光学膜厚宽带监控关键技术研究

论文摘要

光学薄膜的光学特性与其每一膜层的厚度密切相关,为了制备出符合要求的光学薄膜产品,在制备过程中必须监控膜厚。对于规整膜系来说,目前采用最多的是监控单一波长的光电极值法,但由于其在极值点附近透射率(反射率)的变化缓慢,光电极值法的监控精度并不高。随着光学薄膜复杂性和精度要求的不断提高,光学薄膜的膜系更多地采用非规整结构,客观上要求探索新的任意膜厚监控方法,同时对光学薄膜制备过程的自动化程度提出了更高的要求。近年来一种直观易用的光学膜厚监控技术——宽带监控技术,逐步成熟并得到应用,该项技术被薄膜工作者认为是解决光学薄膜制备过程中精确控制光学薄膜宽波段特性的理想方法。它通过实测的宽光谱扫描曲线与理论计算的目标光谱曲线进行比较,以评价函数反馈比较结果给控制系统来进行膜厚监控。德国、美国、日本等多个国家的企业相继开发出了该类型的产品。相比之下,国内研制的膜厚监控系统水平还较低,使得国产的光学镀膜机自动化程度也不能满足制备高精度复杂膜系的要求。为改善国产光学膜厚宽带监控系统研制水平和提高国产光学镀膜机的自动化程度,作者在陕西省教育厅和科技厅重点研究项目的支持下,围绕光学膜厚宽带监控系统中的几个关键技术与实现方法——光谱在线测量的光谱分辨率和谱线校准、背景噪声的抑制与实现、基于自适应阈值的小波去噪方法、基于设计制造一体化的评价函数的修正技术等方面进行了系统地研究,以期为改善国产光学膜厚宽带监控系统研制水平和提高国产光学镀膜机的自动化程度方面提供有益的技术支撑,主要包括以下四个方面:1.由于膜厚宽带监控依赖于对薄膜生长过程中实时、在线、高品质的实测光谱曲线,该实测光谱曲线的光谱分辨率和波长定位准确性不足会导致滤光片中心波长与监控波长产生分离,从而使滤光片最后几层膜的膜厚判读不足或甚至信号反转,致使监控失败。通常情况下,实测光谱曲线依赖高性能的光谱仪来完成。因此,论文首先对影响CCD光栅光谱仪光谱分辨率指标的因素进行了深入分析,指出采用阵列探测器后,光栅光谱仪分辨率与光通量的矛盾演变为灵敏度和像元尺寸之间的矛盾,构建了相应的数学模型;针对研制的膜厚宽带监控系统,通过实验确定了所研制系统的最佳狭缝宽度。对CCD光栅光谱仪的波长校准过程中存在的非线性关系进行了分析,给出了相应的数学模型;采用汞灯的特征谱线对CCD像元与光谱波长的对应关系进行了标定实验,采用三次拟合方法实现了亚像素的波长校准。2.由于膜厚宽带监控系统中的CCD探测器总是工作于强背景噪声的环境,此时真空室内膜层材料淀积过程中产生的杂散光将使监控信号失真,严重影响实测光谱曲线的准确性,甚至使整个监控过程失败。针对上述问题,设计了由步进电机控制的信号光调制器,实现了其与CCD数据采集卡的精确匹配,完成了信号在亮周期和暗周期的精确采样;采用同一像元相邻亮暗周期信号对应相减的方法,实现了对背景噪声信号和CCD暗电流噪声的有效抑制。实验表明,在系统信号光源开启后,延迟2～10分钟监控系统再开始工作,其最大噪声电压由1120单位下降到200单位,保证了实测光谱曲线的准确性。3.为进一步剔除经过相邻亮暗周期信号相减处理后光谱测试信号残留的噪声,在传统的Donoho小波阈值去噪法基础上,提出小波阈值优化算法;选择db4小波对含噪信号进行五层小波分解,对薄膜宽带监控系统的光谱信号进行数字处理。通过光电倍增管对信号的精确采集,来确定新阈值函数中最合适的微调因子g ( m,n),从而同时减小了拒真概率和虚报概率;实验表明小波阈值优化算法在平滑波形的基础上,很好地保留了信号的细节成分,峰值误差为0.7%～1.0%,峰位误差为0.1%～0.3%,满足了薄膜宽带监控系统使用要求,为薄膜宽带监控系统的光谱信号预处理提供了一种新方法。4.镀膜过程中膜料的光学参数严重依赖于工艺参数,膜料实际光学参数与设计参数的不一致,使得测量曲线和理论曲线出现严重背离,评价函数将出现多极值现象,对镀膜过程的判停带来严重影响。论文提出了一种用所测得膜层的实际常数对随后膜层的目标透射比曲线进行逐层修正的方法。该方法依赖于根据获得的光谱测试曲线求解膜层的实际参数的光谱拟合方法,故对光谱拟合中常用的最小二乘法、单纯形法、模拟退火法的拟合效果进行了对比实验;采用逐层修正技术进行了薄膜制备实验,实验结果表明,薄膜制备误差可以达到0.4%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究现状及前人研究成果
