CN105911624A - 一种生产矩形线性渐变滤光片的方法及其生产装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产矩形线性渐变滤光片的方法及其生产装置，它是将用来制作滤光片的玻璃基材固定在圆形平板状且能绕自身中心轴旋转的工件盘的下表面上，使玻璃基材的镀膜面朝下，在工件盘下方设置蒸发源底板和位于蒸发源底板上表面的蒸发源，工件盘带动玻璃基材旋转过程中，通过蒸发源蒸发的膜料来对玻璃基材的镀膜面进行镀膜。该发明克服了现有矩形线性渐变滤光片制备过程中由于采用经多次人工经验调整的一块修正片而导致的生产工序繁杂、所制矩形线性渐变滤光片精度不佳、质量不稳定的缺点，具有能够大大简化膜厚修正工序、节约试镀时间、提高矩形线性渐变滤光片的精度和质量稳定性的优点。

Description

一种生产矩形线性渐变滤光片的方法及其生产装置

技术领域

本发明涉及一种生产矩形线性渐变滤光片的方法及其生产装置。

背景技术

目前，光学薄膜滤光片已经应用于光谱测量、遥感技术、荧光分析、激光对抗等多个领域。随着光学工业的发展，对滤光片的要求也越来越高，出现了一些特殊的滤光片，而线性渐变滤光片就是其中一个新的发展方向。

线性渐变滤光片是一种特殊的滤光片，该滤光片上不同位置的中心波长或光强是不一样的。它的作用是使光的透过率满足特定函数关系，用来改善成像质量、矫正像差、提供照度补偿等。作为一种光谱特性随滤光片表面位置变化的光学薄膜器件，该渐变滤光片具有体积小、重量轻、稳定性好等优点，因此，其在便携式快速分光、光谱仪线性度校正、光栅二级次光分离/截止等方面有着广泛的应用，并已经成功应用于微型分光计和成像光谱仪。其中，矩形线性渐变滤光片的特点是沿着矩形基片长度的方向其透过率呈线性变化。

传统的线性渐变滤光片的制作过程中镀制多种膜料，采用的是同一块修正片对膜厚进行一次修正，而所述修正片需要通过操作人依据经验对其尺寸多次进行人工调整。因此，不同膜料的蒸发角度差异、多次人工操作误差、一次修正步骤均导致了生产成本高、生产效率低、所产线性渐变滤光片精度不高、线性色散率难以保证且质量不稳定的问题。另外，现有线性渐变滤光片采用的多是金属膜如银、铬、镍等来制备，而金属膜存在着自身的吸收以及附着力差、易氧化、使用寿命短、镀制过程厚度难以控制等缺点，给批量生产带来很大的困恼。

因此，本发明提供了一种流程简洁、生产成本低且效率高、可大大提高矩形线性渐变滤光片的精度和质量稳定性的生产矩形线性渐变滤光片的方法及其生产装置己成为当务之亟。

发明内容

为了克服现有矩形线性渐变滤光片制备过程中由于采用经多次人工经验调整的一块修正片而导致的生产工序繁杂、所制矩形线性渐变滤光片精度不佳、质量不稳定的缺点，本发明提供一种生产矩形线性渐变滤光片的方法及其生产装置，其具有能够大大简化膜厚修正工序、节约试镀时间、提高矩形线性渐变滤光片的精度和质量稳定性的优点。

本发明的技术方案如下：

一种生产矩形线性渐变滤光片的方法，它是将用来制作滤光片的玻璃基材固定在圆形平板状且能绕自身中心轴旋转的工件盘的下表面上，使玻璃基材的镀膜面朝下，在工件盘下方设置蒸发源底板和位于蒸发源底板上表面的蒸发源，工件盘带动玻璃基材旋转过程中，通过蒸发源蒸发的膜料来对玻璃基材的镀膜面进行镀膜；

①所述的玻璃基材为矩形玻璃基材；

②在镀膜之前先进行膜系设计：根据所需滤光片的中心波长、透过率以及沿着玻璃基材长边方向的透过率色散系数使用镀膜软件进行膜系设计，确定镀膜层数、每层所需镀膜材料、每层所镀膜层沿玻璃基材长度方向的膜厚分布情况；

③在镀膜过程中，使玻璃基材镀膜面的长边沿工件盘的直径方向放置；根据所镀膜层选择一组对应的修正片a和修正片b，将所述修正片a和修正片b对称放置于工件盘的中心轴径向两侧并位于玻璃基材和蒸发源之间；工件盘带动玻璃基材旋转时，当玻璃基材经过修正片a位置时，通过修正片a对蒸发源蒸发膜料的部分遮挡来调整该层镀膜面上的膜料分布，实现第一次膜层厚度修正，使镀膜面镀上一层厚度一致的膜层，接着当玻璃基材经过修正片b位置时，通过修正片b对蒸发源蒸发膜料的部分遮挡来调整该层镀膜面上的膜料分布，实现第二次膜层厚度修正，对所镀膜层沿玻璃基材长度方向的厚度分布情况进行修正,如此循环反复至完成相应层膜层的镀制；之后根据下一层所镀膜层选择新的一组对应的修正片a和修正片b重复上述镀膜过程，直至获得所需的矩形线性渐变滤光片；

