CN217738501U

CN217738501U - 一种实时测量薄膜应力的装置及镀膜机

Info

Publication number: CN217738501U
Application number: CN202221297891.8U
Authority: CN
Inventors: 刘浩; 刘书琴
Original assignee: Chengdu Zhigui Optoelectronics Co ltd
Current assignee: Chengdu Zhigui Optoelectronics Co ltd
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2032-05-26

Abstract

本实用新型公开了一种实时测量薄膜应力的装置及镀膜机，属于光学薄膜的检测领域，包括悬臂梁玻璃和控制器，悬臂梁玻璃一端固定，悬臂梁玻璃配套光源和线性CCD使用，光源发出的光经过悬臂梁玻璃反射后，能照射到线性CCD上。本实用新型的有益效果是：采用悬臂梁玻璃作为待测样品主体，利用反射光在线性CCD上的偏移量计算得到悬臂梁玻璃的翘曲度，进一步计算出薄膜应力，无须使用昂贵的激光干涉仪，大幅降低了设备成本，可用于薄膜应力的快速测量，还可直接安装在镀膜机中。

Description

一种实时测量薄膜应力的装置及镀膜机

技术领域

本实用新型涉及光学薄膜的检测领域，具体而言，涉及一种实时测量薄膜应力的装置及镀膜机。

背景技术

应力是光学薄膜的重要性能参数之一，可能是膜裂或脱膜等不良产品发生的原因。对薄膜的应力进行测量对指导镀膜工艺有重要价值。

现阶段用于测量光学薄膜应力的主要方法基于激光干涉仪测量面型，具体而言，选一较平整的玻璃片作陪镀片，镀膜之前采用激光干涉仪测量面型，在镀膜后再次测量面型；比较镀膜前后陪镀片面型的曲率半径，由的曲率半径，由Stoney公式计算薄膜应力。一次典型的面型测量包括如下步骤：(1)粗调，将待测样品与标准镜大致对齐，通常根据待测样品反射光斑的位置进行调节；(2)细调，将待测样品与标准镜调至平行，通常根据待测样品与标准镜的干涉条纹进行调节；(3)测量，采用移相法对标准镜进行多步细微移动，测量不同位置对应的干涉条纹亮度，最终计算待测样品的面型。其存在激光干涉仪成本高、面型测量过程繁琐的问题，限制了薄膜应力测量的应用，例如，如无法对沉积的薄膜进行应力在线监测。

因此，如何降低薄膜应力测量成本，提高测量速度，使其可用于在线监测，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

为克服现有技术中薄膜应力测量方法成本高、过程繁琐，以及无法对沉积的薄膜进行在线应力测量的问题，本实用新型提供了一种实时测量薄膜应力的装置，包括悬臂梁玻璃和控制器，悬臂梁玻璃一端固定，悬臂梁玻璃与光源和线性CCD配套使用，使光源发出的光经过悬臂梁玻璃反射后，能照射到线性CCD上。

其中，待测样品主体是悬臂梁玻璃，即一种光学玻璃，材料为BK7、石英或其它材质，双面抛光，且长度是宽度5倍以上，宽度是厚度10倍以上，典型的悬臂梁玻璃规格为100*10*0.5mm，其他满足上述条件要求的尺寸也均可行。

此装置可用于薄膜应力的快速测量，还可直接安装在镀膜机中，利用镀膜过程中悬臂梁玻璃的翘曲，实现对薄膜应力的实时监测，从而可即时对镀膜参数进行调整，保障产品面型，对于面型要求严苛的场合，将大幅提高成品率。

其中，固定座用于对悬臂梁玻璃一端固定，其主要特征有：(1)便于悬臂梁玻璃的安装和拆卸；(2)能对悬臂梁玻璃定位，即悬臂梁玻璃每次都能卡在相同位置。凡是满足以上条件的固定座均可行。