• 1.2.1 国外研究现状及前人研究成果
• 1.2.2 国内研究现状及前人研究成果
• 1.3 研究工作的主要内容及创新点
• 第二章 光学薄膜技术简述
• 2.1 光学薄膜设计技术简述
• 2.2 光学薄膜制备技术简述
• 2.2.1 化学气相沉积
• 2.2.2 物理气相沉积法
• 2.2.3 离子辅助镀膜技术
• 2.3 光学膜厚监控技术简述
• 2.3.1 主要监控方法简述
• 2.3.2 任意厚度膜系监控方法简述
• 2.3.3 膜厚宽带监控技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统光谱分辨率分析与谱线校准技术
• 3.1 引言
• 3.2 基于阵列探测器的光栅光谱仪简述
• 3.2.1 阵列探测器像元尺寸对采样信号的影响
• 3.2.2 基于CCD的多通道光谱仪的基本结构
• 3.3 入射狭缝最佳尺度确定
• 3.3.1 基于CCD的光栅光谱仪理论分辨率计算
• 3.3.2 狭缝最佳宽度的实验确定
• 3.4 CCD像元与光谱波长对应关系标定
• 3.4.1 波长与像元序数的非线性关系
• 3.4.2 CCD光谱测量中的波长定标
• 3.4.3 测试实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 背景噪声抑制与实现技术
• 4.1 引言
• 4.2 背景光强的抑制方法简述
• 4.2.1 背景光强抑制方法简述
• 4.2.2 背景光强抑制的同步累计法
• 4.2.3 宽带膜厚监控信号的提取方法
• 4.3 膜厚宽带监控系统构成简述
• 4.4 抑制背景光强影响的实现技术
• 4.4.1 步进电机的控制原理及处理流程
• 4.4.2 采集部分数据的提取与分类
• 4.4.3 采集控制软件流程
• 4.5 实验结果与分析
• 4.5.1 光源的稳定性测试
• 4.5.2 背景噪声剔除效果测试
• 4.5.3 器件动态范围测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 噪声的数字信号处理技术
• 5.1 引言
• 5.2 随机信号的各种去噪方法简述
• 5.2.1 Savitzky-Golay法去噪
• 5.2.2 Boxcar法去噪
• 5.2.3 FFT法去噪
• 5.2.4 小波阈值法去噪
• 5.3 各去噪方法的实际效果比较
• 5.3.1 Savitzky-Golay法去噪效果
• 5.3.2 boxcar法去噪效果
• 5.3.3 FFT法去噪效果
• 5.3.4 小波滤波法去噪效果
• 5.4 小波阈值去噪优化算法
• 5.4.1 自适应阈值算法优化的原理
• 5.4.2 阈值确定
• 5.4.3 线阵CCD薄膜宽带监控系统实测结果
• 5.4.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于设计制造一体化的评价函数的修正技术
• 6.1 引言
• 6.2 膜料吸收引起偏差的理论计算
• 6.2.1 吸收偏差
• 6.2.2 吸收介质膜层光学特性计算
• 6.3 吸收偏差的逐层补偿方法
• 6.3.1 逐层补偿方法
• 6.3.2 逐层补偿的实现
• 6.4 薄膜参数的光谱拟合法
• 6.5 三种拟合方法的对比实验
• 6.5.1 最小二乘拟合结果
• 6.5.2 单纯形法拟合
• 6.5.3 模拟退火法拟合
• 6.5.4 三种拟合方法比较结果
• 6.6 薄膜制备实验及结果分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间科研与发表论文情况