修正片a上对应玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘下表面圆周位置的圆弧弧长分别用a_M、a_o、a_m代表，修正片b上对应玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘下表面圆周位置的圆弧弧长分别用b_M、b_o、b_m代表；

所述修正片a和修正片b是按照以下方法制备而成的：

Ⅰ、先计算理论修正片a的尺寸参数并制作出理论修正片a：

设定a_m理论值，该a_m值为工件盘半径大小的5-10％，通过以下公式计算出理论修正片a的a_M和a_o的理论值，并根据上述理论修正片a的尺寸制作出该理论修正片a：

$\frac{t_s}{t_{os}}=\frac{{(h^2+L^2)}^2(h^2+L^2+r^2)}{{\[{(h^2+r^2+L^2)}^2-4L^2{r}^2\]}^{3/2}},$

t_sm×(2πr_m-a_m)＝t_so×(2πr_o-a_o)＝t_sM×(2πr_M-a_M)；

其中，h为工件盘圆心到蒸发源底板的垂直高度，L为蒸发源与工件盘圆心在蒸发源底板的垂直投影点之间的垂直距离，r为工件盘圆心到膜料沉积在工件盘上的沉积测试点A的半径，t_s为膜料沉积在工件盘上的沉积测试点A的膜厚，t_os表示膜料沉积在工件盘中心的膜厚，t_s/t_os表示沉积测试点A与中心点膜厚比值，t_sM、t_so、t_sm分别为膜料沉积在玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置这3个点的膜厚；r_M、r_o、r_m分别表示工件盘圆心到膜料沉积在玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置的半径；

Ⅱ、试镀膜并修正理论修正片a的尺寸获得修正片a：

沿工件盘的直径方向在工件盘下表面上固定放置玻璃基材，先将理论修正片a固定在工件盘的下方，用该理论修正片a对玻璃基材进行遮挡，在玻璃基材的镀膜面上镀上一层厚度为250-300nm的相应镀膜层所需材料膜层，之后沿工件盘直径方向测定每个镀膜沉积测试点的透过率对理论修正片a的尺寸进行修正，获得修正片a的a_m、a_M和a_o的实际值，使得镀膜完成后玻璃基材镀膜面上沿工件盘直径方向的每个镀膜点的透过率数值一致以使得该镀膜层的镀膜厚度一致，即完成针对该种镀膜材料的修正片a的制作；

Ⅲ、修正片b的制作：由公式

和计算出b_M、b_m、b_o的值并制作出针对该种镀膜材料的修正片b；其中，a_M、a_m、a_o采用步骤Ⅱ获得的修正片a的实际值，λ_M、λ_o、λ_m分别为膜系设计要求的对应玻璃基材最内端、正中和最外端位置的透过率对应的波长。

区别于传统采用人工调整修正片的做法，本申请用于生产矩形线性渐变滤光片的修正片采用精确的公式计算对修正片的尺寸进行了精确限定，先获得尺寸精准的理论修正片a尺寸，再依据所镀介质膜材料的玻璃基材镀膜透过率实验测定(镀膜透过率实验即沿工件盘的直径方向在工件盘下表面上固定放置玻璃基材(当玻璃基材的镀膜面长度与修正片长度差不多时可选用一片玻璃基材，而当玻璃基材的镀膜面长度较短时，可采用多块玻璃基材首尾相接排列成一排。)，先采用理论修正片a在镀制某种介质材料膜过程中对玻璃基材进行遮挡修正镀膜厚度，之后沿工件盘直径方向测定每个镀膜点的透过率)结果对理论修正片a的尺寸(即a_M、a_m和a_o的大小)进行微调，确保每个镀膜点的透过率数值一致，从而得到该种介质膜材料所对应的修正片a。该过程大大缩短了试镀时间，提高了产品的质量稳定性。且通过使用修正片a进行第一次膜厚修正使得膜厚一致，接着修正片b进行第二次膜厚修正，通过沿玻璃基材镀膜面长度方向镀上线性变化厚度的膜来实现沿玻璃基材方向透过率的线性渐变，大大提高了渐变滤光片的线性色散系数。其中，a_m的设定与玻璃基材的宽度关系不大，主要是不能太细否则容易变形，同时也不能设置太大，否则遮挡膜料太多，会导致膜料浪费和镀膜时间加长。