下面介绍一种典型的固定座结构，所述固定座包括座体、滑块和弹簧，所述滑块通过所述弹簧安装在所述座体内并可在所述座体内沿所述弹簧伸缩方向移动；

所述弹簧处于无外力作用时，所述滑块上远离所述弹簧一侧表面将悬臂梁玻璃一端压在所述座体一表面上；所述弹簧处于压缩状态时，所述滑块上远离所述弹簧一侧表面与所述座体一表面形成可供悬臂梁玻璃一端安装或卸下的定位槽。

优选地，将所述悬臂梁玻璃置于真空室，光源与线性CCD置于真空室外，光线通过真空室玻璃窗口进行光路的传输。

优选地，将所述悬臂梁玻璃、光源与线性CCD置于真空室内，所述真空室内还设有用于对光源和线性CCD进行高温防护的循环冷却水装置。

优选地，所述光源和线性CCD分别位于所述悬臂梁玻璃两侧，镀膜过程中反射光在线性CCD上左右偏移。

优选地，所述光源和线性CCD位于所述悬臂梁玻璃正上方且沿所述悬臂梁玻璃长度方向前后设置，镀膜过程中反射光在线性CCD上上下偏移。

优选地，所述悬臂梁玻璃材质为玻璃、石英、亚克力、PC、塑料、金属等具有光学表面的材料，如BK7。

优选地，所述悬臂梁玻璃规格为100*10*0.5mm，或其它满足长度远大于宽度、宽度远大于厚度的规格。

本实用新型还提供了一种镀膜机，设置有上述装置进行薄膜应力实时测量，还包括控制器，所述控制器输入端与所述线性CCD输出端相连，对CCD输出信号实时处理和计算，得到当前薄膜的应力值并输出，便于镀膜机参数做出调整。

优选地，线性CCD感知到反射到其上的光线后，读取反射光在其上的坐标，并将坐标值传送给控制器；

控制器根据在悬臂梁玻璃上镀膜前后反射光的偏移量，计算出薄膜的应力值。

优选地，控制器根据镀膜前后反射光的偏移量，计算出悬臂梁玻璃的翘曲度，并利用如下公式计算出薄膜应力：

其中，E_S是悬臂梁玻璃的杨式模量，v_s是悬臂梁玻璃的泊松比，t_s是薄膜厚度，L_S和ΔL分别是悬臂梁玻璃的长度和翘曲度。

优选地，在悬臂梁玻璃表面进行镀膜时，控制器实时获取反射光的偏移量，对镀膜形成的薄膜应力值进行实时监测。

其中，光源发射的光有三个特性：(1)近似平行光；(2)近似线光源；(3)光能被线性CCD感知。典型的如激光、经过整形后的白光光源，凡是满足以上特性的光源均可使用。

优选地，所述光源发生的光为平行光或近似平行光。光源近似平行光，近似线光源，在玻璃发生翘曲时能防止光斑偏离CCD的探测范围。

有益效果：

采用本实用新型技术方案产生的有益效果如下：

(1)采用悬臂梁玻璃作为待测样品主体，利用反射光在线性CCD上的偏移量计算得到悬臂梁玻璃的翘曲度，进一步计算出薄膜应力，无须使用昂贵的激光干涉仪，大幅降低了设备成本；

(2)该应力测量装置可用于薄膜应力的快速测量，还可直接安装在镀膜机中，利用镀膜过程中悬臂梁玻璃的翘曲，实现对薄膜应力的实时监测，从而可即时对镀膜参数进行调整，保障产品面型，对于提高对面型要求严苛的场合，将大幅提高成品率，比如大口径激光元器件的镀膜生产；

(3)利用线性CCD对反射光的偏移量进行感知，并由此得到悬臂梁玻璃的翘曲度，操作方便，测量速度快，可进行实时测量；

(4)利用固定座卡住悬臂梁玻璃一端，便于安装及卸下悬臂梁玻璃。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式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实用新型的某些实施例，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是本实用新型较佳之薄膜应力测量的工艺流程图；

图2是本实用新型较佳之薄膜应力测量装置结构连接图；

图3是本实用新型较佳之薄膜应力测量的装置结构示意图；

图4是本实用新型较佳之固定座立体结构示意图一；

图5是本实用新型较佳之固定座立体结构示意图二。

图中，1、悬臂梁玻璃；2、光源；3、线性CCD；4、控制器；5、固定座；6、镀膜机。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

