专利名称：光学膜厚测量控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型与真空镀膜中在线测光学膜厚的光学膜厚测量装置有关。
技术背景已有的光学膜厚测试仪的主输入信号依次经串联的差分放大器、陷波器、主信号 放大器、低通滤波器和偏置叠加器输入模数转换器、模数转换器的输出接逻辑可编程器件， 参考输入信号经参考信号处理电路输入逻辑可编程器件，逻辑可编程器件的输出与单片机 连接，单片机与显示器连接。主信号和参考信号用单光源调制，不能实现宽光谱测量膜厚， 采用透射式传输光路传输测量光，在宽光谱传输时发生色散，影响测量精度。设备中的信号 幅度小，极易受到外部干扰，甚至完全融入噪声中。处理弱输出信号的装置成本高
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种可实现宽光谱测量膜厚，可处理紫外光和红外光的 弱输出信号，测量精度高，成本低的光学膜厚测量控制系统。本实用新型是这样实现的本实用新型光学膜厚测量控制系统，调制光源4内有氚灯或/和溴钨灯作为光源， 如两者都有经光源切换器13选择其一，光源经反射系统汇聚到光调制器14，光调制器14为 机械调制器，输出的光经光纤接头通过第一光钎6传输，输出的调制频率电信号作为光学 膜厚测试仪的参考信号，经处理电路到逻辑可编程器件，真空室12的一侧壁上有发射光源 耦合器2的输入接到第一光纤6，有接收光源耦合器B4的输出光经第二光纤7到单色仪9 的入射狭缝，真空室12的相对侧壁上有接收光源耦合器A3的输出光经第三光纤8到单色 仪9的入射狭缝，真空室12有比较片5，单色仪9的光栅的转动装置控制端接工控机17的 输出端，单色仪9的出射狭缝经光纤分别接光电倍增管探测器10或硫化铅探测器11的入 射端，光电倍增管探测器10和硫化铅探测器11输出的电信号作为光学膜厚测试仪的主信 号，光学膜厚测试仪的单片机从串口输出信号到工控机I7的输入端，工控机的另一输出端 与镀膜系统连接。所述的发射光源耦合器2有反射镜片将入射光纤引入的发散光转化为准直光照 射到比较片上，接收光源耦合器A、接收光源耦合器B各有反射镜片将比较片5投射、反射光 转换为聚焦光到光纤传送。本实用新型的工作原理如下数字光控系统的复合调制光源在光源控制器的作用下，按选定波长所在光谱范围 的光(氘灯为200 400nm/溴钨灯为400 3000nm)通过传输光纤照射到发射光源耦合 器，发射光源耦合器将光源送来的光处理后，形成准直光束送入真空室中，光束传输到比较 片后，一部分光被比较片(及比较片上的被镀膜层)反射传输到接收光源耦合器B。光另 一部分光透过比较片(及比较片上的被镀膜层)传输到接收光源耦合器A，原理由光源光 纤引入的发散光进入反射光源耦合器被反射镜片转化为准直光照射到比较片上。一路投射到接收光源耦合器A内的反射镜转换为聚焦光到光纤传送；另一路由比较片反射到接收光 源耦合器B内的反射镜转换为聚焦光到光纤传送。反射光或者透射光光能大小与比较片上
镀膜的厚度与所选波长的I波长成周期变化，在4波长范围内光能大小与膜层厚度成比例
变化。反射光或透射光(取决于镀膜形式)由接收光源耦合器汇聚成成像光，然后通过光
纤传输到单色仪，单色仪在选定狭缝大小(由外部计算机自动或手动选定)的情况下，允许
一定的光能量的单一波长光(波长由外部计算机自动或手动根据镀膜工艺要求选定)通过
单色仪输出。单色仪输出的单色光在单色仪出口照射到光探测器(如10光电倍增管探测
器，11硫化铅探测器)中。在光探测器中实现被测信号的光电转换，转换后输出与膜层厚度
成比例变化的电信号，该电信号通过电缆传输给光学膜厚测试仪，光学膜厚测试仪将光探
测器传来的电信号通过锁相放大、交直流转换输出与比较片上膜厚瞬时变化成比例的数字
