CN2677913Y - 一种光学镀膜近红外膜厚监控仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光学真空镀膜机的监控系统领域，更具体的说是一种光学镀膜近红外膜厚监控仪。本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点和不足，提供一种可以实现对镀膜机光学镀膜近红外信号精准监控，结构简单，成本低廉的光学镀膜近红外膜厚监控仪。本实用新型包括信号通道，参考通道，相关器，输出装置和控制器。控制器用于控制信号通道、参考通道、相关器的参数设置和输出装置的信号输出状态。信号通道和参考通道的输出端与相关器的输入端连接，控制器与信号通道、参考通道的控制端，相关器的控制端、输出端，和输出装置的输入端连接。

Description

一种光学镀膜近红外膜厚监控仪

                            技术领域

本实用新型为涉及光学真空镀膜机的监控系统领域，更具体的说是一种光学镀膜近红外膜厚监控仪。

                            技术背景

在光学真空镀膜过程中，镀膜厚度在线监控信号的精准、稳定、压噪是决定光学薄膜元器件性能参数的重要因素。在光学镀膜膜厚监控系统中，从光源到探测器到有较长的光程，信号在传播过程中能量损耗较大且易受干扰，现有技术中的膜厚监控仪主要采用可见光波段信号进行膜厚监控。在现有光通信技术中，光通信薄膜元器件有着巨大的应用前景，近红外波段(波长在780nm～2526nm范围的电磁波)中的1300nm～1550nm波段正是光通信所用的波段，如果可以做到采用近红外波段直接进行精准监控，对于改进镀膜机的性能和提高光通信薄膜元器件的档次将会有非常重要的意义。

现有技术中造成近红外监控信号信噪比低、难以精准监控的主要原因有两个：第一是光电倍增管的测量范围长波极限只能到1100nm，超过此波长就检测不到了，普通近红外探头的探测性能较光电倍增管弱很多，此缺点可以通过改进光探测器来解决；第二是近红外信号非常弱，一切发热的物体都会向外辐射近红外线，强烈的外界辐射将不可避免地进入膜厚监控系统的光路，这些干扰信号经过光电转换器的转换后变成一定幅度的背景噪声信号，其强度甚至比有用的监控信号大几个数量级，这导致在近红外波段膜厚监控时信号不够强、不稳定，淹没在噪声中不能提取出来，无法正常监控。现有镀膜机的膜厚监控系统基本还停留在可见光波段，少数处于研发阶段的近红外波段光学膜厚监控系统普遍存在信号弱、不稳定、信噪比低的缺点，并且结构复杂，成本居高不下，未能形成产品推广应用。

                              发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点和不足，提供一种可以实现对镀膜机光学镀膜近红外信号精准监控，结构简单，成本低廉的光学镀膜近红外膜厚监控仪。

本实用新型为一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，包括信号通道，参考通道，相关器，输出装置和控制器。控制器用于控制信号通道、参考通道、相关器的参数设置和输出装置的信号输出状态。信号通道和参考通道的输出端与相关器的输入端连接，控制器与信号通道、参考通道的控制端，相关器的控制端、输出端，和输出装置的输入端连接。被监控的信号光通过红外光电二极管进行光电转换后，转变成交流电信号进入信号通道，同时参考光经过普通光电池进行光电转换成电压信号进入参考通道。由于是将同一频率调制的信号源分束后成为参考信号和监控信号，所以进入信号通道和参考通道的信号频率同步。监控信号通过信号通道进行放大，抑制和滤除监控信号中的干扰和噪声，并在扩大监控动态范围后输送到相关器中。参考信号经过参考通道处理后成为一个与监控信号频率同步的方波信号，作为监控信号的参考信号输送到相关器中。通过信号通道后的监控信号和参考信号在相关器中进行相乘和积分运算。监控信号在通过相关器的运算后成为一个直流电信号，信号可以放大九个数量级以上，并且成功滤除了干扰或噪声。监控信号经过膜厚监控仪的数据中央处理器进行A/D转换，A/D转换完毕后的数字信号通过控制器由输出装置输出监控结果。

本实用新型的信号通道包括放大器，调节器和滤波器，放大器依次与调节器和滤波器连接，滤波器与相关器连接。监控信号通过放大器进行放大，放大后的信号通过调节器调整信号幅度，达到最佳动态范围。本实用新型设有安全保护装置，如果信号超出量程，系统自动报警同时启动保护装置，电压降低到域值，避免烧毁芯片。然后将监控信号输入滤波器滤除干扰和噪声，再输送到相关器。所述放大器包括前置放大器和程控放大器。由于监控信号的频率不是稳恒的，会有飘动(飘动范围980Hz-1020Hz)，所以需要使用跟踪带通滤波的方法对信号进行滤波，即根据监控信号的频率漂移而不断自动改变中心频率，只有这样才能扣除频率漂移所带来的误差，所以本实用新型的滤波器采用连续滤波器，用于实现跟踪带通滤波功能。