在计算的过程中，先根据点源膜厚分布公式计算出工件盘对应玻璃基材两端部及正中位置膜厚分布t_s；再设定a_m，由公式t_sm×(2πr_m-a_m)＝t_so×(2πr_o-a_o)＝t_sM×(2πr_M-a_M)，算得a_o和a_M的理论值(即理论修正片a的a_o和a_M值)。通过玻璃基材镀膜透过率测定实验对理论修正片a的尺寸(即a_m、a_o和a_M值)进行修正。再将修正后的a_m、a_o和a_M值的实际值代入公式和计算得到b_M、b_m、b_o，得到修正片b的尺寸。当镀膜材料为多种时，重复步骤3)即可制作出针对该多种镀膜材料的修正片a和修正片b。对多种不同的镀膜材料设计专用的修正片a和修正片b，克服了不同镀膜材料蒸发角度的不同，提升了所制备矩形线性渐变滤光片的精度。试镀膜层的厚度采用250-300nm的理由是：一般情况下这个厚度下测试的透过率有比较多的干涉峰，计算误差很小；膜层太薄则干涉峰少，不好分析，而太厚则不准确。另外，这个厚度是行业中使用比较多的(常规镀膜的厚度在100-300nm)。

所述玻璃基材的镀膜面所镀膜层为介质膜层。采用介质膜替代原有金属膜，不仅性能得以提升，而且使用寿命也可延长。

所述介质膜层为由高折射率膜层与低折射率膜层交叠而成的膜层。可根据不同需求设计出多层交叠的膜层结构，每种膜料采用所对应的一组修正片a、b，并在交替镀膜的过程中对修正片a、b进行替换使用。

所述高折射率膜料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂或TiO₂，所述低折射率膜料为SiO₂或MgF₂。

所述玻璃基材为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。

一种所述生产矩形线性渐变滤光片的方法所采用的生产装置，包括工件盘、玻璃基材、蒸发源和蒸发源底板；所述工件盘为圆形平板状且能绕自身中心轴旋转；镀膜时，玻璃基材固定在该工件盘的下表面上，玻璃基材的镀膜面朝下，蒸发源底板设于工件盘下方，蒸发源位于该蒸发源底板的上表面上。

①所述的玻璃基材为矩形玻璃基材；

②所述生产装置还包括至少一组修正片a和修正片b，根据所镀膜层的不同选择对应组的修正片a和修正片b，所述每组修正片a和修正片b对称放置于工件盘的中心轴径向两侧并位于玻璃基材和蒸发源之间；工件盘带动玻璃基材旋转时，当玻璃基材分别经过修正片a和修正片b位置时，修正片a和修正片b能对蒸发源蒸发膜料部分遮挡以调整该镀膜层在镀膜面上的膜料分布；

所述修正片a是由理论修正片a修正而得；

修正片a上对应玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘下表面圆周位置的圆弧弧长分别用a_M、a_o、a_m代表；设定a_m值，该a_m值为工件盘半径大小的5-10％，所述理论修正片a的a_M和a_o理论值由以下公式计算而得：

$\frac{t_s}{t_{os}}=\frac{{(h^2+L^2)}^2(h^2+L^2+r^2)}{{\[{(h^2+r^2+L^2)}^2-4L^2{r}^2\]}^{3/2}},$

t_sm×(2πr_m-a_m)＝t_so×(2πr_o-a_o)＝t_sM×(2πr_M-a_M)；

其中，h为工件盘圆心到蒸发源底板的垂直高度，L为蒸发源与工件盘圆心在蒸发源底板的垂直投影点之间的垂直距离，r为工件盘圆心到膜料沉积在工件盘上的沉积测试点A的半径，t_s为膜料沉积在工件盘上的沉积测试点A的膜厚，t_os表示膜料沉积在工件盘中心的膜厚，t_s/t_os表示沉积测试点A与中心点膜厚比值，t_sM、t_so、t_sm分别为膜料沉积在玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置这3个点的膜厚；r_M、r_o、r_m分别表示工件盘圆心到膜料沉积在玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置的半径；

修正片a的a_M、a_o和a_m的实际值是在通过玻璃基材镀膜面上试镀上一层厚度为250-300nm的所镀材料膜并依据沿工件盘直径方向测定每个镀膜沉积测试点的透过率来对理论修正片a的a_M、a_o和a_m理论值进行修正而得，修正过所得的修正片a能使得所镀膜层的厚度一致；

所述修正片b上对应玻璃基材镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘下表面圆周位置的圆弧弧长分别为b_M、b_o、b_m，该b_M、b_m、b_o由公式

和计算得到；其中，a_M、a_m、a_o采用修正片a的实际值，λ_M、λ_o、λ_m分别为膜系设计要求的对应玻璃基材最内端、正中和最外端位置的透过率对应的波长。

所述玻璃基材的镀膜面所镀膜层为介质膜层。

所述介质膜层为高折射率膜层、低折射率膜层或由高折射率膜层与低折射率膜层交替而成的膜层。

所述高折射率膜料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂或TiO₂，所述低折射率膜料为SiO₂或MgF₂。