本实施方式采用悬臂梁玻璃作为待测样品主体，利用反射光在线性CCD上的偏移量计算得到悬臂梁玻璃的翘曲度，进一步计算出薄膜应力，无须使用昂贵的激光干涉仪，大幅降低了设备成本；可用于薄膜应力的快速测量，还可直接安装在镀膜机中，利用镀膜过程中悬臂梁玻璃的翘曲，实现对薄膜应力的实时监测，从而可即时对镀膜参数进行调整。具体实施方式如下：

如图1和2所示，实时测量薄膜应力的方法，包括悬臂梁玻璃1，悬臂梁玻璃1一端固定，悬臂梁玻璃1与光源2和线性CCD 3配套使用，使光源2发出的光经过悬臂梁玻璃1反射后，照射到线性CCD 3上；

线性CCD 3感知到反射到其上的光线后，读取反射光在其上的坐标，并将坐标值传送给控制器4；

控制器4根据在悬臂梁玻璃1上镀膜前后反射光的偏移量，计算出薄膜的应力值。具体步骤如下：

步骤S101，将悬臂梁玻璃一端固定，线性CCD读取反射光的坐标并将其传送给控制器；

步骤S102，在悬臂梁玻璃的一面镀膜，线性CCD实时读取反射光的坐标并将其传送给控制器；

步骤S103，控制器根据在悬臂梁玻璃上镀膜前后反射光的偏移量，实时计算出薄膜的应力值。将其集成到镀膜机6上时，控制器4根据镀膜情况调整镀膜机6的镀膜参数。

其中，待测样品主体是悬臂梁玻璃，具体可以是玻璃、石英、亚克力、PC、塑料、金属等具有光学表面的材料，如材料为BK7，双面抛光，且长度远大于宽度、宽度远大于厚度，典型的悬臂梁玻璃规格为100*10*0.5mm，其他满足上述条件要求的尺寸也均可行。

该方法可用于薄膜应力的快速测量，还可直接安装在镀膜机中，利用镀膜过程中悬臂梁玻璃的翘曲，实现对薄膜应力的实时监测，从而可即时对镀膜参数进行调整，保障产品面型，对于面型要求严苛的场合，将大幅提高成品率。

其中，控制器4根据镀膜前后反射光的偏移量，计算出悬臂梁玻璃的翘曲度，并利用如下公式计算出薄膜应力：

作为一种优选的实施方式，在悬臂梁玻璃表面进行镀膜时，控制器实时获取反射光的偏移量，对镀膜形成的薄膜应力值进行实时监测，这里对薄膜应力的测量是实时的和动态的。

其中，光源发射的光有三个特性：(1)近似平行光；(2)近似线光源；(3)光能被线性CCD感知，典型的如激光、经过整形后的白光光源，凡是满足以上特性的光源均可使用。

作为一种优选的实施方式，所述光源发生的光为平行光或近似平行光。光源近似平行光，近似线光源，在玻璃发生翘曲时能防止光斑偏离CCD的探测范围。

作为一种优选的实施方式，所述光源和线性CCD分别位于所述悬臂梁玻璃两侧，镀膜过程中反射光在线性CCD上左右偏移。

在初始状态下，光源发出的光经悬臂梁玻璃反射后，照射到CCD中央附近的位置；镀膜后，受膜层应力作用，玻璃发生弯曲，反射光会发生偏移。视薄膜应力为压应力或张应力，反射光会向左或向右偏移。其偏移量与玻璃的翘曲程度线性相关。

作为一种优选的实施方式，所述光源和线性CCD位于所述悬臂梁玻璃正上方且沿所述悬臂梁玻璃长度方向前后设置，镀膜过程中反射光在线性CCD上上下偏移。

如图2-5所示，本实用新型还提供了一种实时测量薄膜应力的装置，包括悬臂梁玻璃1和控制器4，悬臂梁玻璃1一端固定，悬臂梁玻璃1与光源2和线性CCD 3配套使用，使光源2发出的光经过悬臂梁玻璃1反射后，能照射到线性CCD上；控制器输入端与线性CCD输出端相连。控制器对CCD输出信号实时处理和计算，得到当前薄膜的应力值并输出，便于镀膜机参数做出调整。

