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发表于 2013-9-26 14:26:01
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高性能宽带（超宽带）增透膜（AR）镀制全面解决方案& k ~' d9 f8 K# b$ b# M8 U$ f- {1 l! F5 Z. Q0 b- \( ^3 H
引言：" I _, l: N @ k& y& ^- b. Z1 a+ I9 u
近年来，随着高科技产品的不断更新与发展、高精度的光学仪器以及数码产品质量和性能的不断提高，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以满足这种需求？# @8 [+ T6 D5 f* ?7 j. x, b$ `4 _1 P9 W2 r9 @8 s0 J+ m1 M
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%。光学薄膜研究、设计人员和镀膜工程师们作了大量的研究和实验工作，希望借助传统的膜系设计方法和镀膜监控方式达到高精度和高合格率的要求。
0 _4 b1 s0 ^3 Q1 q5 q2 v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，产品的优良品率也仅仅能够保持在75-80%左右。同时，高档光学仪器要求精度和功能性越来越高，5 u, d* E% z u9 k
基于我们向国内专家咨询的结果、查阅的技术资料和工作经验，在这里对高性能宽带（超宽带）增透膜（AR）镀制的解决方案做出总结，并推荐给广大光学镀膜工作者作为参考。
& G# F# j6 C" d+ c7 @一，对监控方式的考虑) [2 j" q( L; a2 v w' C2 v0 v3 G$ Z7 E3 m/ K4 K+ J
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。& V; C: x# d x0 Y8 K' {/ m3 V# r$ N2 T! o8 O
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反射率特性，就能使控制既直观又精确。( w \+ h1 U* ^, G# `; B
0 T8 V6 K$ A* I9 x9 k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[5，6]，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。: y8 H; h& A8 b+ c# F
宽光谱监控与单波长监控相比较，在技术上有许多先进性：$ Q* J J. L( e; A3 m3 _- p3 ^9 c4 V" c' C. W( \' c) D
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[7]。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。8 B$ W. {& C' b/ E) q6 Q
" a" x' g2 S- u6 m5 S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。
6 ^' H$ F. r5 c# g6 ^" T2.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[8]。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。2 b, \' S& ?9 u* N- }7 ^1 `; M) t. `
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。& {! J3 v% x( y* e5 z
4.我们的经验表明，使用北京欧普特科技有限公司设计制造的Filmonitor BS 宽光谱光学薄膜在线监控系统进行宽带增透或者超宽带增透膜的镀制过程监测能够取得非常好的效果。' ~ |$ h8 K! {, j9 [& q0 G) t0 ?. i E+ i" v$ F: r" O r9 Q- ^
二，对膜系的考虑# {9 U$ R4 u1 v) k4 I) S" B8 Y) S* x+ _1 `$ r9 ]5 z( g
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。! p8 ?# I6 C+ n) M
然而，使用传统的单波长点光控方式监控非规整膜系遭遇了对镀膜操作工人的经验要求高、控制精度差、操作复杂、优良品率低等等困难。因此，使用单波长光控系统的大量光学镀膜工厂和实验室还在忍受着规整膜系使用膜层数量大、磨料种类多、蒸镀时间长的痛苦，而沿用着使用规整膜系设计并镀制宽带膜的理念和方法，希望以此来提高产品的优良品率。
8 _3 V6 H+ P% e- Z' q5 z. i9 h实现宽带膜系镀制的理想方法有两个，即：使用价格昂贵的带有高精度光控系统的全自动镀膜机或者使用成本相对低廉的宽光谱监控系统。我们认为，无论从投资成本还是工艺的可实现性、蒸镀操作的简易性来讲后者更适合于中国的实际情况。3 n9 h, ?% ^1 L0 K3 a9 V, U$ q: d% i0 s* z) |/ Q- R+ u' W( B
1.宽光谱监控可以方便的实现非规整膜系的监控。
4 U( L; d+ K( N9 E" B由于采用了宽波长范围的全面监控，同时获得全波长范围内任意波长点的信息，因此膜系是否规整对宽光谱监控没有任何影响。- _9 D% H# B% X) O% J, J& }
; K$ N- e% @- I9 q/ m1 D$ B6 _2. Filmonitor BS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，可以计算并实时显示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。; @- F3 ~: {& w O% f4 T8 A
7 l. c% d& h7 J) G3. Filmonitor BS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曲线作为后续蒸镀的目标曲线（工艺目标曲线），对提高产品的成品率和重复性有很大帮助。7 l' m$ n. v2 \' j- f9 Q
( }; c- w& t1 E9 _% R4.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。 s- T1 | Q2 |9 y! ] _* L: h; q
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