所述玻璃基材为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。

与现有技术相比，本发明申请具有以下优点：

1)使用本申请生产矩形线性渐变滤光片的方法及其生产装置所生产的矩形线性渐变滤光片，沿着矩形基片长度的方向透过率呈线性变化，其渐变速率及两端的透过率最大值和最小值可通过膜系的设计和二次修正片的形状来获得，大大提高制备的稳定性和器件的精度；

2)清晰明了的将膜系针对波长的透过率渐变由公式转换成按玻璃基底长度方向的透过率线性渐变，从理论上进行了膜层厚度的计算，改变以往只是以经验为主的生产模式，减少试镀炉数，降低生产成本；

3)通过选用倒三角的修正片a、b，能有效改变膜厚分布，尽可能的提高膜料利用率。通过二次的膜厚修正，提高渐变片的色散线性率；

4)采用介质膜取代原有的金属膜大大提升了膜层的使用寿命，降低膜层应力提高附着力，介质膜层厚度控制精度高，重复性和稳定性得到提高；

5)可根据顾客需求设计不同玻璃基底尺寸、不同透过率、不同线性色散系数的滤光膜。

附图说明

图1是矩形线性渐变滤光片的生产装置的部分部件位置示意图；

图2是本发明所述的矩形线性渐变滤光片生产装置的工件盘、修正片及玻璃基材位置示意图；

图3是本发明所述的矩形线性渐变滤光片的设计曲线与玻璃基底透过率分布图；

图4是采用本发明实施例所述的矩形线性渐变滤光片设计的滤光膜光谱图。

标号说明：工件盘1、修正片a 21、修正片b 22、玻璃基材3、蒸发源底板4、蒸发源5。

具体实施方式

下面结合说明书附图1-4对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1-4所示，本发明所述的一种生产矩形线性渐变滤光片的方法，它是将用来制作滤光片的玻璃基材3固定在圆形平板状且能绕自身中心轴旋转的工件盘1的下表面上，使玻璃基材3的镀膜面朝下，在工件盘1下方设置蒸发源底板4和位于蒸发源底板4上表面的蒸发源5，工件盘1带动玻璃基材3旋转过程中，通过蒸发源蒸发的膜料来对玻璃基材3的镀膜面进行镀膜；

①所述的玻璃基材3为矩形玻璃基材；

②在镀膜之前先进行膜系设计：根据所需滤光片的中心波长、透过率以及沿着玻璃基材3长边方向的透过率色散系数使用镀膜软件进行膜系设计，确定镀膜层数、每层所需镀膜材料、每层所镀膜层沿玻璃基材长度方向的膜厚分布情况；

③在镀膜过程中，使玻璃基材3镀膜面的长边沿工件盘1的直径方向放置；根据所镀膜层选择一组对应的修正片a21和修正片b22，将所述修正片a21和修正片b22对称放置于工件盘1的中心轴径向两侧并位于玻璃基材3和蒸发源5之间；工件盘1带动玻璃基材3旋转时，当玻璃基材3经过修正片a21位置时，通过修正片a21对蒸发源5蒸发膜料的部分遮挡来调整该层镀膜面上的膜料分布，实现第一次膜层厚度修正，使镀膜面镀上一层厚度一致的膜层，接着当玻璃基材3经过修正片b22位置时，通过修正片b22对蒸发源5蒸发膜料的部分遮挡来调整该层镀膜面上的膜料分布，实现第二次膜层厚度修正，对所镀膜层沿玻璃基材长度方向的厚度分布情况进行修正,如此循环反复至完成相应层膜层的镀制；之后根据下一层所镀膜层选择新的一组对应的修正片a21和修正片b22重复上述镀膜过程，直至获得所需的矩形线性渐变滤光片；

修正片a21上对应玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘1下表面圆周位置的圆弧弧长分别用a_M、a_o、a_m代表，修正片b22上对应玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘1下表面圆周位置的圆弧弧长分别用b_M、b_o、b_m代表；

所述修正片a21和修正片b22是按照以下方法制备而成的：

Ⅰ、先计算理论修正片a的尺寸参数并制作出理论修正片a：

设定a_m理论值，该a_m值为工件盘1半径大小的5-10％，通过以下公式计算出理论修正片a的a_M和a_o的理论值，并根据上述理论修正片a的尺寸制作出该理论修正片a：