其中，悬臂梁玻璃1材质为BK7或石英，或其它常用的具有光学表面的材料。其长度是其宽度的5倍以上；宽度是厚度的10倍以上。

固定座5用于对悬臂梁玻璃1一端固定，其主要特征有：(1)便于悬臂梁玻璃的安装和拆卸；(2)能对悬臂梁玻璃定位，即悬臂梁玻璃每次都能卡在相同位置。凡是满足以上条件的固定座均可行。

对某种具体的薄膜进行应力分析时，将镀膜之前的悬臂梁玻璃固定在固定座上，读取反射光的坐标；在悬臂梁玻璃的一面镀膜；将悬臂梁玻璃再次固定在固定座上，读取反射光的坐标，由反射光的偏移确定薄膜的应力值。

下面介绍一种典型的固定座结构，所述固定座5包括座体51、滑块52和弹簧53，所述滑块52通过所述弹簧53安装在所述座体51内并可在所述座体内沿所述弹簧伸缩方向移动。

作为一种优选的实施方式，将所述悬臂梁玻璃置于真空室，光源与线性CCD置于真空室外，光线通过真空室玻璃窗口进行光路的传输。

作为一种优选的实施方式，将所述悬臂梁玻璃、光源与线性CCD置于真空室内，所述真空室内还设有用于对光源和线性CCD进行高温防护的循环冷却水装置。

镀膜过程中，薄膜逐渐堆积在悬臂梁玻璃下表面，致使玻璃受应力并产生翘曲，从而使反射光发生偏移。对反射光的偏移量实时监测即可对当前镀膜的应力进行实时监控。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，包括悬臂梁玻璃和控制器，悬臂梁玻璃一端固定，悬臂梁玻璃与光源和线性CCD配套使用，使光源发出的光经过悬臂梁玻璃反射后，能照射到线性CCD上。

2.根据权利要求1所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，所述悬臂梁玻璃一端固定在固定座上，所述固定座包括座体、滑块和弹簧，所述滑块通过所述弹簧安装在所述座体内并可在所述座体内沿所述弹簧伸缩方向移动。

3.根据权利要求2所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，所述弹簧处于无外力作用时，所述滑块上远离所述弹簧一侧表面将悬臂梁玻璃一端压在所述座体一表面上；所述弹簧处于压缩状态时，所述滑块上远离所述弹簧一侧表面与所述座体一表面形成可供悬臂梁玻璃一端安装或卸下的定位槽。

4.根据权利要求1所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，将所述悬臂梁玻璃置于真空室，光源与线性CCD置于真空室外，光线通过真空室玻璃窗口进行光路的传输。

5.根据权利要求1所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，将所述悬臂梁玻璃、光源与线性CCD置于真空室内，所述真空室内还设有用于对光源和线性CCD进行高温防护的循环冷却水装置。

6.根据权利要求1所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，所述光源和线性CCD分别位于所述悬臂梁玻璃两侧，镀膜过程中反射光在线性CCD上左右偏移。

7.根据权利要求1所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，所述光源和线性CCD位于所述悬臂梁玻璃正上方且沿所述悬臂梁玻璃长度方向前后设置，镀膜过程中反射光在线性CCD上上下偏移。

8.根据权利要求1所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，所述悬臂梁玻璃材质为玻璃、石英、亚克力、PC、塑料、金属中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种实时测量薄膜应力的装置，其特征在于，所述悬臂梁玻璃长度是宽度5倍以上，宽度是厚度10倍以上。

10.一种镀膜机，其特征在于，设置有如权利要求1-9任一项装置进行薄膜应力实时测量，还包括控制器，所述控制器输入端与所述线性CCD输出端相连，对采集信号进行处理和换算得到薄膜的实时应力值，并予以输出，对镀膜机参数进行适当控制。