本实用新型的参考通道包括放大器、带通滤波器、比较器、分频器和移相器，放大器依次与带通滤波器、比较器、分频器和移相器连接，移相器与相关器连接。输入参考通道的信号采用与监控信号同源的信号，先对输入信号进行放大，由于如果形成的方波的占空比不是50％，不利于后面的处理，所以采用带通滤波器，对被放大后的参考信号波形进行波形滤波，使频率为斩波频率的正弦波，这样进入后面的比较器便可以形成50％占空比的方波，方波通过分频器进行分频，以便于更加准确地测量频率，最后通过移相器调节方波信号的相位与监控信号的相位一致，本实用新型的移相器为数字移相器，用于实现高精度调节相位，移相精度可以达到0.03度，稳定性可以达到0.1度。

本实用新型的相关器包括用于将监控信号和参考信号进行相乘运算的乘法器和用于将通过乘法器相乘运算后的信号进行积分运算积分器，乘法器分别与信号通道、参考通道和积分器连接，积分器与控制器连接。相关器采用相干检测技术，将监控信号从噪声淹没中提取出来，通过积分器积分后得到的监控信号由交流信号变成直流信号。直流信号与参考信号和监控信号的固定相位差成余弦关系，调节参考通道的移相器改变相位差的值，通常让相位差等于零，使得被最终输出的直流信号有最大值。

控制器包括用于输入控制参数的控制输入装置和用于根据输入装置输入的控制参数控制各个构件的运行中央处理器，中央处理器分别与相关器、控制输入装置和输出装置连接。

本实用新型的输出装置包括液晶控制电路和液晶显示屏，液晶控制电路分别与控制器和液晶显示屏连接。液晶显示屏通过液晶控制电路实现三屏叠加工作模式：第一屏以时间为横坐标以信号强度为纵坐标扫描画图；第二屏书写菜单名称和显示量值大小；第三屏为坐标底格。

本实用新型采用近红外波段对光学镀膜机进行膜厚监控，可以直接对产品进行监控，避免采用可见光监控需要通过数学运算而造成的误差；本实用新型相对于现有技术具有出色的信号压噪性能，能够成功的将纳伏量级的微弱信号从强大的噪声中提取出来，经过本实用新型放大后可以达到伏特量级，放大了九个量级，信号稳定，信噪比高；本实用新型采用液晶显示的方式代替现有的表头显示，更具人性化，进一步提高监控精度，减少误差；而且本实用新型结构简单，制作成本低，有利于产品推广。

                                 附图说明

图1为真空光学镀膜机的原理图；

图2为本实用新型的工作原理图；

图3为本实用新型信号通道的电路原理图；

图4为本实用新型参考通道的电路原理图；

图5为本实用新型相关器的电路原理图；

图6为监控信号初始输入信号的波形图像；

图7为监控信号经过信号通道后的波形图像；

图8为监控信号经过相关器后的波形图像；

图9为采用本实用新型监控镀膜厚的产品经过分光光度计测量得到透过率谱线。

                              具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

真空镀膜光学监控通常采用光电检测光，即实时测量监控薄膜的透射率或者反射率的方法。薄膜的透射率或者反射率是随薄膜厚度的变化而变化。

膜层的透射率为：

$T=\frac{n_3}{n_1}\·\frac{t^2}{1+r^2-2r\cos \left(\frac{4\mathrm{\πnd}}{\mathrm{\λ}}\right)}$

其中n₁、n、n₃分别为空气、膜料、基片的折射率；d是膜层的物理厚度。

由图1和以上公式看出：在真空镀膜的过程中，光源发出的光经斩波器斩波调制，变成带有一定调制频率的信号光透过监控片或被监控片反射，随着膜料的不断蒸镀，膜层的厚度d不断变化，膜层的透射率或反射率相应的发生变化，光纤束将变化的信号光引进单色仪，单色仪选择单色监控波长信号光从出射狭缝出射，单色的信号光最终被光电倍增管或光电池接收，电倍增管或光电池具有大受光面积，高灵敏度，响应波长范围是900nm～1700nm，覆盖了光通讯波段的1300nm～1550nm，电倍增管或光电池将光信号转换成电信号送进光学镀膜近红外膜厚监控仪，处理后的电信号通过光学镀膜膜厚监控仪的输出装置显示出来，操作员通过对输出装置的监控决定蒸发膜料的开始和结束，达到控制膜层厚度的目的。

