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镀制AR膜的一种新方法: BXTA4VYM.htm

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镀制AR膜的一种新方法:

宽光谱监控系统在高档增透膜镀制监控的应用

摘要：
本文介绍了镀制高档增透膜时，利用宽光谱监控系统监控的镀制效果。宽光谱监控系统利用它本身宽带监控的优势，实时显示镀膜曲线的变化及实时误差修正，有效弥补了单波长监控的不足，对于提高宽带增透膜镀制精度和成品率有显著的效果。
关键词：宽光谱监控，增透膜，实时修正
1.引言：
近年来，随着高科技产品的不断更新，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要，使得光学产品对元器件的要求包括对光学镀膜的特性和精度的要求越来越高。
如何提高薄膜特性和精度？用传统的膜系设计方法和镀膜监控方式都不能满足多样化和高精度市场要求。
以宽带增透膜为例,国际市场上通常对镀膜面的反射率要求一般为在420-780nm范围内，反射率低于0.25%。目前国内大部分镀膜厂家所采用的膜系都是传统的规整膜系，监控方法主要为石英晶控和单波长监控测量膜厚的方式。由于所用的监控方法和镀膜工人能力的限制，所得到的产品总是或多或少地不能满足要求，或者优良品率很低，重复性很差。使用传统膜系和传统监控方式得到的薄膜的反射率一般仅在0.5%左右。
1.1 对监控方式的考虑
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[1,2]。对于光学薄膜来说，最适合的方法是光学控制方法[3]，可以直接了解薄膜的光学特性。单波长极值法[4]监控宽带增透膜的方法，由于材料色散和控制灵敏度等因素的影响，造成这种监控方式很难精确控制宽波段特性。也就是说单波长点的控制所得到的信息还不足以了解所要求的宽带增透膜全波长范围内的光学特性。我们建议采用宽光谱监控的方法。此方法在很宽的波长范围内同时直接地监视薄膜在所要求的所有波长位置的特性，就能使控制既直观又精确。
宽光谱监控对于波长的扫描一般有两种方法：一种是转动单色仪的衍射光栅来完成的[5]，这种方法速度较慢，对机械传动部分的要求很高，只能部分地满足光学镀膜监控的要求并且工作效率很低；另外一种，可采用线阵检测器作为接收器件，这样就可以使用固定的光栅分光，完全避免了机械扫描的麻烦，不仅采样频率快，而且能同时接收宽光谱信号，能实现光谱的快速测量, 满足镀膜过程中实时监控测试片的光谱变化的要求宽光谱监控与单波长监控相比较，在技术上有许多先进性：
1）.宽光谱控制：由于各种各样的原因，造成了在镀膜过程中膜料存在着色散和折射率误差，采用单波长监控某一波段范围内的一个波长点处的光谱特性，无法说明该波长点附近及更远点的薄膜特性，因此单波长监控是很难兼顾到膜系的宽谱特性的[6]。晶体控制的方法是借助测量膜层的物理重量推断光学性能的间接方法，非常有利于控制膜层蒸镀速率却不能直接反映光学薄膜要求的光学特征，并且在正式应用于生产镀膜之前需要大量的工艺实验。而宽光谱监控系统由于同时测量一个很宽的波长范围内的光谱特性，因此可以直观方便地观察、控制每一膜层宽谱特性。从工艺实验的角度来说，可以大量地减少工艺试验工作。
从比较片的光学性能这个意义上讲，可以初步地实现镀膜过程的所见即所得。
2).宽光谱补偿：宽光谱监控在镀制过程中，实时测量膜系透射或者反射光谱曲线，并不断比较实测曲线与当前膜层理论曲线（或者工艺目标曲线），当二者最为接近时停止沉积膜层[6]。在这个监控过程中我们总是把当前层的目标曲线作为终点，优化本层的厚度。从这个意义上讲前面膜层的误差，在一定程度上被后续膜层补偿和截断，这种补偿是在监控全波长范围内进行的。
3)．宽光谱监控的精度：由于在多波长点（一般为200-400个波长点）同时对每一层膜系的光学性能给出评价，因此，大量的波长点同时对膜系性能测量做出贡献。这样就可以在不损失测量速度和不追求单一波长点测量精度的前提下，得到很高的测量和控制精度。
