寬光譜監控法鍍制高精度增透膜的研究
近年來(lái),高精度的光學(xué)儀器以及數碼產(chǎn)品不斷提高性能以適應市場(chǎng)需求,使得光學(xué)產(chǎn)品對光學(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)薄膜中應用最多的膜系之一。國際市場(chǎng)上對膜層的反射率要求是,在420nm～780nm 范圍內,反射率低于0.25%,為了達到這種要求,我們采用非規整膜系。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)鍵的是鍍膜的準確性和重復性。
對于非規整膜系的鍍制,目前常用的監控方法有石英晶控、單波長(cháng)監控以及寬光譜監控方法 。對寬帶增透膜的鍍制,最適合的方法是光學(xué)膜厚監控方法,可以直接了解薄膜的光學(xué)特性。寬光譜監控和單波長(cháng)監控屬于光學(xué)膜厚監控方法。寬光譜監控是在很寬的波長(cháng)范圍內監視薄膜的光譜特性,實(shí)時(shí)測量的是寬帶的光譜反射比數據,得到的是光譜曲線(xiàn)。單波長(cháng)監控只監控一個(gè)波長(cháng)點(diǎn)的反射比,實(shí)時(shí)得到的是監控波長(cháng)點(diǎn)的反射比數據。以可見(jiàn)光為例,測量數據對比如圖1所示,寬光譜監控實(shí)時(shí)得到的是400nm～800nm(1nm 一個(gè)測量點(diǎn),共401 個(gè)數據) 的光譜曲線(xiàn),單波長(cháng)監控實(shí)時(shí)得到的是500nm(監控波長(cháng))的一個(gè)反射比數據(即游標所在的位置) 。
圖1 寬光譜監控曲線(xiàn)
兩種監控方法測量數據量比為401∶1,方程(1)和(2)分別是寬光譜和單波長(cháng)的測量數據隨機誤差公式:
可以看出,方程(1)的分母比方程(2)的分母大得多,所以寬光譜監控比單波長(cháng)監控隨機誤差小的多。綜上所述,用寬光譜監控鍍制高精度寬帶增透膜會(huì )使控制過(guò)程既直觀(guān)又精確。
1、鍍制難點(diǎn)及解決方案
寬光譜法是利用實(shí)測的光譜曲線(xiàn)與目標光譜曲線(xiàn)進(jìn)行比較,計算出評價(jià)函數并將其反饋給控制系統,當評價(jià)函數的極小值為零時(shí),被認為膜層厚度達到了目標值,停止蒸鍍。在理論上,這樣鍍出來(lái)的產(chǎn)品的光學(xué)特性與設計的應該完全吻合。但實(shí)際上,評價(jià)函數的極小值不會(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)有達到理論計算所要求的折射率,以及折射率的不均勻性對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。為了解決這種偏差,在保證工藝參數基本穩定的情況下,我們需要完善評價(jià)函數算法,確立合理的目標光譜曲線(xiàn),減小實(shí)際鍍膜的光譜特性和目標特性的偏差,使評價(jià)函數的極小值趨近于零,達到最佳膜厚。
1.1、評價(jià)函數
經(jīng)過(guò)多次試驗,總結鍍膜工藝師用目測法判停的依據,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)特性對每一個(gè)波長(cháng)點(diǎn)的權重要求都是一樣的,方程(3) 是能量法對應的評價(jià)函數公式:
式中Ri (λj , nidi ) 為實(shí)測反射比, Ri (λj , 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(zhù)膜厚的增長(cháng),光譜曲線(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,鍍制結束,評價(jià)函數呈現遞減趨勢,最后達到極小值。特征點(diǎn)法只適合于膜層對某幾個(gè)特定波長(cháng)的要求較高,方程(4) 是特征點(diǎn)法對應的評價(jià)函數公式:
式中ωj 是權重因子。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(cháng)點(diǎn)作為特定波長(cháng),其實(shí)測反射率參與評價(jià)函數的計算,根據膜料光學(xué)參數的特性,分別設置權重因子,其它波長(cháng)的實(shí)測反射率忽略不計。在鍍制過(guò)程中,隨著(zhù)膜厚的增長(cháng),495nm、427nm 和609nm 的反射率會(huì )逐漸出現極值,評價(jià)函數也是呈現遞減趨勢,最后達到極小值。這也使得自動(dòng)判停成為可能。膜系如果對顏色的一致性有要求,可以在最后一層計算出顏色參數L、a、b或Y、x、y,并與目標顏色作比較,滿(mǎn)足要求后判停。
圖3 第四層光譜曲線(xiàn)變化過(guò)程