由图2可以见，本实用新型包括信号通道1、参考通道2、相关器3、输出装置4和控制器5。信号通道1包括放大器11、调节器12和滤波器13，放大器11由前置放大器111和程控放大器112组成；参考通道2包括放大器21、带通滤波器22、比较器23、分频器24和移相器25；相关器3包括乘法器31、积分器32和直流放大器33；控制器5包括中央处理器51和控制输入装置52；输出装置4包括液晶控制电路41和液晶显示屏42。

结合图2和图3，监控信号A(1300nm)来源于光电倍增管或光电池，监控信号的波形图像如图6所示，从图6可以看出强大的噪声将纳伏级的微弱信号淹没，普通的检测手段无法将信号从噪声中提取并测量出来。监控信号首先进入前置放大器111中进行放大，前置放大器111是信号通道1的第一级，一个放大系统性能优劣第一级放大是关键，被测信号光电流只有几个nA，因此要求前置放大器111的偏置电流和输入端短路噪声系数都非常低，才能有效的将信号提取出来。所以本实用新型的前置放大器111选用TI公司的OPA111噪声电压系数为8nV/Hz，偏置电流1PA，失调电压0.25mV，失调电压漂移1uV/C° d的放大器，经过前置放大器111的放大，光电流信号被转换成mV量级的电压信号，通过差分电路后经过高精度的程控放大器112，可以将信号放大1～16000倍，程控放大器112采用由AD526和PGA202组合成的程控放大器组合。放大后的监控信号送进由DAC0832控制的调节器12，主要用于调整进入相关器的信号幅度，使信号有最好的动态范围。放大后的监控信号的信噪比仍然非常低，需要进一步滤波。为了避开工频干扰和使光电二极管管输出信噪比比较高，将信号光斩波频率设定为1000Hz，但是由于斩波频率不是稳恒的，会有飘动(飘动范围980Hz-1020Hz)，所以需要使用跟踪带通滤波的方法来进行滤波，即根据斩波器的频率漂移而不断自动改变中心频率，只有这样才能扣除由斩波器频率漂移所带来的误差，本实用新型选用BB公司的连续滤波器UAF42组合DA转换器实现高Q值自动跟踪滤波。经过连续滤波器13后的监控信号A’的信噪比显著提高，信号波形图像如图7所示，由图7可以看出监控信号被放大9个量级到伏特量级，信号清晰稳定，频率与斩波器调制频率1000Hz吻合，验证检测的正确性。

结合图2和图4，本实用新型的参考信号B是从斩波器附近的光电池中提取出来的，信号只有20mV左右的峰峰值，因此需要经过交流放大器21进行交流放大，再经过比较器23形成方波。由于形成的方波的占空比不是50％，不利于后面的处理，所以在交流放大进入比较器23前加入一个中心频率为1KHz的带通滤波器22，这样得到的便是50％占空比的方波。得到方波后将它送入分频器24进行32分频，然后测量32分频后的周期，换算成频率，用以跟踪带通滤波器22和数字移相器25的控制。移相器25是依靠高速单片机内部的计数器和外部中断完成，由于移相器25的CPU的运算速度很高，处理后移相精度可以达到0.03度，稳定性可以达到0.1度。所以通过数字移相器25可以采用数字调节的形式对参考信号进行精准移相，通过移相后的方波参考信号B’送入相关器3。

本实用新型的相关器3采用相干检测技术，将监控信号从噪声淹没中提取出来，由乘法器31和积分器32两部分组成。乘法器31选用专门用于锁相放大电路的模拟乘法芯片实现参考信号和被检测信号相乘的功能。

监控信号A’为：

S_i(t)＝A_isin(ωt+φ)+B_i(t)参考信号B’为：

S_r(t)＝A_rsin(ωt)监控信号和参考信号在乘法器31中相乘并由积分器32积分得到

$S_0=\underset{n\→\∞}{\lim }\frac{1}{\mathrm{nT}}\underset{0}{\overset{\mathrm{nT}}{\∫}}{S}_i\left(t\right)S_r\left(t\right)\mathrm{dt}$

$=\underset{n\→\∞}{\lim }\left\{\frac{1}{\mathrm{nT}}\right[\underset{0}{\overset{\mathrm{nT}}{\∫}}{A}_i{A}_r\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{nT}}{\∫}}{A}_r{B}_i\left(t\right)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}\left]\right\}$

$=\frac{1}{2}{A}_i{A}_r\cos \mathrm{\φ}$

式中T是周期信号的周期， $T=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}},$ 由于噪声与sin(ωt)是不相关的，所以经过多次平均后为零，监控信号中与参考信号相同频率的有用信号与参考信号相乘得到S₀(t)，积分器积分后得到的直流信号S₀。S₀与参考信号和监控信号的固定相位φ成余弦关系，调节参考通道2的移相器25改变φ的值，通常让φ等于零，S₀有最大值，最后输出的信号波形图像C如图8所示。