$\frac{t_s}{t_{os}}=\frac{{(h^2+L^2)}^2(h^2+L^2+r^2)}{{\[{(h^2+r^2+L^2)}^2-4L^2{r}^2\]}^{3/2}},$

t_sm×(2πr_m-a_m)＝t_so×(2πr_o-a_o)＝t_sM×(2πr_M-a_M)；

其中，h为工件盘1圆心到蒸发源底板4的垂直高度，L为蒸发源5与工件盘1圆心在蒸发源底板4的垂直投影点之间的垂直距离，r为工件盘1圆心到膜料沉积在工件盘1上的沉积测试点A的半径，t_s为膜料沉积在工件盘1上的沉积测试点A的膜厚，t_os表示膜料沉积在工件盘1中心的膜厚，t_s/t_os表示沉积测试点A与中心点膜厚比值，t_sM、t_so、t_sm分别为膜料沉积在玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置这3个点的膜厚；r_M、r_o、r_m分别表示工件盘1圆心到膜料沉积在玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置的半径；

Ⅱ、试镀膜并修正理论修正片a的尺寸获得修正片a21：

沿工件盘1的直径方向在工件盘下表面上固定放置玻璃基材3，先将理论修正片a固定在工件盘1的下方，用该理论修正片a对玻璃基材3进行遮挡，在玻璃基材3的镀膜面上镀上一层厚度为250-300nm的相应镀膜层所需材料膜层，之后沿工件盘1直径方向测定每个镀膜沉积测试点的透过率对理论修正片a的尺寸进行修正，获得修正片a21的a_m、a_M和a_o的实际值，使得镀膜完成后玻璃基材3镀膜面上沿工件盘直径方向的每个镀膜点的透过率数值一致以使得该镀膜层的镀膜厚度一致，即完成针对该种镀膜材料的修正片a21的制作；

Ⅲ、修正片b的制作：由公式

和计算出b_M、b_m、b_o的值并制作出针对该种镀膜材料的修正片b；其中，a_M、a_m、a_o采用步骤Ⅱ获得的修正片a21的实际值，λ_M、λ_o、λ_m分别为膜系设计要求的对应玻璃基材3最内端、正中和最外端位置的透过率对应的波长。

所述玻璃基材3的镀膜面所镀各膜层为介质膜层。所述介质膜层为由高折射率膜层与低折射率膜层交叠而成的膜层。所述高折射率膜料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂或TiO₂，所述低折射率膜料为SiO₂或MgF₂。所述玻璃基材3为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。

所述生产矩形线性渐变滤光片的方法所采用的生产装置，包括工件盘1、玻璃基材3、蒸发源5和蒸发源底板4；所述工件盘1为圆形平板状且能绕自身中心轴旋转；镀膜时，玻璃基材3固定在该工件盘1的下表面上，玻璃基材3的镀膜面朝下，蒸发源底板4设于工件盘1下方，蒸发源5位于该蒸发源底板4的上表面上；

①所述的玻璃基材3为矩形玻璃基材；

②所述生产装置还包括至少一组修正片a21和修正片b22，根据所镀膜层的不同选择对应组的修正片a21和修正片b22，所述每组修正片a21和修正片b22对称放置于工件盘1的中心轴径向两侧并位于玻璃基材3和蒸发源5之间；工件盘1带动玻璃基材3旋转时，当玻璃基材3分别经过修正片a21和修正片b22位置时，修正片a21和修正片b22能对蒸发源5蒸发膜料部分遮挡以调整该镀膜层在镀膜面上的膜料分布；

所述修正片a21是由理论修正片a修正而得；

修正片a21上对应玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘1下表面圆周位置的圆弧弧长分别用a_M、a_o、a_m代表；设定a_m值，该a_m值为工件盘1半径大小的5-10％，所述理论修正片a的a_M和a_o理论值由以下公式计算而得：

$\frac{t_s}{t_{os}}=\frac{{(h^2+L^2)}^2(h^2+L^2+r^2)}{{\[{(h^2+r^2+L^2)}^2-4L^2{r}^2\]}^{3/2}},$

t_sm×(2πr_m-a_m)＝t_so×(2πr_o-a_o)＝t_sM×(2πr_M-a_M)；

其中，h为工件盘1圆心到蒸发源底板4的垂直高度，L为蒸发源5与工件盘1圆心在蒸发源底板4的垂直投影点之间的垂直距离，r为工件盘1圆心到膜料沉积在工件盘1上的沉积测试点A的半径，t_s为膜料沉积在工件盘1上的沉积测试点A的膜厚，t_os表示膜料沉积在工件盘1中心的膜厚，t_s/t_os表示沉积测试点A与中心点膜厚比值，t_sM、t_so、t_sm分别为膜料沉积在玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置这3个点的膜厚；r_M、r_o、r_m分别表示工件盘1圆心到膜料沉积在玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置的半径；