信号给工业控制机，工业控制机根据膜厚瞬时变化的大小实现镀膜系统的自动控制。本实用新型能实时、在线测试光学镀膜机中薄膜生长的膜层厚度，并输出与膜厚 有关的技术参数，全自动光学镀膜机可根据这些参数控制膜层生长的质量。本实用新型主要用于光学镀膜机对镀膜过程中膜层生长的厚度的测量和控制。在真空镀膜设备中，在线检测光学器的镀膜厚度常使用极值法判别，然而设备中 的信号幅度小，极易受到外部干扰，甚至完全融入在噪声中，使用本实用新型可提取出有用 信号，并稳定显示出信号大小，提供0. 的精度。本实用新型为满足宽光谱(350 ieoonm)采用反射式传输光路。发射光源耦合器2、接收光源耦合器A、接收光源耦合器B既要满足宽光谱传输又 要能量损耗小。采用光反射的方式实现会聚光变测量光(准直光)进入真空室，接收也是 用反射方式实现测量光的会聚。这种方式最大优点在于色散小，可实现宽光谱传输。光纤6、7、8根据所使用的不同波长的单色光选择使用红外光纤或紫外光纤。优点1、采用复合光源(氘灯和溴钨灯组合)实现宽光谱(30(Tl600nm)测量膜厚。2、采用反射式光路传输测量光，克服透射式传输光路在宽光谱传输时的色散，实 现宽光谱(350 1600nm)测量膜厚。
图1为本实用新型的结构框图。图2为调制光源结构图。图3为单色仪结构图。图4为光学膜厚测试仪结构框图。图5为真空室光的传输原理图。
具体实施方式
光源切换器13、光调制器14、光源电源15分别连接到调制光源1的控制端、调制 器接口、光源电源接口。调制光源1选择内部氘灯光源或卤素灯光源经过调制器调制为 IOOOHz的调制光源通过输出口到光纤6连接到发射光源耦合器2的输入端，光通过发射光源耦合器2处理成准直光反射到比较片5。在比较片5上分成2束光(投射光和反射光)， 透射光进入接收光源耦合器A，反射光进入接收光源耦合器B。接收光源耦合器把准则光耦 合进入光纤7和8 (使用波长在SOOnm以上时，6、7、8必须使用红外光纤连接)，再分别进入 9单色仪的输入端。单色仪选择单色光后输出到光电倍增管探测器10或硫化铅探测器11 转换为电信号作为主信号到光学膜厚测试仪的主信号输入端；由光调制器14输出电TTL的 调制信号作为参考信号到光学膜厚测试仪16的参考信号输入端。光学膜厚仪输出的信号 强度信号通过串口信号到工控机进行分析处理。单色仪9的单色光输出由工控机17的串 口信号控制。本实用新型为了保证系统光谱范围(350 ieOOnm)和光功率(由所选用的光探 测器输入的光功率的要求决定)要求，复合光源选用电功率大于30W的氘灯作为紫外光源， 选用电功率大于75W的溴钨灯作为可见光和红外光的光源。这样光源实际的光谱范围可达 到 200 3000nm。为满足膜厚测量锁相放大要求，复合光源采用调制光输出，调制方法采用简单的 机械调制法。为适应输出光传输要求，复合光源采用SM905的标准接头同外部光纤连接。图2中，复合光源由内部的氘灯或溴钨灯(由镀膜工艺要求的波长范围决定)发 出光，通过光反射系统汇聚成成像光源到SM905接头的中心处。斩波器的斩波片安装在靠 近SM905接头处的光路上。本实用新型的光接收器(发射/接收)通过光纤传来的光传入单色仪的入射狭缝 后投射到准之物镜上，形成平行光束投射到光栅上，光栅对入射光产生色散后通过聚焦镜 成像到出射狭缝处。出射狭缝处的光是由光栅按逆时针方向旋转时按波长顺序排列的光 谱。通过选择出口狭缝大小可使输出光为宽度很小的一束单色光，输出单色光的光能大小 同输入/输出狭缝大小成正比。来自膜厚测量光路系统的参考信号主信号，主信号通过放大器进行低噪、低漂移、 高抗干扰、变增益放大，参考信号经放大整形后，再通过模数转换器转换为数字信号进入逻 辑可编程器件。此时的信号已经放大，但谐波丰富，需要提取频率1000Hz的有用信号。本实用新型的光学膜厚测试仪组成结构如图4所示。