寬光譜監(jiān)控法鍍制高精度增透膜的分析

1、寬光譜監(jiān)控法鍍制高精度增透膜的分析 近年來(lái),高精度的光學(xué)儀器以及數(shù)碼產(chǎn)品不斷提高性能以適應(yīng)市場(chǎng)需求,使得光學(xué)產(chǎn)品對(duì)光學(xué)零部件的鍍膜的光學(xué)特性和精度的要求越來(lái)越高。寬帶增透膜是光學(xué)薄膜中應(yīng)用最多的膜系之一。國(guó)際市場(chǎng)上對(duì)膜層的反射率要求是,在420nm780nm 范圍內(nèi),反射率低于0.25%,為了到達(dá)這種要求,我們采用非規(guī)整膜系。高精度寬帶增透膜最關(guān)心的是寬帶的光譜特性,鍍制高精度寬帶增透膜最關(guān)鍵的是鍍膜的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。 對(duì)于非規(guī)整膜系的鍍制,目前常用的監(jiān)控方法有石英晶控、單波長(zhǎng)監(jiān)控以及寬光譜監(jiān)控方法 。對(duì)寬帶增透膜的鍍制,最適合的方法是光學(xué)膜厚監(jiān)控方法,可以直接了解薄膜的光學(xué)特性。寬光譜監(jiān)控和

2、單波長(zhǎng)監(jiān)控屬于光學(xué)膜厚監(jiān)控方法。寬光譜監(jiān)控是在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)監(jiān)視薄膜的光譜特性,實(shí)時(shí)測(cè)量的是寬帶的光譜反射比數(shù)據(jù),得到的是光譜曲線(xiàn)。單波長(zhǎng)監(jiān)控只監(jiān)控一個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的反射比,實(shí)時(shí)得到的是監(jiān)控波長(zhǎng)點(diǎn)的反射比數(shù)據(jù)。以可見(jiàn)光為例,測(cè)量數(shù)據(jù)比照如圖1所示,寬光譜監(jiān)控實(shí)時(shí)得到的是400nm800nm(1nm 一個(gè)測(cè)量點(diǎn),共401 個(gè)數(shù)據(jù)) 的光譜曲線(xiàn),單波長(zhǎng)監(jiān)控實(shí)時(shí)得到的是500nm(監(jiān)控波長(zhǎng))的一個(gè)反射比數(shù)據(jù)(即游標(biāo)所在的位置) 。 圖1 寬光譜監(jiān)控曲線(xiàn) 兩種監(jiān)控方法測(cè)量數(shù)據(jù)量比為4011,方程(1)和(2)分別是寬光譜和單波長(zhǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差公式: 可以看出,方程(1)的分母比方程(2)的分母大得多,

3、所以寬光譜監(jiān)控比單波長(zhǎng)監(jiān)控隨機(jī)誤差小的多。綜上所述,用寬光譜監(jiān)控鍍制高精度寬帶增透膜會(huì)使控制過(guò)程既直觀又準(zhǔn)確。 1、鍍制難點(diǎn)及解決方案 寬光譜法是利用實(shí)測(cè)的光譜曲線(xiàn)與目標(biāo)光譜曲線(xiàn)開(kāi)展比較,計(jì)算出評(píng)價(jià)函數(shù)并將其反應(yīng)給控制系統(tǒng),當(dāng)評(píng)價(jià)函數(shù)的極小值為零時(shí),被認(rèn)為膜層厚度到達(dá)了目標(biāo)值,停止蒸鍍。在理論上,這樣鍍出來(lái)的產(chǎn)品的光學(xué)特性與設(shè)計(jì)的應(yīng)該完全吻合。但實(shí)際上,評(píng)價(jià)函數(shù)的極小值不會(huì)為零,而總是比零大。這是由于在實(shí)際鍍制中,鍍膜材料沒(méi)有到達(dá)理論計(jì)算所要求的折射率,以及折射率的不均勻性對(duì)增透膜的影響等諸多原因,使得實(shí)際鍍膜的光譜特性和理論值存在比較大的偏差 。同時(shí),這也給判停帶來(lái)了極大的困難。為了解決這種

4、偏差,在保證工藝參數(shù)基本穩(wěn)定的情況下,我們需要完善評(píng)價(jià)函數(shù)算法,確立合理的目標(biāo)光譜曲線(xiàn),減小實(shí)際鍍膜的光譜特性和目標(biāo)特性的偏差,使評(píng)價(jià)函數(shù)的極小值趨近于零,到達(dá)最正確膜厚。 1.1、評(píng)價(jià)函數(shù) 經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),總結(jié)鍍膜工藝師用目測(cè)法判停的依據(jù),將判停方法分為能量法和特征點(diǎn)法兩種。能量法適合膜層的光學(xué)特性對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的權(quán)重要求都是一樣的,方程(3) 是能量法對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)公式: 式中Ri (j , nidi ) 為實(shí)測(cè)反射比, Ri (j , nd)為理論反射比。 圖2 第一層光譜曲線(xiàn)變化過(guò)程 例如,鍍制五層可見(jiàn)光增透膜的第一層時(shí)就必須使用這種方法,如圖2 所示,在鍍制過(guò)程中,隨著膜厚的增長(zhǎng),光譜

5、曲線(xiàn)從上面的第一條逐漸的逼近第二條,第三條,第四條,直到第五條,鍍制結(jié)束,評(píng)價(jià)函數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),最后到達(dá)極小值。特征點(diǎn)法只適合于膜層對(duì)某幾個(gè)特定波長(zhǎng)的要求較高,方程(4) 是特征點(diǎn)法對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)公式: 式中j 是權(quán)重因子。例如,鍍制五層可見(jiàn)光增透膜的第四層時(shí)就必須使用這種方法,如圖3 所示. 波峰、波谷的位置是需要控制的,因此,我們可以選擇495nm(極大值) 、427nm(極小值) 、609nm(極小值) 三個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)作為特定波長(zhǎng),其實(shí)測(cè)反射率參與評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算,根據(jù)膜料光學(xué)參數(shù)的特性,分別設(shè)置權(quán)重因子,其它波長(zhǎng)的實(shí)測(cè)反射率忽略不計(jì)。在鍍制過(guò)程中,隨著膜厚的增長(zhǎng),495nm、427nm 和609nm 的反射率會(huì)逐漸出現(xiàn)極值,評(píng)價(jià)函數(shù)也是呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),最后到達(dá)極小值。這也使得自動(dòng)