修正片a21的a_M、a_o和a_m的实际值是在通过玻璃基材3镀膜面上试镀上一层厚度为250-300nm的所镀材料膜并依据沿工件盘直径方向测定每个镀膜沉积测试点的透过率来对理论修正片a的a_M、a_o和a_m理论值进行修正而得，修正过所得的修正片a21能使得所镀膜层的厚度一致；

所述修正片b上对应玻璃基材3镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘1下表面圆周位置的圆弧弧长分别为b_M、b_o、b_m，该b_M、b_m、b_o由公式

和计算得到；其中，a_M、a_m、a_o采用修正片a21的实际值，λ_M、λ_o、λ_m分别为膜系设计要求的对应玻璃基材3最内端、正中和最外端位置的透过率对应的波长。

所述玻璃基材3的镀膜面所镀膜层为的介质膜层。所述介质膜层为高折射率膜层、低折射率膜层或由高折射率膜层与低折射率膜层交替而成的膜层。所述高折射率膜料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂或TiO₂，所述低折射率膜料为SiO₂或MgF₂。所述玻璃基材3为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。

实施例1

目标矩形线性渐变滤光片基本参数：渐变片长度L＝50mm，入射角AOI＝0度，中心波长为550nm，沿渐变片长度方向透过率从20％递增到80％，呈线性变化。

(一)选择K9玻璃或熔石英FS作为玻璃基材，镀膜面长度为50mm，镀膜面及其相对面均为抛光处理；

(二)选用北京仪器厂生产的DMD-450镀膜机，如图1所示，工件盘为平面圆形绕中心旋转夹具，其直径为400mm。蒸发源到工件盘圆心的垂直距离L为150mm，工件盘圆心到蒸发源底板的垂直高度h为380mm，工件盘以边缘轴承带动旋转，转速为20r/min；

(三)膜系设计：使用镀膜软件TFCalc设计线性滤光膜，渐变膜的层数由透过率随波长变化的陡度来确认，陡度越大所使用的膜层数越多。本实施例设计选用高折射率材料TiO₂和低折射率材料SiO₂交替镀制在矩形玻璃基材的镀膜面上，如图3、4所示，设计时取550nm作为中心波长，透过率50％点落在玻璃基底的正中间；最大值T_M落在玻璃基底的一端，其对应的设计波长为600nm，透过率为80％；最小值T_m落在玻璃基底的另一端，其对应的设计波长为500nm，透过率为20％；线性色散系数为2nm/mm。所设计的渐变膜由14层膜层组成，各膜层依照距离玻璃基材镀膜面从近至远的顺序依次为：第1层-厚度为119.7nm的TiO₂膜层；第2层-厚度为83.3nm的SiO₂膜层；第3层-厚度为50.6nm的TiO₂膜层；第4层-厚度为94.2nm的SiO₂膜层；第5层-厚度为22.7nm的TiO₂膜层；第6层-厚度为94.2nm的SiO₂膜层；第7层-厚度为51.4nm的TiO₂膜层；第8层-厚度为87.5nm的SiO₂膜层；第9层-厚度为59.8nm的TiO₂膜层；第10层-厚度为28.9nm的SiO₂膜层；第11层-厚度为34.8nm的TiO₂膜层；第12层-厚度为90.6nm的SiO₂膜层；第13层-厚度为22.7nm的TiO₂膜层；第14层-厚度为127.9nm的SiO₂膜层；

(四)计算理论修正片a的尺寸参数：玻璃基材置于工件上其两端部及中心位置所对应的内中外半径分别为100mm、125mm、150mm。由点源膜厚分布公式

以上公式算得工件盘对应玻璃基材内中外膜厚分布为0.929t_os、0.892t_os、0.845t_os。设定修正片a的外弧长a_m为30mm，根据0.845t_os×(2πr_m-a_m)＝0.892t_os×(2πr_o-a_o)＝0.929t_os×(2πr_M-a_M)，计算出理论修正片a的的内中弧长a_M和a_o(即a_M和a_o的理论值)分别为76mm和65mm；

(五)试镀：以理论修正片a的尺寸试镀后调整修正片a的尺寸，具体如下：采用玻璃基材镀单层膜测试膜厚分布实验，即沿工件盘的直径方向在工件盘下表面上固定放置一排玻璃基材，先将理论修正片a固定在工件盘的正下方，在玻璃基材镀膜面上镀制单层厚度为250-300nm的TiO₂膜，之后沿工件盘直径方向测定每个镀膜点的透过率对理论修正片a尺寸(即对a_M、a_o和a_m的理论值进行修正)进行修正，使得玻璃基材镀膜面上沿工件盘直径方向的每个镀膜点的膜层厚度一致，即完成修正片a的制作。依据该方法可获得适用于每种不同所镀介质膜材料的修正片a，针对低折射率材料SiO₂的修正片a的制作方法同上。本实施例所采用的高折射率材料TiO₂对应的修正片a该三点的弧长分别为68mm、60mm、30mm，低折射率材料SiO₂对应的修正片a该三点的弧长分别为81mm、67mm、30mm。修正片a为倒三角形，如图2所示；

