宽光谱监控法镀制高精度增透膜的分析

1、宽光谱监控法镀制高精度增透膜的分析 近年来,高精度的光学仪器以及数码产品不断提高性能以适应市场需求,使得光学产品对光学零部件的镀膜的光学特性和精度的要求越来越高。宽带增透膜是光学薄膜中应用最多的膜系之一。国际市场上对膜层的反射率要求是,在420nm780nm 范围内,反射率低于0.25%,为了到达这种要求,我们采用非规整膜系。高精度宽带增透膜最关心的是宽带的光谱特性,镀制高精度宽带增透膜最关键的是镀膜的准确性和重复性。 对于非规整膜系的镀制,目前常用的监控方法有石英晶控、单波长监控以及宽光谱监控方法 。对宽带增透膜的镀制,最适合的方法是光学膜厚监控方法,可以直接了解薄膜的光学特性。宽光谱监控和

2、单波长监控属于光学膜厚监控方法。宽光谱监控是在很宽的波长范围内监视薄膜的光谱特性,实时测量的是宽带的光谱反射比数据,得到的是光谱曲线。单波长监控只监控一个波长点的反射比,实时得到的是监控波长点的反射比数据。以可见光为例,测量数据比照如图1所示,宽光谱监控实时得到的是400nm800nm(1nm 一个测量点,共401 个数据) 的光谱曲线,单波长监控实时得到的是500nm(监控波长)的一个反射比数据(即游标所在的位置) 。 图1 宽光谱监控曲线 两种监控方法测量数据量比为4011,方程(1)和(2)分别是宽光谱和单波长的测量数据随机误差公式: 可以看出,方程(1)的分母比方程(2)的分母大得多,

3、所以宽光谱监控比单波长监控随机误差小的多。综上所述,用宽光谱监控镀制高精度宽带增透膜会使控制过程既直观又准确。 1、镀制难点及解决方案 宽光谱法是利用实测的光谱曲线与目标光谱曲线开展比较,计算出评价函数并将其反应给控制系统,当评价函数的极小值为零时,被认为膜层厚度到达了目标值,停止蒸镀。在理论上,这样镀出来的产品的光学特性与设计的应该完全吻合。但实际上,评价函数的极小值不会为零,而总是比零大。这是由于在实际镀制中,镀膜材料没有到达理论计算所要求的折射率,以及折射率的不均匀性对增透膜的影响等诸多原因,使得实际镀膜的光谱特性和理论值存在比较大的偏差 。同时,这也给判停带来了极大的困难。为了解决这种

4、偏差,在保证工艺参数基本稳定的情况下,我们需要完善评价函数算法,确立合理的目标光谱曲线,减小实际镀膜的光谱特性和目标特性的偏差,使评价函数的极小值趋近于零,到达最正确膜厚。 1.1、评价函数 经过多次试验,总结镀膜工艺师用目测法判停的依据,将判停方法分为能量法和特征点法两种。能量法适合膜层的光学特性对每一个波长点的权重要求都是一样的,方程(3) 是能量法对应的评价函数公式: 式中Ri (j , nidi ) 为实测反射比, Ri (j , nd)为理论反射比。 图2 第一层光谱曲线变化过程 例如,镀制五层可见光增透膜的第一层时就必须使用这种方法,如图2 所示,在镀制过程中,随着膜厚的增长,光谱

5、曲线从上面的第一条逐渐的逼近第二条,第三条,第四条,直到第五条,镀制结束,评价函数呈现递减趋势,最后到达极小值。特征点法只适合于膜层对某几个特定波长的要求较高,方程(4) 是特征点法对应的评价函数公式: 式中j 是权重因子。例如,镀制五层可见光增透膜的第四层时就必须使用这种方法,如图3 所示. 波峰、波谷的位置是需要控制的,因此,我们可以选择495nm(极大值) 、427nm(极小值) 、609nm(极小值) 三个波长点作为特定波长,其实测反射率参与评价函数的计算,根据膜料光学参数的特性,分别设置权重因子,其它波长的实测反射率忽略不计。在镀制过程中,随着膜厚的增长,495nm、427nm 和609nm 的反射率会逐渐出现极值,评价函数也是呈现递减趋势,最后到达极小值。这也使得自动