1.2 对膜系的考虑
非规整膜系具有光学特性好、膜层数少的、蒸镀时间短等等显著特点，符合现代工业的要求。因此，越来越成为现代光学薄膜的主流。
1.21.宽光谱监控可以方便的实现非规整膜系的监控。由于采用了宽波长范围的全面监控，因此膜系是否规整对宽光谱监控没有任何影响。
1.22.宽光谱监控可以同时获得400-800nm（或者400-1000nm）光谱范围内所有波长点的薄膜透反射率光谱特征，获得的信息量是单波长法监控的数百倍至上千倍，通过对监控得到的透、反射特性的曲线分析处理，可以计算出已镀膜层的折射率、吸收率、色散、厚度等参数，这样与膜系优化设计相结合，就可以实现镀膜过程中根据已镀制膜层修改后续膜层参数的智能化控制。
1.23.宽光谱监控系统可以完成膜料折射率测量，同时保留镀制结果最佳的工艺曲线，对提高产品的成品率和重复性有很大帮助。
1.24.由于采用了宽光谱监控，因此，无论是更注重膜系的透反射率还是最终的颜色都能够得到更精确的结果。
2.原理：
宽光谱监控系统由一个工业控制计算机、控制柜和装在镀膜机上的光发射/接收部分组成。系统在镀膜过程中不断测量膜系从400nm到800nm（或1000 nm）波长范围的光谱透射率或反射率，对膜系进行监控。图1为系统原理图。
图1  宽光谱监控原理框图
光经过聚光系统投射到监控片上，反射接收后经过光纤进入光谱仪。光谱仪中的光栅将入射光投射到CCD上，形成一个从紫外到红外分布的色带。线阵CCD的不同像元接收不同波长的光波，经过一定的积分时间，由驱动电路将各个像元的电流大小读出并放大。经AD转换送入计算机处理，见图2。
                        图2 信号采集原理图
系统主要由三部分组成：光头部分，包括光源及电源、聚光系统、步进电机驱动的分相斩波器以及用于取同步信号的光电开关，及相关的辅助装置，如散热装置，机械调节装置、光源更换装置，电机驱动电路等；信号采集部分，光接收部分将接收到的光送入光纤传输至光谱仪，在光谱仪中，由光栅分光，线阵CCD接收，并进一步做电子处理，以整型数组方式将CCD各像元的值传送至计算机；.计算机及软件系统，软件系统负责信号的分析、显示，辅助控制，使操作者能够方便直观地控制镀膜过程。在获取了较高的测量精度之后，需要充分利用宽光谱监控的大量信息，提高系统的智能化水平和控制精度，实现自动控制。
软件主要功能包括：
2.1．膜系光谱特性计算：
a)  计算非常精确，可以计算含色散、吸收膜系的光谱特性；
b)  系统包含一个可以扩展的材料库，内置常见材料的折射率；
c)  模拟监控过程，设置监控方案。对每层膜给出5条监控曲线，分别对应20%，40%，60%，80%以及100%膜层厚度时对应的理论光谱。
2.2．可以自动测定镀膜材料的折射率和色散：由于宽光谱监控得到大量的信息，镀制一个足够厚的单层膜，得到的数据可以计算出材料的折射率和色散。
2.3．判停有三种方式：
a)  目视法人工判停
b)  特征点法自动判停
c)  能量法自动判停
2.4．实时修正：如果机器性能好，能够保证材料折射率的稳定性，那么在每层膜镀制完成后，系统可以根据膜系镀制情况推测出实际镀制膜层厚度，并且可以实时优化后续膜层。
3.应用实例：
3.1.可见光400-700 nm高精度增透膜
基底玻璃材料：K9玻璃
膜系：0.43L0.32H0.44L2.23H1.035L
性能指标要求：400-700nm R≤0.3%，
镀膜机：国产
光控系统：Filmonitor BS 光学镀膜宽光谱监控系统
晶控系统：无
使用国产镀膜机及宽光谱监控系统镀制一个非规整宽带增透膜，膜系结构为：0.43L0.32H0.44L2.23H1.035L，H层材料折射率为2.02，L层材料折射率为1.38，入射介质为空气，基板为K9玻璃，中心波长为500nm，理论薄膜光谱曲线为下图，400-700nm平均反射率＜0.15%。

