一種高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統及分光裝置的製作方法
2023-10-11 19:12:39
專利名稱：一種高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統及分光裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學鍍膜膜厚光語法在線監控系統及分光裝置， 應用於光學鍍膜機的鍍膜過程的自動在線膜厚監控。
背景技術：
薄膜的製備，除了選擇合適的材料和製備工藝外，還必須精確控 制其厚度。鍍膜過程中的膜層厚度是無法直接測量的，通常都是監控 一種與厚度有關的量，然後由此計算出膜層的厚度。
光學薄膜的理論基礎是光的幹涉理論，所以特別關注的是光學厚 度，目前屬於光學厚度監控的方法包括單波長監控法和寬光譜監控法。
單波長監控法的特點是直接監控膜層的 一個波長點的絕對透射率 或反射率值，根據已知多層膜系的參數，預先計算出各膜層理論厚度 對應的這個監控波長點停止時的透射率值/反射率值，然後按計算值控 制每一層膜。採用光電法，使用單色儀分光，光電倍增管等探測器接
收，優點是波長解析度高，使用入射狹縫100jum、出射狹縫100jam、 焦距300mm的單色儀，其波長解析度為0. 27nin。缺點是由於只監控一 個波長點的光度值，數據量小，如果出現不可預知的幹擾信號會造成 系統停點誤判，無法進行監控。
寬光語監控是在350-1050nm全光語的波長範圍內監視薄膜的光語 特性，實時測量的是全光譜的透射率或反射率值，得到的是光譜曲線。 特點是控制直觀、精確，得到的信息量遠遠高於單波長監控方法； 在一定光譜範圍內可以實現膜層厚度誤差補償。寬光譜監控一般選用 以CCD陣列為主的光i普儀，焦距一般較短，此類光語儀具有反應速度 快、穩定性好、體積小等優勢，缺點是波長解析度不高。計算波長分 辨率的公式
波長解析度(FWHM)=像素解析度x色散數
例如，使用入射狹縫100jum、像素3648個、光譜寬度700nm的光語儀，進行全光語檢測，其像素解析度為9 pixels,色散數為 700nm/3648 pixels。通過上述公式可以計算出波長解析度為6. 5nm, 這對鍍制窄帶幹涉濾光片等高精度薄膜產品是不夠的。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高解析度窄波段光鐠在線膜厚監控系 統以及分光裝置，該分光裝置可以提高寬光語監控系統的波長解析度， 以拓展寬光鐠監控系統地應用範圍，實現高精度自動鍍膜過程。
為實現上述目的，本發明的高解析度窄波段光語分光裝置，包括 入射狹縫、第一準直物鏡、平面光柵、第二準直物鏡、平面反射鏡， 複合光經入射狹縫投射到第一準直物鏡上得到平行光束，平行光束經 平面光柵分光後投射到第二準直物鏡，經平面反射鏡後成像於第二準 直物鏡的聚焦面上，其特徵在於，所述第二準直物鏡的聚焦面上設置 有出射窗口 ，所述出射窗口處形成按波長順序排列的光譜帶。
進一步，所述光語帶的寬度是根據出射窗口的大小所決定的。
進一步，所述平面光柵上設置有驅動電機，通過驅動電機控制平 面光柵旋轉，進而控制平行光束以不同的衍射角投射到所述第二準直 物鏡上。
進一步，所述出射窗口的大小為l-10mm。
本發明的高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統，包括光源、發 射單元、監控片、接收單元、光讒分光裝置、CCD陣列信號轉換系統和 控制採集單元，光源發出的光信號通過光纖傳輸給固定在真空室的發 射單元，然後入射到真空室內，並在監控片上形成光斑，經監控片反 射，由光接收單元接收後的光被光語分光裝置色散後在其出射窗口形 成某一波長範圍的光語帶，位於出射窗口處的CCD陣列信號轉換系統 將光鐠帶的強度分布轉變為電荷強弱的分布，由控制採集單元進行A/D 變換後給計算機進行數據處理和計算。
進一步，所述光譜帶的範圍為400nm-900nm。
進一步，所述光語分光裝置，包括入射狹縫、第一準直物鏡、平 面光柵、第二準直物鏡、平面反射鏡，複合光經入射狹縫投射到第一 準直物鏡上得到平行光束，平行光束經平面光柵分光後投射到第二準
5直物鏡，經平面反射鏡後成像於第二準直物鏡的聚焦面上，第二準直 物鏡的聚焦面上設置有出射窗口 ，該出射窗口處形成按波長順序排列 的光語帶。
