光学薄膜制备中的膜厚监控系统

薄膜厚度检测原理及系统
薄膜厚度检测系统的工作原理是基于光学干涉的原理。

当一束光在两个不同介质之间传播时，其中一部分光被反射，一部分光被穿透，并在两个介质的交界面上发生干涉。

干涉效应会引起光的相位差，从而引起干涉条纹的出现。

在薄膜厚度检测系统中，通过控制光源的波长和角度，以及检测器的位置和接收光强，可以测量出干涉条纹的参数，进而计算出薄膜的厚度。

下面是薄膜厚度检测系统的详细原理及工作流程：
1.光源选择：根据薄膜的材料和特性选择相应的光源，例如白光源、激光器等。

光源的稳定性和光谱宽度对测量精度有很大影响。

2.光束分束：将光源发出的光束分为两束，一束直接照射到薄膜上，另一束经过参考表面反射后照射到薄膜上。

两束光线在薄膜交界面发生干涉。

3.干涉条纹采集：使用探测器或摄像机采集干涉条纹的光强分布。

探测器可以是光电二极管、CCD等。

4.光强信号处理：将采集到的干涉条纹光强信号转换为电信号，并经过放大、滤波等处理，以提高信噪比和测量精度。

5.干涉条纹分析：利用光学干涉的原理，通过对干涉条纹的分析，得到薄膜厚度的参数。

6.数据处理和显示：将薄膜厚度参数输入到计算机中，进行数据处理和结果显示。

可以实时展示薄膜的厚度测量结果。

薄膜厚度检测系统的优点是非接触式测量，能够快速、准确地测量薄膜的厚度。

同时，该系统还具有高精度、高稳定性和高重复性等特点。

在电子、半导体、光学和涂料等行业中，薄膜厚度检测系统被广泛应用于质量控制、工艺优化和新材料研发等方面。

光学膜厚控制极值点自动判停引言光学膜厚控制是光学薄膜制备过程中的关键步骤。

在制备光学薄膜时，通过控制膜层的厚度可以实现对光的透射、反射和吸收等性质的调控。

为了获得所需的光学性能，必须控制膜厚在一定的范围内。

本文将介绍一种光学膜厚控制的方法，即通过自动判停技术实现对膜厚极值点的控制。

1. 光学膜厚控制的意义和挑战光学膜厚控制是光学薄膜制备过程中的关键步骤，对于薄膜的光学性能和应用具有重要影响。

在制备光学薄膜时，常常需要控制膜厚在极值点附近，以实现所需的光学性能。

然而，由于制备过程中存在多种因素的影响，如材料的性质、制备条件的变化等，使得膜厚的控制变得非常复杂和困难。

传统的膜厚控制方法主要依赖于人工操作，即通过人工观察和判断来控制膜厚。

这种方法存在人为误差大、效率低下、稳定性差等问题。

因此，开发一种自动化的膜厚控制方法具有重要意义。

2. 自动判停技术的原理自动判停技术是一种基于光学测量原理的方法，通过测量光学薄膜的反射光或透射光的强度，实时监测膜厚的变化，并根据预设的极值点进行判断和控制。

自动判停技术的实现主要包括以下几个步骤：2.1 光学测量利用光学测量仪器，如反射光谱仪、透射光谱仪等，对光学薄膜进行测量。

通过测量反射光或透射光的强度，可以获取膜厚与光学性能之间的关系。

2.2 极值点的设定根据需要控制的光学性能，确定膜厚的极值点。

极值点可以是最大值、最小值或特定的数值范围。

2.3 判停条件的设定根据测量结果和极值点的设定，设置判停条件。

判停条件可以是膜厚达到极值点附近的一定范围，或者是膜厚的变化率小于某个阈值等。

2.4 控制信号的输出根据判停条件的满足情况，输出控制信号。

控制信号可以用于停止膜厚的增加或减少，或者调整制备条件以实现膜厚的控制。

3. 自动判停技术的优势和应用自动判停技术相比传统的人工操作方法具有以下优势：3.1 准确性高自动判停技术利用光学测量仪器进行实时监测和测量，避免了人为误差，提高了膜厚控制的准确性。

