專利名稱：光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鍍膜，特別是一種實時監(jiān)控鍍膜過程中薄膜厚度的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術：
光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)是在真空鍍膜過程中監(jiān)控薄膜厚度的光學系統(tǒng)，現(xiàn)有的監(jiān)控光學薄膜厚度的系統(tǒng)是垂直透射式光學系統(tǒng)(85101725，1987年10月7日公開)，圖1是其光路圖，在角可變?yōu)V光片03或單色儀出射狹縫后置一等雙孔光闌04，且使其雙孔的公共中心線垂直通過角可變?yōu)V光片03旋轉軸線(光軸)。反射聚光鏡01把光源02成像于等雙孔光闌04上，從雙孔出射的分別是測量光束和參考光束，雙排孔調制盤05分別調制參考光和信號光，透鏡06將等雙孔光闌04成像于監(jiān)控片08所在的平面上，并且使測量光束通過監(jiān)控片08，而參考光束從監(jiān)控片08旁邊空白處通過，透鏡09將光束聚焦到接收器。
目前光學鍍膜大都使用光學監(jiān)控膜厚的方法，并且有些膜系用透射光路監(jiān)控效果較好，有些則用反射光路監(jiān)控效果較好。上述引用的垂直透射式雙光束光學系統(tǒng)只能監(jiān)控透射光的信號，且上述系統(tǒng)不能將頻率和入射光頻率不一致的噪聲剔除，另外需通過透鏡06將等雙孔光闌04成像于監(jiān)控片08上，因此對等雙孔光闌04、透鏡06、監(jiān)控片08之間的距離有嚴格的要求，并且要求測量光束通過監(jiān)控片08，參考光束從監(jiān)控片08旁邊通過，這對等雙孔光闌04、監(jiān)控片08的尺寸要求都很高。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種實時監(jiān)控鍍膜過程中薄膜厚度的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，本發(fā)明光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)既要適用于垂直透射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，又要適用作反射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，而且監(jiān)控的精度要高。
本發(fā)明的技術解決方案如下
一種實時監(jiān)控鍍膜過程中薄膜厚度的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，特征在于其結構包括光源發(fā)射系統(tǒng)、監(jiān)控片、信號接收系統(tǒng)和鎖相放大器四部分所述的光源發(fā)射系統(tǒng)由帶光電池的光源和沿該光源發(fā)出的光束的前進方向依次設置的聚光鏡、光闌、單排孔調制盤和準直鏡組成，所述光闌的光闌孔置于聚光鏡的焦點處，所述的單排孔調制盤設有光開關，該單排孔調制盤周沿的調制孔貼近所述光闌的光闌孔并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的光束上；所述的信號接收系統(tǒng)由依次設置的折光元件、會聚鏡、單色儀和光電倍增管組成一同光軸系統(tǒng)；所述的光電倍增管的信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器的信號輸入端相連，光開關的信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器的參考信號輸入端相連，光電池的光源強度信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器的輔助輸入端相連；所述的監(jiān)控片置于鍍膜機的真空室中并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)的光束上，所述的折光元件既與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)的光束成45°，又與所述的信號接收系統(tǒng)的光軸成45°。
所述的光源發(fā)射系統(tǒng)設置于所述的鍍膜機的真空室之頂垂直向下，所述的折光元件為半透半反鏡，所述的信號接收系統(tǒng)的半透半反鏡位于真空室之底盤下并與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的經(jīng)監(jiān)控片的光束成45°。
所述的光源發(fā)射系統(tǒng)設置于所述的鍍膜機的真空室之底并垂直向上，所述的信號接收系統(tǒng)的折光元件為反射鏡，位于真空室之底盤下并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)和監(jiān)控片之間，與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的光束成45°。
所述的光開關由發(fā)光二極管LED和光電三極管G組成，所述的發(fā)光二極管LED串連一個1K的電阻與+5V電源相連，所述的光電三極管G的低電平小于0.5V，高電平大于3.5V且小于5V。