進一步，所述CCD陣列信號轉換系統設置在所述第二準直物鏡的 聚焦面處。
進一步，所述CCD陣列信號轉換系統為線陣CCD。 進一步，光束經所述光語分光裝置和CCD陣列信號轉換系統後得 到光譜解析度為0. 2-lnm。
本發明高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統，將光譜分光裝置 與線陣CCD相結合，實現了動態的監控波長調整，形成以監控波長點 為中心的對稱的左右各數十納米的光鐠帶，在每一監控點得到近一百 納米的光語信號，光譜數據量大，波長解析度高，評價函數計算精確， 為光語監控系統在光學鍍膜過程中實現高精度自動鍍膜提供了 一種科 學的方法。
圖1為本發明的監控系統的結構示意圖2為本發明的光語分光裝置的分光原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的高解析度窄波^險光語在線膜厚監控系統， 包括光源l、發射單元2、監控片4、接收單元5、單色儀6、 CCD陣列 信號轉換系統7和控制採集單元8,光源1發出的光信號通過光纖傳輸 給固定在真空室3上的發射單元2，然後入射到真空室3內，並在監控 片4上形成光斑，經監控片4反射，由接收單元5接收後的光被單色 儀6色散後在其出射窗口形成某一波長範圍的光語帶，位於出射窗口 處的CCD陣列信號轉換系統7將光鐠帶的強度分布轉變為電荷強弱的 分布，由控制採集單元8進行A/D變換後給計算機9進行數據處理和 計算。
如圖1和2所示，本發明監控系統的分光及光電轉換過程如下 接收單元5得到的複合光經入射狹縫61衝更射到第一準直物鏡62上，入射狹縫61處於第一準直物鏡62的聚焦面上。因此，經第一準直物 鏡62後的光束為平行光束，該平行光束經平面光柵63分光後，分成 不同波長的平行光束以不同的衍射角投向第二準直物鏡64上，第二準 直物鏡64起照相物鏡的作用，這些平行光束經平面反射鏡65反射後 成像於第二準直物鏡64的聚焦面上，從而得到一系列按波長順序排列 的光譜帶，出射窗口 66位於第二準直物鏡64的聚焦面上，驅動平面 光柵63,可以在出射窗口 66處形成以監控波長點為中心的對稱的左右 各數十納米的光譜帶，由位於出射窗口 66處的具有數千個像素的CCD 陣列信號轉換系統7將譜帶的強度分布轉變為電荷強弱的分布，控制 採集單元經A/D變換後由計算機監控軟體接收數據進行光譜變換、光 鐠擬合，計算出評價函數。根據評價函數值監控系統進行自動判停。
出射窗口 66的大d、一般設置為3-5mm，令單色儀6分光後形成某 一監控波長帶點的譜帶，該譜帶的寬度由出射窗口 66的大小所決定， 出射窗口66越大，其分光後所得的鐠帶越寬，為了保證經CCD陣列信 號轉換系統7後具有高解析度，分光後所得的某一監控波長點的譜帶 不宜過寬，為監控波長點為中心的對稱的左右各數十納米的光譜帶， 該光譜帶一般為100nm,其監控點波長的範圍一般為400-900nm。
單色儀6的參數為，入射狹縫100iam、出射窗口 3隨、焦距300mm, 經過測算其像素解析度約為7.3 pixels。如監控波長為400nm,驅動 光柵，調整波長到400nm，在出射窗口 66形成350-450nm的光i普帶， 由CCD的3648個有效像素接收，色散悽t為100nm/3648 pixels,由麼、 式波長解析度(FWHM)=像素解析度x色散數，可以計算出此裝置 的波長解析度為0. 2nm。對於監控波長為900nm,驅動光4冊63,調整波 長到900nm，則在出射窗口 66形成850-950nm的光語帶，均為監控波 長點為中心的對稱左右各50nm的光語帶，該光譜帶的寬度為100nm， 計算得出此裝置的波長解析度為0. 2nm。對於監控波長為650nm，驅動 光柵63,調整波長到650nm，則在出射窗口 66形成600-700nm的光i普 帶。以此類推對於400-900認波長範圍中的任一監控點其在出射窗口 66處均形成一寬度為100nm的光譜帶，計算得出此裝置的波長解析度 為0. 2nm。根據鍍膜的需要還可以調整入射狹縫61和出射窗口 66的大 小來調整此裝置的波長解析度。出射窗口 66的大小與監控波長的語帶的寬度有關，出射窗口 66越大所得到的監控波長的譜帶寬度越寬。該 監控系統中分光裝置的波長解析度一般為0. 2-lnm。