(六)修正片b的制作：将所得高折射率材料TiO₂和低折射率材料SiO₂对应的修正片a的a_M、a_m、a_o代入公式和分别算得TiO₂修正片对应玻璃基底内中外三点b_M、b_o、b_m弧长分别为104mm、75mm、20mm，SiO₂修正片内中外三点的弧长分别为87mm、74mm、20mm；

(七)采用修正片a、b进行镀制：将修正片a、b固定在工件盘的正下方，修正片a、b的遮挡面朝下，且修正片a和修正片b相对工件盘的中心轴对称。镀制过程中，玻璃基材的放置有严格要求，其镀膜面朝下，镀膜面长边方向需沿着平板圆形工件盘的直径方向，其该玻璃基材的两端点与其所对应的修正片a上弧长为a_m、a_M的圆弧以及修正片b上弧长为b_m、b_M的圆弧在同一圆周上。启动蒸发源，工件盘带动玻璃基材以20r/min的转速转动，当玻璃基材3经过修正片a21位置被修正片a21所遮挡进行第一次膜厚修正，之后经过修正片b22位置被修正片b22所遮挡进行第二次膜厚修正，如此反复对膜厚进行修正，即制得所需的矩形线性渐变滤光片。

本发明所述的生产矩形线性渐变滤光片的方法及其装置并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生产矩形线性渐变滤光片的方法，它是将用来制作滤光片的玻璃基材(3)固定在圆形平板状且能绕自身中心轴旋转的工件盘(1)的下表面上，使玻璃基材(3)的镀膜面朝下，在工件盘(1)下方设置蒸发源底板(4)和位于蒸发源底板(4)上表面的蒸发源(5)，工件盘(1)带动玻璃基材(3)旋转过程中，通过蒸发源蒸发的膜料来对玻璃基材(3)的镀膜面进行镀膜；其特征在于：

①所述的玻璃基材(3)为矩形玻璃基材；

②在镀膜之前先进行膜系设计：根据所需滤光片的中心波长、透过率以及沿着玻璃基材(3)长边方向的透过率色散系数使用镀膜软件进行膜系设计，确定镀膜层数、每层所需镀膜材料、每层所镀膜层沿玻璃基材长度方向的膜厚分布情况；

③在镀膜过程中，使玻璃基材(3)镀膜面的长边沿工件盘(1)的直径方向放置；根据所镀膜层选择一组对应的修正片a(21)和修正片b(22)，将所述修正片a(21)和修正片b(22)对称放置于工件盘(1)的中心轴径向两侧并位于玻璃基材(3)和蒸发源(5)之间；工件盘(1)带动玻璃基材(3)旋转时，当玻璃基材(3)经过修正片a(21)位置时，通过修正片a(21)对蒸发源(5)蒸发膜料的部分遮挡来调整该层镀膜面上的膜料分布，实现第一次膜层厚度修正，使镀膜面镀上一层厚度一致的膜层，接着当玻璃基材(3)经过修正片b(22)位置时，通过修正片b(22)对蒸发源(5)蒸发膜料的部分遮挡来调整该层镀膜面上的膜料分布，实现第二次膜层厚度修正，对所镀膜层沿玻璃基材长度方向的厚度分布情况进行修正,如此循环反复至完成相应层膜层的镀制；之后根据下一层所镀膜层选择新的一组对应的修正片a(21)和修正片b(22)重复上述镀膜过程，直至获得所需的矩形线性渐变滤光片；

修正片a(21)上对应玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘(1)下表面圆周位置的圆弧弧长分别用a_M、a_o、a_m代表，修正片b(22)上对应玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘(1)下表面圆周位置的圆弧弧长分别用b_M、b_o、b_m代表；

所述修正片a(21)和修正片b(22)是按照以下方法制备而成的：

Ⅰ、先计算理论修正片a的尺寸参数并制作出理论修正片a：

设定a_m理论值，该a_m值为工件盘(1)半径大小的5-10％，通过以下公式计算出理论修正片a的a_M和a_o的理论值，并根据上述理论修正片a的尺寸制作出该理论修正片a：

$\frac{t_s}{t_{os}}=\frac{{(h^2+L^2)}^2(h^2+L^2+r^2)}{{\[{(h^2+r^2+L^2)}^2-4L^2{r}^2\]}^{3/2}},$

t_sm×(2πr_m-a_m)＝t_so×(2πr_o-a_o)＝t_sM×(2πr_M-a_M)；

其中，h为工件盘(1)圆心到蒸发源底板(4)的垂直高度，L为蒸发源(5)与工件盘(1)圆心在蒸发源底板(4)的垂直投影点之间的垂直距离，r为工件盘(1)圆心到膜料沉积在工件盘(1)上的沉积测试点A的半径，t_s为膜料沉积在工件盘(1)上的沉积测试点A的膜厚，t_os表示膜料沉积在工件盘(1)中心的膜厚，t_s/t_os表示沉积测试点A与中心点膜厚比值，t_sM、t_so、t_sm分别为膜料沉积在玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置这3个点的膜厚；r_M、r_o、r_m分别表示工件盘(1)圆心到膜料沉积在玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置的半径；

