隨著光學鍍膜技術的不斷發展及市場對光學薄膜要求的日益提高,具 有精度高,重復性好及功能強大等特點的全自動光學真空鍍膜機的需求將越來 越大.目前國產全自動光學真空鍍膜系統仍然是采用石英晶體控厚技術來實現, 而采用光學膜厚監控技術的國產全自動光學真空鍍膜系統仍然是市場空白,在 這一塊的需求上目前仍是由進口鍍膜系統所占據,尤其是針對精密光學的光控 全自動光學真空鍍膜系統.作為首臺國產光控全自動光學真空鍍膜系統的出現, 它不僅填補了市場的空白,而且它對于國產光學鍍膜機制造企業及國內光學鍍 膜行業的發展將起到非常大的促進作用.實驗證明本系統的控制功能及控制精 度已經達到并在部分功能上甚至超越了同類進口鍍膜系統.

 

關鍵詞:光學膜厚監控;全自動;精密光學鍍膜

 

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1,開發背景及目的

光學鍍膜的關鍵是在對膜層厚度特別是光學厚度的精確監控上.目前的監 控方式主要分為兩種,第一種是石英晶體監控技術,另一種是光學監控技術. 兩者各具優缺點.針對石英晶體監控技術,其工作原理是將一固定電壓加到石 英片上,因石英的壓電效應會使石英片產生振蕩,其振蕩頻率與質量成反比, 因此通過監測頻率的變化量△f即可以推算出膜層的幾何厚度.但是當膜層厚度 達到一定值時,石英的振蕩頻率不再遵從此特性,膜層幾何厚度的變化△d與振 蕩頻率的變化△f不再保持線性關系,因此就存在晶片的使用壽命限制,所以厚 度顯示就變得不穩定.而且膜層材料的折射率n因成膜條件(如:真空度,蒸發 速率,基板溫度,充氣流量等因素)的不同而變化,而石英監控方法無法得知 折射率,所以在做精密光學鍍膜時,其顯示厚度值大多只能作為參考.

 

沉積光學薄膜目前最常用的辦法就是光學監控法.當膜層厚度變化時,其 反射率和透射率會隨著發生變化,當反射率或透射率走到最大或最小值時可知 光學厚度nd為監控波長的1/4整數倍.利用這種辦法進行監控為極值法,這是目 前國產光學鍍膜機膜厚的主要監控辦法.但由于△nd=x△T/sin(4лnd/λ),在 極值點附近其透射率的變化緩慢,不僅增加了極值判斷的困難,還造成厚度誤 差加大.為補救極值法的缺點,我們在系統設計中還加入了比例法.因為選擇 了監控波長與設計波長不同,就可以避開極值點停鍍的麻煩,選擇誤差最小的 光學厚度位置進行停鍍,就可以使得膜厚的誤差大大減少.對于非規整膜系, 比例法也是非常有效的,而且在鍍制過程中通過變換監控波長,還可以維持監控的靈敏度.

 

目前市場上的國產光學真空鍍膜機主要是采用極值法人工判停的光學監控 或采用石英晶體監控辦法的自動鍍膜這兩種辦法.由于這兩種辦法本身存在的 不足,對鍍制多層精密光學薄膜來講均不能勝任.因此在這種背景下,我們開發了具有自主知識產權的光控全自動光學真空鍍膜系統.

 

2,設備架構及工作原理: 首先我們采用了國內外流行的離子輔助蒸鍍技術 (IAD) 來構筑設備的主體, 即真空腔體內包含了:電子束蒸發源,離子輔助源,光控系統,石英監控系統, 充氣系統及全自動控制系統幾大部分.考慮到設備是針對精密光學多層膜的全自動鍍膜,所以對所有硬件均設計采用以太網進行數據通訊,并構筑了蒸發速率監控,膜層厚度監控及真空系統與鍍膜控制系統等多個閉環控制系統來保證 控制功能及精度.顯示終端采用了雙界面顯示,包括有真空系統監控界面及鍍 膜控制監控界面.所有顯示界面均采用基于windows系統開發的中文視窗界面, 操作簡易并且監控直觀.通過工控上位機與PLC的通訊控制下面的執行單元.其中主體的光控系統的架構圖如下:

 

提供了透射和反射兩種監控方式來對應不同成膜的需要.通過高效光纖將信號 傳輸到光譜儀,并通過信號轉換將電信號傳輸到計算機進行數據處理.