在与发射光路对应的镀膜机蒸镀腔10顶部或底部，用于接受投射到镀膜比较片12上的光反射信号，形成一个将发射光信号输出的光透射路径。采用透射方式采集膜厚光信号，可使传导光程大大缩短，也可减少蒸镀腔内的环境杂光及电子枪的强光对膜厚光信号的干扰。

参看图4、图5，光源发射箱101的前壁设有用于发射光束的光源出射孔109，内部设置有光源灯102，该光源灯102采用能够产生强光源高亮度的卤钨灯，卤钨灯上带有椭球面的聚光灯罩，灯座107固装在光源发射箱箱体101的前内壁上，灯座107的中心部位为带有光通道110的中空腔结构，其朝向光源的端面为一斜面，卤钨灯及灯罩斜置安装在该斜面上，使灯罩聚光的光轴与光束出射孔的出射光轴之间具有10～30°的夹角，这样可以避免因灯丝在出射光轴上成像而造成出射光束携带暗斑。卤钨灯位于椭球面聚光灯罩的后焦点上，卤钨灯发出的光线经过聚光灯罩的反射，其光线全部会聚在发射焦点上，可使光源的光强和色温达到最强状态。由于卤钨灯为强光源高亮度灯，长时间连续工作会产生很高的热量，当温度过高时则对电源产生阻抗，因而会造成电压损失，降低发光亮度，影响发射光束的光强，本案在光源发射箱101的侧壁分别对应设置了进风口106和散热出风口103，并在进风口106的对应处装有风机105，为使灯具各部散热均匀，缓解风机风力的直吹，在与进风口106对应的箱体内设置了风力缓冲挡板104，该挡板可与箱体侧壁之间形成进风通道，并在灯座107的圆周壁上布设了多个散热通气孔108，能有效地避免光源灯过热，保证发射光强及稳定性。

图5是光源电路连接示意图，光源是产生膜厚光信号的基础，因此对产生光的电源质量要求很高，如：稳定性要求电压在10～20秒波动不大于±1mV，1小时内的电压波动不大于±5mV；纹波电压Vrms≤1mV等等。因此，为满足光源稳定性的要求，在投光器的光源部分增设了高性能的电源恒定控制模块。在图中，该电路输入电源的电压为AC220V，通过电源输入导线111，经DC电源模块112及电流传感器114，使灯电源输出电压为DC12V。光源灯102通过导线与电源恒定控制模块112连接，电源模块采用的是DC稳压电源集成模块。另外，因光源灯102的使用寿命有限，即使降压使用，也只有几千小时，在使用寿命后期，其发光性能则大大降低，会导致膜厚监控系统对膜厚信号的错误判断而影响监控效果。为了能够准确的掌握和控制光源灯的使用时间，及时更换光源灯102，以保持镀膜监控系统始终处于良好状态，在光源灯102上加装了工作计时器116，该计时器是由依次连接的电流传感器114、计时器接口115和计时器116组成，其中电流传感器114套装在电源导线113上。当电源灯102工作时，电流传感器114输出一定幅度的电压信号，计时器116开始计时，并用数码管显示时间，计时器最大计时范围为9999.9小时，能够满足光源灯102的工作计时要求，计时器116的面板上设有复位按扭，更换新光源灯后，可以将计时器的记录时间调整归0。