所述的鎖相放大器對來自光電池的光源強度的變化信號從光電倍增管獲得的膜厚的信號進行除法處理。
所述的鎖相放大器的輸入端內置有50/60Hz和100/120Hz的陷波器和抗混疊濾波器。所述的鎖相放大器(12)具有標準的RS232、IEEE-488接口。
本發(fā)明的技術效果1、由于本發(fā)明光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)具有模塊化結構，因此本發(fā)明光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)鍍膜機的具體情況既可安裝成垂直透射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，又可安裝成反射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，使用非常靈活方便；2、本發(fā)明使用簡單且穩(wěn)定的光開關電路獲得參考信號，使用該參考信號可以消除漂移、偏置、非線性和模擬部分器件的老化，保證了數(shù)據(jù)的高可靠性和準確性；3、所述的鎖相放大器的信號輸入端接50/60Hz和100/120Hz的陷波器可抑制電源引入的干擾信號，鎖相放大器的抗混疊濾波器可保證輸入信號的失真非常小，從而使得利用該垂直透射式或反射式光學系統(tǒng)監(jiān)控薄膜厚度的精度很高。
4、所述的光電池獲得的光源強度的變化信號輸入鎖相放大器，鎖相放大器將從光電倍增管輸入的信號和光電池輸入的信號相除，由于這兩個信號中由于光源變化帶來的影響是相同的，故這樣可以消除光源變化對監(jiān)控帶來的影響，降低了對光源的要求。
5、所述的鎖相放大器可用來測量直至數(shù)個nV的微弱信號，甚至當信號被比它大數(shù)千倍的雜散信號掩蓋時，也可做出正確的測量，并且精度很高。參考信號為測量信號的同步信號，鎖相放大器將測量信號與參考信號進行數(shù)字化處理后，消除了漂移、偏置、非線性和模擬部分器件的老化，保證了數(shù)據(jù)的高可靠性和準確性，并且鎖相放大器輸入端內置50/60Hz和100/120Hz的陷波器，可抑制電源引入的干擾信號，以及其內部的抗混疊濾波器可保證輸入信號的失真非常小。另外，鎖相放大器提供標準的RS232、IEEE-488接口，易于進行自動化控制。


圖1為現(xiàn)有的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例1透射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意3為本發(fā)明光開關(6)的電路4為本發(fā)明單排孔調制盤(5)的示意5為本發(fā)明實施例2反射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意圖具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。
先請參閱圖2，圖2為本發(fā)明實施例1透射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意圖，由圖可見，本發(fā)明光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的結構包括光源發(fā)射系統(tǒng)18、監(jiān)控片14、信號接收系統(tǒng)19和鎖相放大器12四部分所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18由帶光電池17的光源1和沿該光源1發(fā)出的光束的前進方向依次設置的聚光鏡15、光闌4、單排孔調制盤5和準直鏡16組裝成一體，所述光闌4的光闌孔置于聚光鏡15的焦點處，所述的單排孔調制盤5設有光開關6，該單排孔調制盤5周沿的調制孔51貼近所述光闌4的光闌孔并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18發(fā)出的光束上；所述的信號接收系統(tǒng)19由依次設置的折光元件9、會聚鏡8、單色儀7和光電倍增管10組裝成一同光軸系統(tǒng)；所述的光電倍增管10的信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器12的信號輸入端相連，光開關6的信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器12的參考信號輸入端相連，光電池17的光源強度信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器12的輔助輸入端相連；
所述的監(jiān)控片14置于鍍膜機的真空室13中并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18的光束上，所述的折光元件9既與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18的光束成45°又與所述的信號接收系統(tǒng)19的光軸成45°。
所述的光開關6如圖3所示，由發(fā)光二極管LED和光電三極管G組成，所述的發(fā)光二極管LED串連一個1K的電阻與+5V電源相連，所述的光電三極管G的低電平小于0.5V，高電平大于3.5V且小于5V。
