近年來,高精度的光學(xué)儀器以及數(shù)碼產(chǎn)品不斷提高性能以適應(yīng)市場需求,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越高。寬帶增透膜是光學(xué)薄膜中應(yīng)用最多的膜系之一。國際市場上對膜層的反射率要求是,在420nm～780nm 范圍內(nèi),反射率低于0.25%,為了達(dá)到這種要求,我們采用非規(guī)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(zhǔn)確性和重復(fù)性。

　　對于非規(guī)整膜系的鍍制,目前常用的監(jiān)控方法有石英晶控、單波長監(jiān)控以及寬光譜監(jiān)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(jiān)控方法,可以直接了解薄膜的光學(xué)特性。寬光譜監(jiān)控和單波長監(jiān)控屬于光學(xué)膜厚監(jiān)控方法。寬光譜監(jiān)控是在很寬的波長范圍內(nèi)監(jiān)視薄膜的光譜特性,實(shí)時測量的是寬帶的光譜反射比數(shù)據(jù),得到的是光譜曲線。單波長監(jiān)控只監(jiān)控一個波長點(diǎn)的反射比,實(shí)時得到的是監(jiān)控波長點(diǎn)的反射比數(shù)據(jù)。以可見光為例,測量數(shù)據(jù)對比如圖1所示,寬光譜監(jiān)控實(shí)時得到的是400nm～800nm(1nm 一個測量點(diǎn),共401 個數(shù)據(jù)) 的光譜曲線,單波長監(jiān)控實(shí)時得到的是500nm(監(jiān)控波長)的一個反射比數(shù)據(jù)(即游標(biāo)所在的位置) 。

圖1 　寬光譜監(jiān)控曲線

　　兩種監(jiān)控方法測量數(shù)據(jù)量比為401∶1,方程(1)和(2)分別是寬光譜和單波長的測量數(shù)據(jù)隨機(jī)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(jiān)控比單波長監(jiān)控隨機(jī)誤差小的多。綜上所述,用寬光譜監(jiān)控鍍制高精度寬帶增透膜會使控制過程既直觀又精確。

1、鍍制難點(diǎn)及解決方案

　　寬光譜法是利用實(shí)測的光譜曲線與目標(biāo)光譜曲線進(jìn)行比較,計(jì)算出評價函數(shù)并將其反饋給控制系統(tǒng),當(dāng)評價函數(shù)的極小值為零時,被認(rèn)為膜層厚度達(dá)到了目標(biāo)值,停止蒸鍍。在理論上,這樣鍍出來的產(chǎn)品的光學(xué)特性與設(shè)計(jì)的應(yīng)該完全吻合。但實(shí)際上,評價函數(shù)的極小值不會為零,而總是比零大。這是由于在實(shí)際鍍制中,鍍膜材料沒有達(dá)到理論計(jì)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,這也給判停帶來了極大的困難。為了解決這種偏差,在保證工藝參數(shù)基本穩(wěn)定的情況下,我們需要完善評價函數(shù)算法,確立合理的目標(biāo)光譜曲線,減小實(shí)際鍍膜的光譜特性和目標(biāo)特性的偏差,使評價函數(shù)的極小值趨近于零,達(dá)到最佳膜厚。

1.1、評價函數(shù)

　　經(jīng)過多次試驗(yàn),總結(jié)鍍膜工藝師用目測法判停的依據(jù),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)特性對每一個波長點(diǎn)的權(quán)重要求都是一樣的,方程(3) 是能量法對應(yīng)的評價函數(shù)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 　第一層光譜曲線變化過程

　　例如,鍍制五層可見光增透膜的第一層時就必須使用這種方法,如圖2 所示,在鍍制過程中,隨著膜厚的增長,光譜曲線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(jié)束,評價函數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢,最后達(dá)到極小值。特征點(diǎn)法只適合于膜層對某幾個特定波長的要求較高,方程(4) 是特征點(diǎn)法對應(yīng)的評價函數(shù)公式:

　　式中ωj 是權(quán)重因子。例如,鍍制五層可見光增透膜的第四層時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) 三個波長點(diǎn)作為特定波長,其實(shí)測反射率參與評價函數(shù)的計(jì)算,根據(jù)膜料光學(xué)參數(shù)的特性,分別設(shè)置權(quán)重因子,其它波長的實(shí)測反射率忽略不計(jì)。在鍍制過程中,隨著膜厚的增長,495nm、427nm 和609nm 的反射率會逐漸出現(xiàn)極值,評價函數(shù)也是呈現(xiàn)遞減趨勢,最后達(dá)到極小值。這也使得自動判停成為可能。膜系如果對顏色的一致性有要求,可以在最后一層計(jì)算出顏色參數(shù)L、a、b或Y、x、y,并與目標(biāo)顏色作比較,滿足要求后判停。

圖3 　第四層光譜曲線變化過程