调制器与光源发射箱之间装有用于隔热的支柱111，用于避免光源发射箱产生的较高温度对投射光束的影响。所述调制器包括调制器壳体201、调制盘202和定速电机203，调制盘202装在壳体201内，定速电机203装在壳体201外，其输出轴与调制盘202中心连接，调制盘202的圆周均布矩形光孔。调制盘202光孔采用矩形结构，调制后的光波曲线呈近似正弦曲线，以增强信号峰值的对比度，实现监测信号的高分辨率。安装的定速电机具有匀速调制光波的作用，通过定速电机203，带动调制盘202始终保持匀速旋转，可避免因调制盘202转速波动造成发射光信号频率的异常变化，从而达到调制光波频率均匀一致的最佳效果。与调制器的输出光源孔204端，对应连接有由镜筒301a、301b组成的聚光镜筒，两镜筒的结合部位通过紧固件连接，在镜筒301b内设有可以轴向移动调节的聚焦透镜组件，并在镜筒301b的筒壁上对应设置有调节孔305。聚焦透镜组件是由聚焦透镜304、透镜固定座302和调节螺钉303组成，聚光透镜304固装在透镜固定座302上，其上安装的调节螺钉303伸出调节孔305外。聚光镜筒301b的光束出射端通过法兰盘306固装有定位连接件307，通过定位连接件307可与镀膜机蒸镀腔的底板上的入射光孔连接并相通，可将出射光束投射到蒸镀腔内的镀膜比较片上。也可通过定位连接件307与分光器4连接，通过分光器4经反射镜箱5(参见图1)，将出射光束投射到蒸镀腔内的镀膜比较片上。当调制光谱带范围变化时，可以通过调整移动聚光透镜304的位置，使经过聚焦的光斑全部投射在镀膜比较片上，并使投射到比较片上的光亮度增强，从而可避免因聚焦光斑弥散面积过大造成的投光信号损失，使投射到比较片上的光斑大小始终保持在最佳状态，并能提高投射光信号的均匀性和稳定性，以此提高膜厚的监测和控制效果。

参看图6，是分光器结构示意图，在上置式上反射光路中，分光器的安装位置为前置式，在下置式下反射光路中，分光器的安装位置为后置式。分光器包括箱体401、进光狭缝盘402a、出光狭缝盘402b、步进电机403、光栅组件404、箱体401两侧的箱壁上分别设有光信号入射孔405和光信号输出孔406，两孔对应部位分别装有进光狭缝盘402a和出光狭缝盘402b，狭缝盘和分光光栅404的转动均由步进电机驱动。

由于灯光源产生的光信号是全色谱光信号，波长范围在380nm-1100nm，膜厚仪用来监控镀制的膜层厚度，需要针对膜层的单色光谱进行监控。单色仪的作用是接收比较片反射的全光谱光信号，进入单色仪以后，通过单色仪分光光栅404的衍射产生单色光谱光信号送出到前置放大器。进光狭缝盘402a、出光狭缝盘402b和分光光栅404这三个可调机构是通过步进电机403及步进电机的控制电路完成自动控制。

首先根据需要镀制的膜层参数对单色仪进行预先设定，设定单色仪的出光狭缝尺寸、进光狭缝尺寸及采用的光谱是多少nm。参看图7，步进电机通过驱动器与单片机U连接，并由计算机进行程序控制。由计算机发出指令通过RS232串口至单片机U，单片机U译码后分别对驱动器1、驱动器2、驱动器3发出控制脉冲信号，由驱动器带动各自的步进电机，达到预定的位置停止转动，完成对单色仪的自动设置。

参看图8、图9，是反射镜箱结构示意图。本实用新型的光轴反射镜箱具有一个带有入射光通孔509和出射光通孔504的箱体501，箱体501内与入射光通孔509和出射光通孔504的对应处设置有一对光学面入射/反射镜，其中，光入射镜508用于将由镜箱外部投光器射入的光信号反射到镀膜比较片上，形成发射光信号的光发射路径；光反射镜505用于将投射到镀膜比较片上的光信号反射到镜箱外部的光电信号转换装置上，形成一个将反射光信号输出的光反射路径。与光入射镜508连接的是镜座507、与光反射镜505连接的镜座是506，两镜座下端面均为一斜面，入射/反射镜分别固装在该斜面上，镜座506、507的顶部伸出镜箱外设有用于调整入射/反射镜角度以及上下位置的调节组件，该组件包括装在箱体壁上的可调节上下位置的拉簧弹力调节件503及三个用于调节角度的顶丝调节件502，镜座506、507分别通过拉簧弹力调节件503可实现镜座上下位置的调节，顶丝调节件502通过紧固件与箱体501的上壁连接，下端顶紧在镜座的上端面上，借助顶丝调节件502三点定面的作用，能够方便地调整入射/反射镜的角度。设置的调节组件不仅能够满足调整反射镜的上下位置和角度的要求，并由此可将入射光信号准确地投射在镀膜比较片上，同时将经镀膜比较片反射的膜厚光信号准确地反射到光电信号转换装置上，从而为监控镀膜的膜厚提供准确的监测光信号。

