数字滤波在光学镀膜宽光谱监控中的应用

第２ ８卷 第 ４ 期 ２ ０ 年 ８月 ０６
光
学
仪
器
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ４ １２ 。 ．
Ａｕ ｓ ２ ６ ｇｕ ｔ， ００
ＯＰ ＣＡＬ ＮＳ ＴＩ Ｉ ＴＲＵ Ｍ ＥＮＴＳ
文章编 号 ：０ ５５ ３ （ ０ ６ ０ —０ ９０ １ ０ — ６ ０ ２ ０ ） ４０ ６ — ５
出序列 。 一般来 说 数字 滤 波器 的输 出序列 （ ） 以它的 Ｚ变 换 ｙ（ ） 是 与滤波 器 的输 入序列 ｚ 的 Ｚ变 换 （）
相 关联 ［ ， 式 （ ） 示 ： ７如 ］ １所
第 ４ 期
潘 洪昌等 ： 数字滤 波在光学镀膜宽光谱监控中的应用
・７ １・
・７ ０・
光
学
仪 ’器
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第 ２ 卷 ８
鹱装
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ｍ
图 １ 宽 光 谱 膜厚 监控 系 统 原 理 图
２ 硬件改 造 光学 镀膜 膜厚 监控 系统 是集 光机 电为 一体 的系统 ， 由于光 源离 探测 器有 一段 较长 的光程 ， 样将 难 以 这
避 免外界 杂散 光的 干扰 。 同时在 镀膜过 程 中真空 室 内 由于 电子 枪 、 子 源 以及 烘烤 等原 因 ，是一 个背 景光 离
３２ ．
滤 波器 设计
系统 使用 １ ０Ｈｚ的斩波 器对光 源进 行调 制 ， ００ 即采 样频 率为 １０Ｈｚ监 测信 号实 际上 为光 谱 中的低频 ００ ， 分量 。 采用 ＭＡ ＡＢ。 ＴＬ Ｅ设计 一个低 通滤 波器 ， 滤波 器不但 能滤 除光 谱 中 １Ｈｚ以上 的 噪音 ， 且其 最小 该 ０ 而
Ｐ Ｈｏ ｇ—ｈ ｎ ＡＮ ｎ ｃ ａ ｇ，ＺＨＡＮＧ ｏ ｆｅ Ｚ ＡＮＧ — ａ ｇ， ＡＮＧ ｈ ｏ ｊ Ｈａ — ， Ｈ ｉ Ｆｕ ｇｕ ｎ ＪＩ Ｓ ａ —ｉ
（ ｔｔ ｙＬａ ｏ ａｏ ｙｏ ｔｅｅｔｏ ｉ Ｍ ａｅｉｌ ｎ ｃ ｎ ｌｇｅ ，Ｓ ｎ Ｙａ — ｅ ｉｅｓｔ Ｓ ａｅＫｅ ｂ ｒ ｔ ｒ ｆＯｐ ｏ ｌｃｒ ｎｃ ｔｒａｓａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｉｓ ｕ ｔＳ ｎ Ｕｎｖ ｒｉｙ，Ｇｕ ｎ ｚ ｏ ａ ｇ ｈ ｕ，５ ０ ７ Ｃｈｎ ） １ ２ ５， ｉａ
关 键词 ： Ｃ 镀 膜 ； Ｃ Ｄ； 宽光谱 监控 ； 字滤 波 数
中图 分类号 ： ８ ０４４
文献标 识码 ： Ａ
Ａｐｐｌｃ ｔｏ ｏ ｇ ｔ ｌｆ ｌｅ ｎ ｏ ｉａ ｏ ｔｎ ｉ ｎａ ｏ ｔ ｒｎｇ ｗｉｈ ｗｉ ｂａ ｄ ｐ ｃ ｒ ｍ ｉａ ｉ ｎ ｆｄｉ ｉａ ｉｔ ｒ ｉ ｐｔｃ ｌｃ ａ ｉ ｇ ｓｇ ｌｍ ｎｉｏ ｉ ｔ ｄｅ ｎ ｓ ｅ ｔ ｕ