光学薄膜厚度自动监控系统的研究的开题报告一、研究背景及意义光学薄膜应用广泛，涉及到太阳能电池、军事设备、通信器件等领域。

薄膜的光学性能是决定器件性能的关键因素之一，而薄膜的光学性能与薄膜厚度密切相关。

因此，对薄膜厚度的精确控制具有重要的意义。

传统的薄膜厚度检测方法主要包括光学反射法、X射线荧光法、扫描电镜法等，这些方法操作复杂、成本高，不适合应用于生产线上的实时监控。

因此，开发一种可自动、快速、准确监控薄膜厚度的系统，对提高薄膜制备质量、优化生产效率、降低生产成本具有重要的意义。

二、研究现状目前国内外已经有部分研究对光学薄膜厚度自动监控系统进行了探索和研究。

如美国三菱化学(Mitsubishi Chemical)、日本泰克(TOC)、德国莱宝(Leica)等企业已经研制开发出相关产品，并已成功应用于实际生产中。

国内也有相关研究，例如北京大学的杨永辉研究团队开发了一种基于激光干涉的光学薄膜厚度测量系统，并应用于光学器件的生产制造。

此外，中国科学院光电技术研究所的张乐研究团队提出了一种基于红外光谱法的薄膜厚度监测方法，在实验中取得了良好的效果。

然而，目前国内外尚不存在一种完全适用于各类光学薄膜的厚度自动监控系统。

因此，对开发一种性能优良、成本低廉、通用的光学薄膜厚度自动监控系统进行深入探究和研究具有迫切需要。

三、研究内容1、光学薄膜厚度监控的基本原理研究以传统的光学反射法为基础，研究不同光学薄膜体系在特定波长处的反射光强度与薄膜厚度的关系，建立光学薄膜厚度监测的基本原理。

2、系统构建与设计根据光学薄膜厚度监控的基本原理，设计基于光电二极管(光敏器件)与单片机的监测系统。

具体包括光电二极管的光电转换模块、模数转换模块、单片机控制模块等。

3、实验与数据处理通过制备不同厚度的光学薄膜，检验厚度监测系统的精度和稳定性。

将实验数据进行处理，建立薄膜厚度与光电二极管输出信号之间的数学模型。

四、预期成果本研究旨在开发一种可自动、快速、准确监控光学薄膜厚度的系统，预期成果包括：1、建立光学薄膜厚度监测的基本原理，建立光学薄膜厚度与光电二极管输出信号之间的数学模型。

光学薄膜厚度实时监测系统的研究与实现的开题报告一、选题背景及意义光学薄膜作为光学器件中重要的一种，广泛应用于光学分析、激光、通讯、光电显示等领域。

而薄膜的性能与其制备过程有着密切的关系，因此制备过程需要实时监测薄膜的厚度来保证制备出符合要求的薄膜。

近年来，随着微纳米技术的发展，光学薄膜的制备要求越来越高，因此实时监测薄膜厚度的方法也在不断地进行改进。

本课题旨在研究光学薄膜厚度实时监测系统，在实际应用中能够准确、高效地监测薄膜厚度，提高薄膜制备的精度，为光学薄膜的制备与应用提供有力的技术保障。

二、研究内容（1）研究光学薄膜制备过程中厚度的测量方法，包括显微镜测量、椭偏仪测量以及透射法测量等方法，分析其优缺点，并选择最适合实时监测的方法。

（2）设计并制作光学薄膜厚度监测系统，包括机械、电气、软件等方面的设计，确保系统的稳定性和准确性。

（3）对该系统进行实验测试，通过对制备出的薄膜厚度进行实时监测，验证该监测系统的可行性和有效性。

三、研究计划第一年：（1）对光学薄膜厚度测量方法进行研究与比较，确定最适合实时监测的方法。

（2）研究并设计光学薄膜厚度监测系统的机械和电气部分。

第二年：（1）完成光学薄膜厚度监测系统的软件设计与开发。

（2）制作光学薄膜厚度监测系统的完整装置并进行初步测试。

第三年：（1）对制备出的光学薄膜进行实时监测测试，评估监测系统的准确性与稳定性。

（2）对光学薄膜厚度实时监测系统进行改进与优化。

四、预期成果（1）对一种光学薄膜厚度测量方法进行深入研究，并确定其具有较好的实时监测性能。

（2）设计并制作出可靠、高效、准确的光学薄膜厚度实时监测系统，为光学薄膜制备提供技术保障。

（3）在实验测试中验证该监测系统的可行性和有效性，为光学薄膜制备和应用提供更好的支持。

光学镀膜宽带膜厚监控系统研究摘要：针对传统的宽带膜厚监控法存在精度低和灵活性不高的缺陷，文章提出了一种新的方法，在蒸镀过程中不断拟合更新镀层的色散系数（折射率）、膜厚等参数，而后根据所得数据不断修正设想的目标透射率（反射率），以克服传统的宽带膜厚监控法的缺陷，这就是基于修正膜层目标光谱特性的宽带膜厚监控系统。