本發(fā)明光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)作透射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，如圖2所示，其安裝情況是所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18設置于所述的鍍膜機的真空室13之頂垂直向下，而所述的信號接收系統(tǒng)19的折光元件9為反射鏡，位于真空室13之底盤下并與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18發(fā)出的經(jīng)監(jiān)控片(14)的光束成45°。
其工作原理是光源1發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡15會聚到光闌4上，入射光束經(jīng)單排孔調制盤5后成為調制光，經(jīng)準直鏡16后成為平行光，該平行光通過監(jiān)控片8后成為信號光，鍍膜過程中薄膜的光學厚度信息將表現(xiàn)為信號光的強度信息。在調制盤5的一邊固定一光開關6，光開關6由電源、發(fā)光二極管、光電三極管、電阻組成，鍍膜過程中發(fā)光二極管一直處于發(fā)光狀態(tài)，當其發(fā)出的光被單排孔調制盤5擋住時，光電三極管處于截止狀態(tài)，輸出電平為低電平，當光從單排孔調制盤5的孔51中透過照射到光電三極管上時，光電三極管處于導通狀態(tài)，輸出電平為高電平，輸出脈沖波的頻率即為入射到監(jiān)控片14上的調制光的頻率，該信號作為參考信號。經(jīng)過監(jiān)控片14后的光經(jīng)反射鏡9反射后經(jīng)會聚鏡8會聚到單色儀7的入射狹縫11上，用光電倍增管10接收單色儀7出射狹縫的光，并將所接收的該膜厚信號輸入鎖相放大器12。用光開關6輸出的參考信號作為鎖相放大器12的參考輸入，光電池17獲得光源強度的變化信號作為鎖相放大器12的輔助輸入。鎖相放大器12將輸入信號與參考信號進行數(shù)字化處理，所有和參考信號頻率不一致的信號均被認為是噪聲，并將輸入信號和輔助輸入相除。這樣可以消除光源變化帶來的影響、漂移、偏置、非線性和模擬部分器件的老化，保證了數(shù)據(jù)的高可靠性和準確性，并且鎖相放大器12輸入端內置了50/60Hz和100/120Hz的陷波器可抑制電源引入的干擾信號，鎖相放大器12內部的抗混疊濾波器可保證輸入信號的失真非常小。另外，鎖相放大器12提供標準的RS232、IEEE-488接口，易于進行自動化控制。
本發(fā)明光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)作反射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，如圖5所示，其安裝情況是所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18設置于所述的鍍膜機的真空室13之底并垂直向上，所述的信號接收系統(tǒng)19的折光元件9為半透半反鏡，位于真空室13之底盤下并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18和監(jiān)控片14之間，與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)18發(fā)出的光束成45°。
圖5反射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)與圖2透射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理一致，調節(jié)方法一致，在此不再贅述。
圖2和圖5中虛線部分的光源發(fā)射系統(tǒng)18和信號接收系統(tǒng)19都分別可通過機械加工組裝成一個整體，這樣有利于透射式和反射式系統(tǒng)的快速變換安裝。
所述的鎖相放大器12對來自光電池17的光源強度的變化信號從光電倍增管10獲得的膜厚的信號進行除法處理。所述的鎖相放大器12的輸入端內置有50/60Hz和100/120Hz的陷波器和抗混疊濾波器。所述的鎖相放大器(12)具有標準的RS232、IEEE-488接口。
由于光源強度信號的變化會導致鍍膜過程中的信號不穩(wěn)定，這樣很容易出現(xiàn)誤判極值點的情況，本發(fā)明通過將經(jīng)過監(jiān)控片的信號和光源的強度信號相除，消除了由于光源不穩(wěn)導致攜帶膜厚信息的信號的不穩(wěn)定性，降低了對光源穩(wěn)定性的要求。
用光開關6獲取調制光的頻率信號，電路簡單且穩(wěn)定，獲得的脈沖信號的低電平低于0.5V，高電平大于3.5V且小于5V，這樣可以使鎖相放大器12工作于最穩(wěn)定的狀態(tài)，排除了其他頻率的雜散信號。
監(jiān)控片14的面積略大于經(jīng)準直鏡8后的平行光束的光斑面積，這樣充分利用監(jiān)控片，又保證信號的準確性。
權利要求