经过数学运算后的处理后的信号先通过直流放大器33放大，然后送进中央处理器51进行A/D转换，通过控制输入装置52可以设置信号输出的参数，中央处理器51内部集成12位A/D转换模块和液晶驱动模块，可进行200KHZ较高速度A/D转换。A/D转换完毕后的数字信号由液晶控制电路41控制的液晶显示屏42显示。本实用新型的液晶显示屏42采用单色高亮显示屏，大小6寸，亮度200。通过软件设定液晶显示屏42工作模式为图形显示区的三屏叠加工作模式：第一屏以时间为横坐标以信号强度为纵坐标扫描画图，第二屏书写菜单名称和显示量值大小，第三屏为坐标本底格子，三屏独立工作互不干扰，叠加后显示一幅完整的图象，信号滚屏显示，具有示波器的功能。通过控制输入装置52输入控制信号，选择信号通道、放大强度、移相数值、同相电阻等控制模式，操作方便快捷，显示直观明了。

运用本实用新型进行近红外膜厚监控实验：监控中心波长为1300nm，膜系设计为A(HL)⁶HG，高折射率膜料选用硫化锌(ZnS)，低折射率膜料选用氟化镁(MgF)。单片监控一次完成，膜片经PerKinElmer公司的LAMBDA 900分光光度计测量得到透过率谱线如图9所示，可以看出最低透射率出现在1305nm，透过率为0.6134％，在1236nm～1414nm的带宽内透过率小于1％。本实用新型在近红外(1000nm～1700nm)膜厚监控过程中显示出出色的压噪性能，成功的将纳伏量级的微弱信号从强大的噪声中提取出来，监控信号经过相关器3后可以达到伏特量级，放大了九个量级，信号稳定，信噪比高。在基底上交替镀制高低折射率膜系单片比较片可监控透过率为100％～0.5％的信号。

Claims (10)

1.一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是包括信号通道(1)，用于放大监控信号，抑制和滤除部分干扰和噪声，扩大监控信号的动态范围；参考通道(2)，用于产生一个与监控信号频率同步的参考信号；相关器(3)，用于将监控信号和参考信号进行数学运算，提取信号；输出装置(4)，用于输出监控数据；控制器(5)，用于控制信号通道(1)、参考通道(2)、相关器(3)的参数设置和输出装置(4)的信号输出；信号通道(1)和参考通道(2)的输出端与相关器(3)的输入端连接，控制器(5)分别与信号通道(1)及参考通道(2)的控制端，相关器(3)的控制端及输出端，输出装置(4)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是信号通道(1)，包括用于放大监控信号的放大器(11)，用于调整进入相关器(3)的信号幅度的调节器(12)，用于滤除监控信号中的干扰和噪声的滤波器(13)，放大器(11)依次与调节器(12)和滤波器(13)连接，滤波器(13)与相关器(3)连接。

3.根据权利要求2所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是参考通道(2)包括用于放大参考信号的放大器(21)，用于对参考信号进行波形滤波的带通滤波器(22)，用于使参考信号形成占空比为50％方波的比较器(23)，用于将参考信号进行分频的分频器(24)，用于调节参考信号相位的移相器(25)，放大器(21)依次与带通滤波器(22)、比较器(23)、分频器(24)和移相器(25)连接，移相器(25)与相关器(3)连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是相关器(3)包括用于将监控信号和参考信号进行相乘运算的乘法器(31)，用于将通过乘法器(31)相乘运算后的信号进行积分运算的积分器(32)，乘法器(31)分别与信号通道(1)、参考通道(2)和积分器(32)连接，积分器(32)与控制器(5)连接。

5.根据权利要求4所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是信号通道(1)的放大器(11)包括前置放大器(111)和程控放大器(112)。

6.根据权利要求5所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是信号通道(1)的滤波器(13)为用于实现自动跟踪滤波功能的动态连续滤波器。

7.根据权利要求6所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是参考通道(2)的移相器(25)为用于实现高精度调节相位的数字移相器。

8.根据权利要求7所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是控制器(5)包括用于输入控制参数的控制输入装置(52)，用于根据输入装置(52)输入的控制参数控制各个构件的运行的中央处理器(51)，中央处理器(51)分别与相关器(3)、控制输入装置(52)和输出装置(4)连接。

9.根据权利要求8所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是输出装置(4)包括液晶控制电路(41)和液晶显示屏(42)，液晶控制电路(41)分别与控制器(5)和液晶显示屏(42)连接。

10.根据权利要求9所述的一种光学镀膜近红外膜厚监控仪，其特征是液晶显示屏(42)为三屏叠加结构，通过液晶控制电路(41)实现三屏叠加工作模式：第一屏以时间为横坐标以信号强度为纵坐标扫描画图；第二屏书写菜单名称和显示量值大小；第三屏为坐标底格。

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