参看图10，是光电信号转换装置结构示意图。光电信号转换装置是由光学镜箱601和信号转换箱609两部分构成，信号转换箱609通过紧固件与光学镜箱601的光束出射端连接，光学镜箱601固装在膜厚光信号传输部件的光束出射端，镜箱内设置有可以轴向移动调节的聚焦透镜组件，该组件包括依次组装的透镜座602、聚焦透镜604和调节螺钉603。在光学镜箱601的箱壁上对应设有用于调节聚焦透镜组件的长槽孔612。当入射光波带宽需要变化时，由聚焦透镜604将由光信号传输部件分离出来的平行光进行聚焦，焦点弥散斑的大小可根据光接受传感器件605的光接受面确定，这样可使投射光线的聚焦点始终在传感器的受光面上。信号转换箱609内设置有用于光电信号转换的电路板606、电路板支座607和支座压套608，支座的中心带有与光学镜箱601连通的光信号通道孔，通道孔壁上可涂抹吸光表层，以避免产生杂光影响光信号的质量。

结合图10，参看图11，是光电信号转换的电路框图，图中，光电转换电路板606上的电路包括：用于接受光信号并转换为电信号的光接受传感器件605，将交流电信号变换为直流电信号的大倍率的I/V变换电路613，将I/V变换电路输出的电压信号进行初步放大的前置放大器614，各元器件均装在电路板上，并通过箱体上的接线柱610、611，将信号传输线与信号转换箱体609外部的信号处理系统连接。为提高膜厚信号的转换效率，装在电路板606上的光接受传感器件605采用的是高灵敏度、能够适应不同宽波长范围的硅光二极管。由于光源发出的光束经过长距离的传导和镀膜的反射，发射到传感器上的光信号非常微弱，经传感器上产生的电流仅能达到pA～nA数量级，采用通常的串联电阻获取电压的方法根本无法测到信号变化。因此，本案的光电信号转换电路是在光接受传感器件605的信号输出端连接了一个大倍率的I/V变换电路613，可使100pA的输入电流对应20mV的输出电压。同时，在I/V变换电路输出端连接了一个前置放大器614，可对I/V变换电路输出的信号电压进行初步放大，前置放大器采用精密运放的反相放大器，可增益50倍左右。这样，对应于100pA的光电流，使光电转换器的输出电压可达到1500mV，从而为信号的后续处理创造有利条件。采用这种电路设计，可以直接使用普通直流电源，不但安全可靠性强，而且可以简化结构，降低成本。

如图12所示，是信号处理单元的电路框图。在光电信号转换装置中的光电转换电路将转换的电信号进行前置后，再经信号处理单元处理后输入计算机。如图12所示，信号处理单元由程控放大器、滤波器、交流放大器、绝对值整流电路、直流放大器、A/D转换卡依次连接组成，程控放大器的输入端与光电信号转换装置的输出端相连接，A/D转换卡的输出端与计算机相连接。所述程控放大器还与单片机U相连接，用于接受单片机U发出的增益调节信号。

由于被检测的弱信号幅值是会发生变化的。根据镀膜的要求，有时需要对单色仪输出波长进行选择，光电二极管对应不同的波长有不同的转换效率，光电二极管输出的电流也随之发生变化，这就要求对放大器的放大倍率进行调整。程控放大器由单片机U控制的两位数字电位器1、数字电位器2和两级运算放大器1、运算放大器2组成，如图13所示，它是利用计算机来自动调整放大器的放大倍率。这种调整方法是通过主控计算机与单片机U之间的通讯协议，调用单片机U内部的程序来设置数字电位器，通过改变数字电位器值达到调整运算放大器的放大倍率的目的。