关键词：色散系数；膜厚；目标透射率；宽带膜厚监控在光学薄膜镀制过程中，为使薄膜合乎要求，必须监控光学薄膜的参数。

由于光学薄膜的特性与每层薄膜的厚度关系密切，为镀制高质量的光学薄膜，在制造过程中就必须对每层薄膜的膜厚进行监控。

目前，通常采用单一波长的极值法对四分之一波长的光学薄膜进行监控，但极值法在极点处的透射率变化缓慢，导致监控精度不高［1］，不能满足高精度要求；宽带扫描法通常用来监控膜系膜厚，虽然宽带扫描法几经提出了近40年，但其对膜厚的精度的监控并不理想，应用有限，这是由其原理决定的。

由于镀制前所设定的膜层的目标透射率T（或反射率R）决定了宽带膜厚监控法的精度，这要求必须事先对材料进行大量实验，以确定不同蒸镀环境下膜层的折射率，这一过程不但复杂、效率低而且容易产生误差。

若是折射率较稳定的材料，如ZnS、MgF2等，还具有可行性；但若是薄膜性能对蒸镀条件依赖严重的材料［2］，就很难找准目标的透射率，也就无法找到一个合适的设定值，而且这一过程不具有可重复性，难以在生产中应用。

本文提出在蒸镀过程中不断拟合更新镀层的色散系数，并对目标透射率不断地计算和修正，直到达到所需的精确度为止，并依据本次蒸镀所确定的折射率和膜厚，设置下一层薄膜的厚度，消除前面各层的误差干扰，避免误差的累积，从而克服以往宽带膜厚监控法存在依赖事先设定的目标透射率的缺陷，实现动态、实时的确定目标透射率，从而提高膜厚监控精度。

1 宽带膜厚监控原理制备光学膜系时，第j层薄膜的透射率TJ不仅与该层膜的膜厚D、折射率n、已测定的波长λ有关，而且还与前j－1层膜的厚度和折射率都有关系，但如果在镀制过程中第j层膜层的折射率是稳定的，则TJ仅与膜厚D和波长λ有关，此时TJ＝TJ（λ，D），如果i层薄膜的设计膜厚为Di，应达到的透射率为TJ（λ，Di），则这两条光谱透射率曲线的差距为：fj＝此公式也被称为评价函数，从公式来看，如果在镀制中不断计算出评价函数，当它的值为零时就能得到最优值。

高精度数字式光学膜厚监控系统鞠兵;马孜;蔡邦维【摘要】通过对光学膜厚监控系统中光路部分、电路部分以及信号处理部分的噪声分析,设计出频率稳定性良好的斩光器、低噪声光接收电路和具有较强抗噪声性能的数字式锁相放大器,从而显著地提高了系统的精度和稳定性,为提高镀膜成功率和薄膜性能创造了有利的条件.将该系统应用于镀膜系统中,实验结果证实了该系统具有较高的精度和稳定性.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2006(030)003【总页数】3页(P283-285)【关键词】薄膜;光学膜厚监控;数字式锁相放大器;精度;信噪比【作者】鞠兵;马孜;蔡邦维【作者单位】四川大学,电子信息学院,成都,610064;西南技术物理研究所,成都,610041;四川大学,电子信息学院,成都,610064【正文语种】中文【中图分类】O484.4引言对于光学薄膜的制备，通用的膜厚监控方法是光学监控方法。

由于光信号经真空光路和单色仪后，其光强变得很弱，此时外界各种干扰噪声可能比有用光信号强得多，导致系统稳定性较差。

目前，国产光学膜厚监控系统精度较低，稳定性较差，而国外光学膜厚监控系统精度高，稳定性好，但价格昂贵。

为此，作者自行设计出高精度数字式光学膜厚监控系统，提高了监控系统的精度和稳定性，为提高镀膜成功率和薄膜性能创造了有利的条件。

1 原理一般光学膜厚监控系统结构如图1所示。

来自光源的光信号由光斩波器调制成一定频率的交流光信号。

该光信号一部分经镀膜机真空室到单色仪，再通过光接收放大电路，成为锁相放大器的主信号输入；另一部分光信号直接经光接收放大电路成为锁相放大器的参考信号。

最后，由锁相放大器进行相敏检波测得光信号的幅度。

Fig.1 The average structure of optical monitoring system锁相放大器是一种常用的微弱信号检测设备，而锁相放大器一般是以相敏检波器(PSD)为核心的[1]。

在一般情况下，PSD的主信号Vi和参考信号Vr是两个正弦波，且其频率相同，而Vi中含有宽带噪声项，即：Vi=Eicos(2πfit+φi)∑Encos(2πfn t+φn)(1)式中，Ei为主信号的振幅，fi为主信号的频率，t为时间，φi为主信号的初相位，En为噪声的振幅，fn为噪声的频率，φn为噪声的初相位。