图中，单片机采用89LE516RD 单片机，使用8 13，17 22引脚与逻辑可编程器件(EP2C5Q208CN)的64，67，68，69，70， 72,80,81引脚连接通信。单片机的5，7脚连接到MAX232芯片的11，12完成与外界RS232 串口通行。34 37连接按键键盘。23 25连接到MAX6951的1，2，16脚，通过MAX6951 控制8位7段显示码。参考信号电路接入逻辑可编程器件的180脚。本信号处理电路接入 AD7655的46脚转换为数字信号，再通过AD7655的21，22，29串行接入逻辑可编程器件的 60 63。本实用新型所使用的市售产品如下1、调制光源(卓立汉光DZLHD30T75)2、发射光源耦合器(成都南光RKGLF33_1A系统)3、接收光耦合器A (成都南光RKGLF33_1A系统)4、接收光源耦合器B (成都南光RKGLF33_1A系统)5、比较片(玻璃试片)[0037]6、光纤7、光纤8、光纤9、单色仪(卓立汉光omin5005)10、光电倍增管探测器(卓立汉光PMTH-S1_CR131)11、硫化铅探测器(卓立汉光DPS2900)12、真空室13、光源切换器(卓立汉光DZLHD3075配控制器)14、光调制器(scitec :300CD)15、光源电源(卓立汉光DZLHD30175配电源)16、光学膜厚测试仪(专利号:zl200820141227. 8)17、工控机
权利要求光学膜厚测量控制系统，其特征在于调制光源(4)内有氚灯或/和溴钨灯作为光源，如两者都有经光源切换器(13)选择其一，光源经反射系统汇聚到光调制器(14)，光调制器(14)为机械调制器，输出的光经光纤接头通过第一光钎(6)传输，输出的调制频率电信号作为光学膜厚测试仪的参考信号，经处理电路到逻辑可编程器件，真空室(12)的一侧壁上有发射光源耦合器(2)的输入接到第一光纤(6)，有接收光源耦合器B(4)的输出光经第二光纤(7)到单色仪(9)的入射狭缝，真空室(12)的相对侧壁上有接收光源耦合器A(3)的输出光经第三光纤(8)到单色仪(9)的入射狭缝，真空室(12)有比较片(5)，单色仪(9)的光栅的转动装置控制端接工控机(17)的输出端，单色仪(9)的出射狭缝经光纤分别接光电倍增管探测器(10)或硫化铅探测器(11)的入射端，光电倍增管探测器(10)和硫化铅探测器(11)输出的电信号作为光学膜厚测试仪的主信号，光学膜厚测试仪的单片机从串口输出信号到工控机(17)的输入端，工控机的另一输出端与镀膜系统连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的发射光源耦合器(2)有反射镜片将 入射光纤引入的发散光转化为准直光照射到比较片上，接收光源耦合器A、接收光源耦合器 B各有反射镜片将比较片(5)投射、反射光转换为聚焦光到光纤传送。
专利摘要本实用新型为光学膜厚测量控制系统，解决已有系统宽光谱测量光在传输时发生色散，信号幅度小，测量精度差，设备成本高的问题。光源经反射系统汇聚到光调制器，输出的调制频率电信号作为光学膜厚测试仪的参考信号，发射光源耦合器的输入接到第一光纤，有接收光源耦合器B的输出光经第二光纤到单色仪的入射狭缝，有接收光源耦合器A的输出光经第三光纤到单色仪的入射狭缝，真空室有比较片，单色仪的光栅的转动装置控制端接工控机的输出端，单色仪的出射狭缝经光纤分别接光电倍增管探测器或硫化铅探测器的入射端，输出的电信号作为光学膜厚测试仪的主信号，光学膜厚测试仪的单片机从串口输出信号到工控机的输入端，工控机的另一输出端与镀膜系统连接。
文档编号G01B11/06GK201748901SQ20092029851
公开日2011年2月16日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者张博, 李剑辉, 李方, 薛尚清, 谢亮, 靳毅, 魏扬 申请人:成都南光机器有限公司