本發明的監控系統，既保證了具有足夠的監控數據量，又有效的 提高了裝置的波長解析度，有效解決了單波長監控和寬光譜監控的弊 端，為光譜監控系統在光學鍍膜過程中實現高精度自動鍍膜提供了 一 種科學的方法。
需要指出的是，根據本發明具體實施方式
所做出的任何形式上的 變形，均不脫離本發明的精神以及權利要求所保護的範圍。
權利要求
1.一種高解析度窄波段光譜分光裝置，包括入射狹縫、第一準直物鏡、平面光柵、第二準直物鏡、平面反射鏡，複合光經入射狹縫投射到第一準直物鏡上得到平行光束，平行光束經平面光柵分光後投射到第二準直物鏡，經平面反射鏡後成像於第二準直物鏡的聚焦面上，其特徵在於，所述第二準直物鏡的聚焦面上設置有出射窗口，所述出射窗口處形成按波長順序排列的光譜帶。
2. 如權利要求l所述的光語分光裝置，其特徵在於，所述光譜帶的寬度 是根據出射窗口的大小所決定的，出射窗口越大光譜帶的寬度越寬。
3. 如權利要求l所述的光譜分光裝置，其特徵在於，所述平面光柵上設 置有驅動電機，通過驅動電機控制平面光柵旋轉，進而控制平行光束 以不同的衍射角投射到所述第二準直物鏡上。
4. 如權利要求l-3任一所述的光譜分光裝置，其特徵在於，所述出射窗 口的大小為l-10mm。
5. —種高解析度窄波段光語在線膜厚監控系統，包括光源、發射單元、 監控片、接收單元、光鐠分光裝置、CCD陣列信號轉換系統和控制採 集單元，光源發出的光信號通過光纖傳輸給固定在真空室的發射單 元，然後入射到真空室內，並在監控片上形成光斑，經監控片反射， 由接收單元接收後的光被光語分光裝置色散後在其出射窗口形成某 一波長範圍的光語帶，位於出射窗口處的CCD陣列信號轉換系統將光 譜帶的強度分布轉變為電荷強弱的分布，由控制採集單元進行A/D變 換後給計算機進行數據處理和計算。
6. 如權利要求5所述的高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統，其特徵 在於，所述光語帶的範圍為400nm-900nm。
7. 如權利要求5所述的高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統，其特徵 在於，所述光語分光裝置，包括入射狹縫、第一準直物鏡、平面光柵、 第二準直物鏡、平面反射鏡，複合光經入射狹縫投射到第一準直物鏡 上得到平行光束，平行光束經平面光柵分光後投射到第二準直物鏡， 經平面反射鏡後成像於第二準直物鏡的聚焦面上，第二準直物鏡的聚 焦面上設置有出射窗口，該出射窗口處形成按波長順序排列的光譜帶。
8. 如權利要求5所述的高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統，其特徵 在於，所述CCD陣列信號轉換系統為CCD線陣列。
9. 如權利要求5所述的高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統，其特徵 在於，所述出射窗口的大小為l-10mm。
10. 如權利要求5-9任一所述的高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統， 其特徵在於，光束經所述光譜分光裝置和CCD陣列信號轉換系統後得 到光i普解析度為0. 2-lnm。
全文摘要
本發明公開了一種高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統及分光裝置，該系統包括光源、發射單元、監控片、接收單元、光譜分光裝置、CCD陣列信號轉換系統和控制採集單元。本發明的光譜分光裝置包括入射狹縫、第一準直物鏡、平面光柵、第二準直物鏡、平面反射鏡。本發明高解析度窄波段光譜在線膜厚監控系統，將光譜分光裝置與線陣CCD相結合，實現了動態的監控波長調整，形成以監控波長點為中心的對稱的左右各數十納米的光譜帶，在每一監控點得到近一百納米的光譜信號，光譜數據量大，波長解析度高，評價函數計算精確，為光譜監控系統在光學鍍膜過程中實現高精度自動鍍膜提供了一種科學的方法。
文檔編號G01B11/06GK101561559SQ200910084709
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月25日 優先權日2009年5月25日
發明者吳青松, 張喆民, 李小龍, 李春業, 威 王, 賈秋平, 黃達泉 申請人:北京奧博泰科技有限公司;賈秋平