近年來,高精度的光學儀器以及數碼產品不斷提高性能以適應市場需求,使得光學產品對光學零部件的鍍膜的光學特性和精度的要求越來越高。寬帶增透膜是光學薄膜中應用最多的膜系之一。國際市場上對膜層的反射率要求是,在420nm～780nm 范圍內,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心的是寬帶的光譜特性,鍍制高精度寬帶增透膜最關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膜厚監控方法,可以直接了解薄膜的光學特性。寬光譜監控和單波長監控屬于光學膜厚監控方法。寬光譜監控是在很寬的波長范圍內監視薄膜的光譜特性,實時測量的是寬帶的光譜反射比數據,得到的是光譜曲線。單波長監控只監控一個波長點的反射比,實時得到的是監控波長點的反射比數據。以可見光為例,測量數據對比如圖1所示,寬光譜監控實時得到的是400nm～800nm(1nm 一個測量點,共401 個數據) 的光譜曲線,單波長監控實時得到的是500nm(監控波長)的一個反射比數據(即游標所在的位置) 。

圖1 　寬光譜監控曲線

　　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使控制過程既直觀又精確。

1、鍍制難點及解決方案

　　寬光譜法是利用實測的光譜曲線與目標光譜曲線進行比較,計算出評價函數并將其反饋給控制系統,當評價函數的極小值為零時,被認為膜層厚度達到了目標值,停止蒸鍍。在理論上,這樣鍍出來的產品的光學特性與設計的應該完全吻合。但實際上,評價函數的極小值不會為零,而總是比零大。這是由于在實際鍍制中,鍍膜材料沒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,在保證工藝參數基本穩定的情況下,我們需要完善評價函數算法,確立合理的目標光譜曲線,減小實際鍍膜的光譜特性和目標特性的偏差,使評價函數的極小值趨近于零,達到最佳膜厚。

1.1、評價函數

　　經過多次試驗,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法兩種。能量法適合膜層的光學特性對每一個波長點的權重要求都是一樣的,方程(3) 是能量法對應的評價函數公式:

　　式中Ri (λj , nidi ) 為實測反射比, 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,鍍制結束,評價函數呈現遞減趨勢,最后達到極小值。特征點法只適合于膜層對某幾個特定波長的要求較高,方程(4) 是特征點法對應的評價函數公式:

　　式中ωj 是權重因子。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) 三個波長點作為特定波長,其實測反射率參與評價函數的計算,根據膜料光學參數的特性,分別設置權重因子,其它波長的實測反射率忽略不計。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極值,評價函數也是呈現遞減趨勢,最后達到極小值。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,可以在最后一層計算出顏色參數L、a、b或Y、x、y,并與目標顏色作比較,滿足要求后判停。

圖3 　第四層光譜曲線變化過程