镀膜系统的噪声主要来源于两个方面：1.光源带来的噪声：镀膜中电子枪打开后产生的光干扰，干扰频率是随机的且光亮度很高。2.电路本身产生的噪声：这种噪声不是由电路制作方法或外部的电磁场等干扰带来的噪声，而是运算放大器和电阻等器件内部产生的噪声，这种噪声从本质的意义上讲称为固有噪声，并且在任何频率上都均匀分布，这个特性成为白噪声。为此，需要对信号进行滤波。本实用新型中滤波器采用八阶带通滤波器。图14所示的是一个MAX274二阶滤波单元，八阶滤波器是由4个二阶滤波单元组合而成。按设计要求，对八阶滤波器的中心频率Fc、通频带顶宽Fbw、通带底宽Fsw、带内波动Amax、带外衰减Amin等参数进行正确设计，输入设计参数后得到每一个二阶滤波单元的中心频率、Q值，以及每个二阶滤波单元外围元件R1、R2、R3、R4的阻值。

带通滤波器用来选择调制器的调制频率，滤除杂光以及电路产生的干扰。由于调制器采用同步电机驱动，频率很稳，所以可以把这级滤波器的带宽设计的得很窄，对调制器调制频率以外的无用信号产生很大抑制，从而得到比较干净的有用信号。在传统的膜厚仪电路中使用了二阶滤波器和锁相环电路来处理电路噪声和频率误差，但在噪声处理能力上还是不足，影响输出信号的稳定性。通过八阶滤波器可以实现很窄的频带宽度、平坦的带内波动、极大的带外衰减，从而最有效地抑制噪声。

绝对值整流电路是由运放构成的精密绝对值电路，使输入的交流信号完整地变换为脉动直流信号，完成交流到直流的转换工作。直流放大器把绝对值电路输出的直流信号进一步放大，以满足A/D转换卡所需要的直流电平信号。

利用本实用新型进行光学镀膜膜厚监测的方法包括以下步骤：

1、首先根据如TFCalc和Essential Macleod软件的设计文件导入到光学膜厚控制器的计算机中，形成准备镀膜的工艺文件；

2、在镀膜机的真空系统准备完成以后，可以开始镀膜的时候，用户开始执行蒸镀操作(在控制计算机中点击执行工艺)；

3、开始蒸镀之前，计算机根据工艺要求，通过串行口控制单片机系统(如需要转换到监控波长600nm，则发送给串口命令串m100600(十六进制0d)，则单片机系统在接受到命令以后开始发送转动信号，控制步进电机开始旋转，然后旋转到指定的监控波长)，设置监控波长值和滤光片(用于过滤二次光)；

4、计算机通过计算机A/D采集卡采集放大电路放大的电压变化信号(对应的光亮值变化信号)，并转换为反射率，根据当前层镀膜材料的不同，设置不同的增益(发送串口命令给单片机U，如增益为30，则发送串口命令m230(十六进制0d)，单片机U在检测到该命令以后，发送命令给数字电位器，并且调节数字电位器的阻值，电路根据阻值变化转换为增益变化；

5、发送转换坩锅命令给坩锅控制器，旋转坩锅.到指定工艺位置，控制左右两套坩锅，每套坩锅有若干个坩锅组成，每个坩锅放置不同的膜料，计算机通过IO端口发送BCD码进行坩锅切换；

左右坩锅	BCD1	BCD2	BCD3	BCD4	BCD5	…
							0表示左，1表示右	根据BCD码顺序表示，00000表示1，00001表示2.依次类推