首先将膜系调入到监控系统软件中，设置好监控系统的各个参数后，进入实时监控界面，同时真空度、温度以及蒸发速率调整到稳定适宜的工艺数值时，进行镀制，如图
界面显示出第一层理论光谱曲线与实际镀膜曲线，当实际镀膜曲线与理论曲线相重合时，关闭挡板停止蒸镀，利用同样方法继续镀制后续膜层，最终镀制结果如图，与理论相比误差小于0.1%；

理论镀膜曲线

实际镀膜曲线

3.2.超宽带高精度增透膜
一些现代综合性光学仪器往往一机多用，光学系统的工作波段可能要覆盖可见、微光、1.06μ，一般来说这样的光学系统是比较复杂的，光学零件多，光能损失大，为了获得良好的光学性能，需要在其表面镀制超宽带增透膜。规整膜系必然需要较多层数和较多种类的膜料才能实现[9]，所以采用非规整膜系进行镀制。
基底玻璃材料：K9玻璃
膜料：TIO2, MgF，AL2O3
膜系：
性能指标要求：450nm—1100nm平均反射率≤0.8%，400-900nm R≤0.5%
镀膜机：国产
光控系统：Filmonitor BS 光学镀膜宽光谱监控系统
晶控系统：无
理论薄膜光谱曲线如图，
首先，将膜系调入监控系统控制软件中，在和实际镀膜同样的工艺条件下测试膜料的折射率，然后用实际测得的膜料折射率重新优化设计膜系，进行镀制，最终镀制结果如图所示，在400-1100nm平均反射率＜0.75%，相对误差为0.1%。
宽光谱监控系统同时可以测试实际镀膜时膜料的折射率，用实际的测试的折射率设计膜系可以更好的减小监控误差，同样可以使实际镀膜结果与理论相一致。宽光谱监控系统在镀膜过程当中，还可以通过改变膜层厚度或者修改膜料折射率，实时修正膜系结构，优化后续膜层，达到提高产品质量和成品率，在高档增透膜的镀制中起到了重要作用。
4.结论：
Filmonitor BS宽光谱光学镀膜监控系统在镀制宽带增透膜有特有的优势，宽带监控，计算机控制，简单快捷的膜系设计软件，高精度多手段的判停方式以及重复一致性的保证，适合科研与批量工业生产，全套的科学工艺解决方案可以令镀制高精度增透膜变的简单，生产质量得以迅速提高

参考文献
1.H.K.Pulker,Coating on glaselsevier, Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo 1984, pp306-308
2.W.G.Sainty, D.W.Sainty, Multiwavelength monitoring of thin-film growth using a fiber spectrometer, Proceeding of SPIE, Vol. 4094, 2000, pp31-37
3.H.A.Macleod, Appl.Opt. Vol. 20, 1981, pp.82
4.R. R.Willey, Practical design and production of optical thin-films, Marcel Dekker, Inc. 1996, pp.223
5.顾培夫，薄膜技术，浙江大学出版社，1990，pp.170
6.卢维强  林永昌，工程光学，北京工业学院，1987， pp.45

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