式 （ ） 数字 滤波 器 时域的标 准表达 形 式 ， 定 一个 初试状 态就 可 以计算 ， 算的过 程 表示 如下 ： ４是 给 计
ｙ（ ）＝ ｂｚ（ ） １ ｔ １ （ ）＝ ｂ ｚ（ ）＋ ｂｚ（ ）一 口ｙ（ ） ２ ｔ ２ ｚ １ ２ １ （ ）＝ ｂｘ（ ）＋ ｂｘ（ ）＋ ｂｘ（ ）一 口 （ ）一 口 （ ） ３ ｔ ３ ｚ ２ ３ １ ２ 口 ３ １ …
衰减 Ｒ 不超 过 ６ ｄ 其 波动 尺 不超 过 ３ Ｂ。程序 设计 如下 ： ０ Ｂ， ｄ
ＷＰ ０ ５ ０ 一１ ／ ０ Ｗ 一０
，
％通 频带 ％过 渡带
］ ｕｔ ｄ Ｗ， ， ， Ｒ ） ＝ｂ ｔ ｒ （ ， 尺 ， ｏ
％计 算 滤波器 的 阶次 和截 止频 率
ｙ 一 ｃ 耋 舅 ＿｛ ｃ 日 ｃ＝ 幸 三
行 ｚ变 换就 可 以得到 式 （ ） ２：
ｃ
ｃ
这 里 Ｈ （） 滤波 器的传 递 函数 ， 是 常量 ６ 和 口 是 滤波器 的 系数 ， （） （） 而滤 波器 的 阶次 是 ｍ 和 中较 大 的那 个 。 相关 的 ｚ变换 到实现 差分 方程 的滤 波 并不难 。 （ ） 从 式 ３ 中如果 ａ １ 一１把 分母 移到 等号 的左边 进 （） ，
范 围 内监控 薄 膜特 性 ， 制既 直观 又准 确 ［ ， 由于 其 采 用 Ｃ Ｄ（ 控 ３但 ］ Ｃ 电荷耦 合 器 ） 不 是 光 电倍 增管 作 为 光 而
电监测 器 ， 故监 控信 号的 信噪 比进一步 降 低 ［ 。 ４ 因此如 何 消除光 学镀膜 宽光 谱监 控 过程 中产 生 的噪声 ， ］ 提 高 监控 信号 的信 噪 比 ， 宽 光谱监 测能 否实 现 、 是 准确 与否 的关 键 ［。 ６ ］ 在 光学镀 膜 极值 法监 控系统 的基 础上 进行 改造 ， 用线 阵 Ｃ Ｄ配 合高速 数 据采 集 卡搭 建了宽 光谱监 使 Ｃ 控 系统 ， 图 １ 示 。通过 对前端 光路 器件 的 更换 或改 造 以及后期 的数 据 的数字 滤 波处 理 ， 如 所 大大提 高 了监 控 信号 的信 噪 比 ， 功实现 宽光 谱膜厚 监控 信 号的 除 噪 、 大 、 成 放 滤波 和准 确 监测 。
（ｈ ｒ ｅ ｏ ｐ ｅ ｄ ｖｃ ， ｔ ｅ ｉｎ ｌｔ — ｏｓ ｒ ｔ ｏ ｃ ａ ｇ ｃ ｕ ｌ ｅ ｉｅ） ｈ ｓｇ ａ—ｏ ｎ ｉｅ ａ ｉ ｆ ｍｏ ｉｏ ｉ ｇ ｓｇ ａ ｉ ｏ ｌｗ ｔ ｃ ｕ ａｅｙ ｂ ｏ ｎｔ ｒｎ ｉ ｎ ｌ ｓ ｔ ｏ ｏ ｏ ａ ｃ ｒ ｔｌ ｅ
强 很大 的环境 ， 比之下 ， 号光 强度很 小淹 没在 噪声 中无 法 正常监 控 ， 图 ２所示 。由此可 见 前端 监测 相 信 如 光 路搭建 的合 理与 否 直接影 响到 监测 信号 的信 噪 比 ， 系到后 期数 据能 否正 常通过 数字 滤波 压 噪 。 关
８ ０
７ Ｏ
爱