举例说明

坩锅号	对应BCD码(二进制表示)
			左边一号坩锅	000000	每位二进制位对应一个IO端口
右边10号坩锅	101010

6、通过IO端口输出脉冲信号，控制镀膜机电子枪打开，通过另外一个IO端口打开束流，开始预熔作业；根据用户在膜厚计中设定的的5段预熔工艺，计算机通过D/A转换输出电子枪的束流值，开始预定的自动预熔工艺；

7、在预熔完成以后，将电子枪控制权交给晶控进行束流控制，通知电路切换继电器将控制信号切换到晶控，晶控将根据膜厚计通过串口发送的速率控制命令进行蒸发速率控制；(通过RS232串行口发送串口命令，根据晶控的不同，串口命令也不相同)；

8、在膜厚计发送开始镀膜信号，检测到打开挡板的信号的时候开始，膜厚计开始根据A/D采集卡，检测光亮值的变化，并将实时曲线显示在屏幕上；

9、计算机软件根据光亮值的变化，进行计算，当计算到蒸镀进行到峰值点的时候，自动计算出实时折射率，并且自动修正停止点光亮值，并且自动修正理论曲线；

10、蒸镀继续进行，根据提前设置好的蒸镀工艺，A/D采集卡接收到预先计算的停止点电压的时候，计算机发送关挡板命令，并且通知通过串口发送命令控制晶控，停止该层的蒸镀；

11、该层停止，根据工艺蒸镀状态要求，是否自动开始进行下一层的蒸镀，如果是auto开始，那么就开始蒸镀继续发送蒸镀命令开始镀制下一层，重复3～10的操作，直到所有工艺停止。

Claims (10)

1.一种光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于，它包括投光装置、分光器、光电信号转换装置、信号处理单元和计算机，投光装置直接与镀膜机的光入射口连接或与分光器、反射镜箱连接用于将投光装置发出的光投射进镀膜机，镀膜机的光出射口连接一光传输部件与分光器的光入射口连接，分光器的光出射口再与光电信号转换装置的光入射口连接，或者镀膜机的出射光线通过反射镜箱将光反射入光电信号转换装置，光电信号转换装置的电信号输出端通过信号处理单元与计算机相连接。

2.如权利要求1所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于，所述的膜厚监测自动控制系统采用上置式上反射光路，投光装置、分光器、反射镜箱、光电信号转换装置组成入射/反射光路，各部件依次组装后装在镀膜机蒸镀腔的顶部，它是将入射光信号投射到镀膜比较片上，并由此形成发射光信号的光发射路径；再由光反射镜将投射到镀膜比较片上的光信号反射到与该镜箱连接的光电信号转换装置上，形成一个将反射光信号输出的光反射路径。

3.如权利要求1所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于，所述的膜厚监测自动控制系统采用下置式下反射光路，投光装置安装在镀膜机蒸镀腔的底部组成入射光路，它是将入射光束投射到镀膜比较片上，并由此形成发射光信号的光发射路径；分光器和与其连接的光电信号转换装置装在镀膜机蒸镀腔的底部，分光器通过光缆及光缆接头与镀膜机蒸镀腔光出射口连接，由此形成光反射路径。

4.如权利要求1所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于，所述的膜厚监测自动控制系统采用透射式光路，其光入射口与光出射口在镀膜机蒸镀腔上下端对应设置，投光装置安装在镀膜机蒸镀腔的底部或顶部组成入射光路，它由光入射口将入射光束投射到镀膜比较片上，并由此形成发射光信号的光发射路径；分光器采用光缆并通过光缆接头安装在与发射光路对应的镀膜机蒸镀腔顶部或底部，并与光电信号转换装置连接，用于接受投射到镀膜比较片上的光透射信号，形成一个将发射光信号输出的光透射路径。

5.如权利要求1、2、3或4所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于，所述的投光装置由光源发射箱、调制器、聚光镜筒组成，在光源发射箱内设置有带聚光灯罩的卤钨灯具，箱体一侧通过支柱连接一带定速电机的调制器，调制器的输出光源端对应连接有聚光镜筒，镜筒内设有可以轴向移动调节的聚焦透镜组件，聚光镜筒的光束输出端通过法兰盘装有定位连接件，所述卤钨灯具是由卤钨灯、带有椭球面的聚光灯罩和灯座组成，聚光灯罩的聚光面朝向灯座的光通道，并与灯座扣装相连，灯座的中心为具有光通道的中空腔，并与箱体前壁上设置的光源出射孔相通，灯座朝向光源的端面为一斜面，卤钨灯及灯罩斜置安装在该斜面上，所述聚光灯罩的聚光光轴与光束出射孔的出射光轴之间的夹角α为10～30°，所述调制器由调制器壳体、调制盘和定速电机组成，调制盘装在壳体内，定速电机装在壳体外，其输出轴与调制盘中心连接，调制盘的圆周均布矩形光孔，所述聚焦透镜组件是由聚光透镜、透镜固定座、调节螺钉组成，所述聚光镜筒的筒壁上设置有用于调节聚焦透镜组件轴向移动的调节孔，聚光透镜固装在透镜固定座上，其上安装的调节螺钉伸出调节孔外。

6.如权利要求1、2、3或4所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于：所述的光电信号转换装置由光学镜箱和信号转换箱两部分构成，二者之间的结合部位通过紧固件连接，其中，光学镜箱位于膜厚光信号传输部件的光束出射端，其内设有可以轴向移动调节的聚焦透镜组件，信号转换箱内设置有由支座支撑的光电信号转换电路板，箱体上设有接线柱，支座的中心带有与光学镜箱连通的光信号通道孔，所述聚焦透镜组件是由依次组装的聚焦透镜、透镜固定座、调节螺钉组成，所述光学镜箱的箱壁上对称设有用于调节聚焦透镜组件轴向移动的长槽孔。

7.如权利要求6所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于：所述光电信号转换电路包括：一个光接受传感器件，用于接受光信号并转换为电信号；一个大倍率的I/V变换电路，用于将交流电信号变换为直流电信号；一个前置放大器，用于将I/V变换电路输出的电压信号进行初步放大。

8.如权利要求1、2、3或4所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于：所述反射镜箱具有一个带有入射光通孔和出射光通孔的箱体，箱体内与入射光通孔和出射光通孔的对应处设置有一对光学面入射/反射镜，与该入射/反射镜相连接的是下端面为一斜面的镜座，镜座的顶部设有伸出镜箱外的用于调整入射/反射镜角度以及上下位置的调节组件，所述调节组件包括装在箱体壁上的可调节上下位置的拉簧弹力调节件及用于调节角度的顶丝调节件，顶丝调节件与镜座上端触接。

9.如权利要求1、2、3或4所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于，所述的分光器具有一个分光箱体，箱体两侧壁上开有光束入射孔和光束出射孔，与入射孔和出射孔对应处装有进光狭缝盘和出光狭缝盘，中部装有分光光栅，在进光狭缝盘、出光狭缝盘和分光光栅上均装有步进电机，各步进电机通过传输线分别与设置在箱体外部的控制电路连接，所述控制电路包括：一个工控机，用于根据设定的分光器出光狭缝尺寸、进光狭缝尺寸及采用的光谱范围发出指令，并通过串口传输到单片机；一个单片机，用于译码并分别对驱动器发出控制脉冲信号；三个驱动器，分别用于带动进光狭缝盘、出光狭缝盘和分光光栅的步进电机，使之分别准确地移动到设定的位置。

10.根据权利要求1、2、3或4所述的光学镀膜膜厚监控装置，其特征在于：所述的信号处理单元由程控放大器、滤波器、交流放大器、绝对值整流电路、直流放大器、A/D转换卡依次连接组成，程控放大器的输入端与光电信号转换装置的输出端相连接，A/D转换卡的输出端与计算机相连接，所述程控放大器还与单片机相连接，用于接受单片机发出的增益调节信号。

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