1.一種實時監(jiān)控鍍膜過程中薄膜厚度的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，特征在于其結構包括光源發(fā)射系統(tǒng)(18)、監(jiān)控片(14)、信號接收系統(tǒng)(19)和鎖相放大器(12)四部分所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)由帶光電池(17)的光源(1)和沿該光源(1)發(fā)出的光束的前進方向依次設置的聚光鏡(15)、光闌(4)、單排孔調制盤(5)和準直鏡(16)組裝成一體，所述光闌(4)的光闌孔置于聚光鏡(15)的焦點處，所述的單排孔調制盤(5)設有光開關(6)，該單排孔調制盤(5)周沿的調制孔(51)貼近所述光闌(4)的光闌孔并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)發(fā)出的光束上；所述的信號接收系統(tǒng)(19)由依次設置的折光元件(9)、會聚鏡(8)、單色儀(7)和光電倍增管(10)組裝成一同光軸系統(tǒng)；所述的光電倍增管(10)的信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器(12)的信號輸入端相連，光開關(6)的信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器(12)的參考信號輸入端相連，光電池(17)的光源強度信號輸出端通過屏蔽線與鎖相放大器(12)的輔助輸入端相連；所述的監(jiān)控片(14)置于鍍膜機的真空室(13)中并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)的光束上，所述的折光元件(9)既與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)的光束成45°，又與所述的信號接收系統(tǒng)(19)的光軸成45°。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)設置于所述的鍍膜機的真空室(13)之頂垂直向下，而所述的信號接收系統(tǒng)(19)的折光元件(9)位于真空室(13)之底盤下并與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)發(fā)出的經(jīng)監(jiān)控片(14)的光束成45°。
3.根據(jù)權利要求2所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的折光元件(9)為反射鏡。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)設置于所述的鍍膜機的真空室(13)之底并垂直向上，所述的信號接收系統(tǒng)(19)的折光元件(9)位于真空室(13)之底盤下并位于所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)和監(jiān)控片(14)之間，與所述的光源發(fā)射系統(tǒng)(18)發(fā)出的光束成45°。
5.根據(jù)權利要求4所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的折光元件(9)為半透半反鏡。
6.根據(jù)權利要求1所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的光開關(6)由發(fā)光二極管LED和光電三極管G組成，所述的發(fā)光二極管LED串連一個1K的電阻與+5V電源相連，所述的光電三極管G的低電平小于0.5V，高電平大于3.5V且小于5V。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的鎖相放大器(12)對來自光電池(17)的光源強度的變化信號從光電倍增管(10)獲得的膜厚的信號進行除法處理。
8.根據(jù)權利要求7所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的鎖相放大器(12)的輸入端內置有50/60Hz和100/120Hz的陷波器和抗混疊濾波器。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述的鎖相放大器(12)具有標準的RS232、IEEE-488接口。
全文摘要
一種實時監(jiān)控鍍膜過程中薄膜厚度的光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，特征在于其結構包括光源發(fā)射系統(tǒng)、監(jiān)控片、信號接收系統(tǒng)和鎖相放大器四部分所述的光源發(fā)射系統(tǒng)由帶光電池的光源和沿該光源發(fā)出的光束的前進方向依次設置的聚光鏡、光闌、單排孔調制盤和準直鏡組成，所述的信號接收系統(tǒng)由依次設置的折光元件、會聚鏡、單色儀和光電倍增管組成一同光軸系統(tǒng)。本發(fā)明既適用于垂直透射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，又適于作反射式光學膜厚監(jiān)控系統(tǒng)，安裝變換方便而且監(jiān)控的精度高。
文檔編號G02B27/00GK1707307SQ20051002498
公開日2005年12月14日 申請日期2005年4月8日 優(yōu)先權日2005年4月8日
發(fā)明者朱美萍, 易葵, 郭世海, 邵建達, 王丹, 申雁鳴, 傅小勇, 畢軍 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所