收 稿 日期 ：０ ６０—０ ２ ０— ６３ 基 金项 目 ： 州 市 科技 计 划重 点 资 助 项 目 （４ Ｚ ０ １ 。 广 ０ １ ２ １ ） 作 者 简 介 ： 洪 昌 （９ ２） 男 ， 潘 １ ８ 一 ， 广东 省 广 州 人 ， 士 研 究 生 ， 要 从 事 光 学 薄膜 膜 厚 监 控 方 面 的 研 究 。 硕 主
抖 动还是 对 评价 函数 的 计算 以及 镀膜 时 蒸镀 的判 停有 相 当大 的影 响 ， 统的 稳定 性 和准 确度 仍 然 得不 到 系 很好 的保证 。因此必 须 通过 计算 机编程 对采 集到 的数据 进 行数 字滤 波处 理 。
３ １ 数字 滤波 原理 ．
数 字滤 波 的功 能 就是 对输 入 序列 通过 一定 的数 字运 算 以实现 滤除 其 中不 需要 的频率 成 分 ， 变换 成 输
（ ）＋ ａ ｙ（ 五 ｚ ｋ一 １ ）＋ … ＋ ａ ＋ ｙ（ ｍ ｌ ｋ— ）一 ｂｚ（ ）＋ ｂ ｘ（ ｔ 五 ｚ ｋ一 １ ）＋ … ＋ ６ ｌ ｋ— ） ｘ（ （） ２
进行 移项 得式 （） ３：
．
（） ３
ｙ（ ｋ）一 ｂｚ（ ）＋ ｂ ｘ（ 一 １ ｌ 五 ｚ ｋ ）＋ … ＋ ｂ＋ ｘ（ ． ｔ ｋ— ）一 口 Ｙ（ 一 １ ２ 五 ）一 … 一 ａ ＋ ｙ（ — ） ｍｌ ｋ
散 光 干扰 、 空 室内 背景 辐射 等 因数影 响 ， 真 信噪 比低 ， 于准确 监控 。在 对 系统 前 端 光路 改 难
造 的 基 础 上 ， 用 了数 字 滤 波 技 术 对 后 期 数 据 进 行 处 理 ， 到 信 号 压 噪 目 的 。实 验 证 明 该 宽 采 达
光谱膜 厚 监控 系统 具有稳 定性好 、 精度 较 高、 应速 度快 等优 点 。 响
［，］ ｕｔｒｎ ｌｗ ６口 ＝ｂｔ （ ， ｏ ） ｅ
—
％计 算滤 波器 系数 ６ 和 ａ （） （）
％滤 波计 算
ｆｌ ｒ ｂ ａ ） ｉｅ （ ， ， ｔ
１ 引
言
光 学薄 膜 的光学 特性 与其每 一层 的厚 度 密切相 关 ， 膜厚 在线监 控信 号 的除 噪 、 定是 镀 制符合 要求 的 稳 光学薄 膜 的重要 因素［２ １］ 。宽光谱 监控 与传 统 的单波 长 极值法 监控 相 比 ， ０ 它能 通 过光 谱扫 描在很 宽 的波长
ｍｏ ｉｏ ｅ ｅ ａ ｓ ｔ ｓｉ ｔ ｒ ｅ ｅ ｙ ｔ ｅｆ ｃ ｏ ｓ ｏ ｔａ ｉ ｈ ，ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ａ ｉ ｔ ｎ ｉ ａ ｕ ｍ ｈ ｍ ｂ ｒ ｎ ｔ ｒ ｄ ｂ ｃ ｕ ｅ ｉ ｉ ｅ ｆ ｒ ｄ ｂ ｈ ａ ｔ ｒ ｆｓ ｒ ｙ ｌ ｔ ａ ｋ ｒ ｕ ｄ ｒ ｄ ａ ｉ ｖ ｃ ｕ ｃ ａ ｅ ， ｎ ｇ ｏ ｎ ｅ ｃ Ｂｙ ｒ ｂ ｉ ｉ ｇ ｔ ｅ ｂ ａ ｐ ｔ ｆ ｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｓ ｎ ｈ ａ ａ ｂ ｉ ｉ ｌ ｉ ｅ ， ｎ ｉｅ ｉ ｔ． ｅ ｕ ｌ ｎ ｈ ｅ ｍ ａ ｈ ｏ ｈ ｙ ｔ ｍ ｎ ｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｔ ｅ ｄ ｔ ｙ ｄ ｇ ｔ ｆ ｔ ｒ ｄ ａ ｌ ｏｓ ｓ ｄ ｐ ｅ ｓ ｄ Ｓ ｈ ｔ ｔ ｅ ｓ ｓ ｅ ｏ ｅ ｒ ｓ ｅ Ｏ ｔ ａ ｈ ｙ ｔ ｍ ｆ ｍｏ ｉｏ ｉ ｇ ｏ ｔｃ ｌ ｆｌ ｔ ｉ ｋ ｅ ｓ ｗｉ ｄ ｂ ｎ ｐ ｃ ｒ ｍ ｓ ｍ ｏ ｅ ｎ ｔ ｒｎ ｐ ｉ ａ ｉ ｍ ｈ ｃ ｎ ｓ ｔ ｗｉ ｅ ａ ｄ ｓ ｅ ｔ ｕ ｉ ｈ ｒ ｓ ａ ｌ ，ｍ ｏ ｅ ａ ｃ ｒ ｔ ｎ ｅ ｐ ｎ ｅ ｆ ｓ ｅ ． ｔｂ ｅ ｒ ｃ ｕ ａ ｅ ａ ｄ ｒ ｓ ｏ ｓ ａ ｔ ｒ Ｋｅ ｒ ｓ： ｙ ｗｏ ｄ ＣＣＤ ；ｃ ａ ｉ ｇ；ｗｉ ｅ ａ ｄ ｓ ｅ ｔ ｕ ｍｏ ｉｏ ｉ ｇ； ｉ ｉａ ｉ ｅ ｏ ｔｎ ｄ ｂ ｎ ｐ ｃ ｒ ｍ ｎ ｔ ｒｎ ｄ ｇ ｔ ｌ ｌ ｒ ｆｔ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈ ｎ ｔ ｒｎ ｒ ｃ ｄ ｒ ｆ ｏ ｔｃ ｌ ｃ ａ ｉ ｇ ｗｉ ｄ ｂ ｎ ｐ ｃ ｒ ｍ ａ ｅ ｎ ＣＣＤ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｔ ｅ ｍｏ ｉ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅ ｏ ｐ ｉａ ｏ ｔ ｔ ｗｉｅ ａ ｄ ｓ ｅ ｔ ｕ ｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｎ ｈ
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Ｃ Ｄ像元 Ｃ
图 ２ 未 经 任 何 处 理 的原 始 光 谱 数 据
Ｃ Ｉ像元 Ｃ）
图 ３ 经 光 路 改 造 后 的光 谱 数 据
针对此 监 控技 术难 题 ， 现通 过更换 光 源 、 更换 导管 光纤 、 换小 型光 栅等 一系 列监控 光路 的 改造 ， 到 更 达 提 高光源 光强 、 除光源 抖 动 、 短光 信号在 单色 仪 中传播 光程 以及 减少 Ｃ Ｄ 暗 电流 噪声 的 目的 。 消 缩 Ｃ 经过 硬 件 改造 ， 测 信号 的噪声 已有 明显的 降低 ， 监 光谱 的大体 轮廓 已能 识别 ， 图 ３所示 。 如 ３ 数字滤 波 虽然 通过 对 前端 光 路的 改造 ， 噪声 已有 明显 的降低 ， 谱 的大 体轮 廓 已能 识别 ， 是 信号 中的 毛刺 和 光 但
数 字 滤 波 在 光 学 镀 膜 宽 光 谱 监 控 中 的 应 用
潘 洪 昌 ， 豪 杰 ， 甫 光 ， 绍 基 张 张 江
（ 山 大 学 光 电材 料 与技 术 国 家 重 点实 验 室 ， 东 广 州 ５０ ７ ） 中 广 １ ２ ５
摘要 ： 用 Ｃ Ｄ（ 使 Ｃ 电荷耦合 器 件 ） 进行 光 学镀 膜 宽光谱 监控 过 程 中 ， 测 信 号 受外 界 杂 监