Ⅱ、试镀膜并修正理论修正片a的尺寸获得修正片a(21)：

沿工件盘(1)的直径方向在工件盘下表面上固定放置玻璃基材(3)，先将理论修正片a固定在工件盘(1)的下方，用该理论修正片a对玻璃基材(3)进行遮挡，在玻璃基材(3)的镀膜面上镀上一层厚度为250-300nm的相应镀膜层所需材料膜层，之后沿工件盘(1)直径方向测定每个镀膜沉积测试点的透过率对理论修正片a的尺寸进行修正，获得修正片a(21)的a_m、a_M和a_o的实际值，使得镀膜完成后玻璃基材(3)镀膜面上沿工件盘直径方向的每个镀膜点的透过率数值一致以使得该镀膜层的镀膜厚度一致，即完成针对该种镀膜材料的修正片a(21)的制作；

Ⅲ、修正片b的制作：由公式

和计算出b_M、b_m、b_o的值并制作出针对该种镀膜材料的修正片b；其中，a_M、a_m、a_o采用步骤Ⅱ获得的修正片a(21)的实际值，λ_M、λ_o、λ_m分别为膜系设计要求的对应玻璃基材(3)最内端、正中和最外端位置的透过率对应的波长。

2.根据权利要求1所述的生产矩形线性渐变滤光片的方法，其特征在于：所述玻璃基材(3)的镀膜面所镀各膜层为介质膜层。

3.根据权利要求2所述的生产矩形线性渐变滤光片的方法，其特征在于：所述介质膜层为由高折射率膜层与低折射率膜层交叠而成的膜层。

4.根据权利要求3所述的生产矩形线性渐变滤光片的方法，其特征在于：所述高折射率膜料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂或TiO₂，所述低折射率膜料为SiO₂或MgF₂。

5.根据权利要求1所述的生产矩形线性渐变滤光片的方法，其特征在于：所述玻璃基材(3)为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述生产矩形线性渐变滤光片的方法所采用的生产装置，包括工件盘(1)、玻璃基材(3)、蒸发源(5)和蒸发源底板(4)；所述工件盘(1)为圆形平板状且能绕自身中心轴旋转；镀膜时，玻璃基材(3)固定在该工件盘(1)的下表面上，玻璃基材(3)的镀膜面朝下，蒸发源底板(4)设于工件盘(1)下方，蒸发源(5)位于该蒸发源底板(4)的上表面上；其特征在于：

①所述的玻璃基材(3)为矩形玻璃基材；

②所述生产装置还包括至少一组修正片a(21)和修正片b(22)，根据所镀膜层的不同选择对应组的修正片a(21)和修正片b(22)，所述每组修正片a(21)和修正片b(22)对称放置于工件盘(1)的中心轴径向两侧并位于玻璃基材(3)和蒸发源(5)之间；工件盘(1)带动玻璃基材(3)旋转时，当玻璃基材(3)分别经过修正片a(21)和修正片b(22)位置时，修正片a(21)和修正片b(22)能对蒸发源(5)蒸发膜料部分遮挡以调整该镀膜层在镀膜面上的膜料分布；

所述修正片a(21)是由理论修正片a修正而得；

修正片a(21)上对应玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘(1)下表面圆周位置的圆弧弧长分别用a_M、a_o、a_m代表；设定a_m值，该a_m值为工件盘(1)半径大小的5-10％，所述理论修正片a的a_M和a_o理论值由以下公式计算而得：

$\frac{t_s}{t_{os}}=\frac{{(h^2+L^2)}^2(h^2+L^2+r^2)}{{\[{(h^2+r^2+L^2)}^2-4L^2{r}^2\]}^{3/2}},$

t_sm×(2πr_m-a_m)＝t_so×(2πr_o-a_o)＝t_sM×(2πr_M-a_M)；

其中，h为工件盘(1)圆心到蒸发源底板(4)的垂直高度，L为蒸发源(5)与工件盘(1)圆心在蒸发源底板(4)的垂直投影点之间的垂直距离，r为工件盘(1)圆心到膜料沉积在工件盘(1)上的沉积测试点A的半径，t_s为膜料沉积在工件盘(1)上的沉积测试点A的膜厚，t_os表示膜料沉积在工件盘(1)中心的膜厚，t_s/t_os表示沉积测试点A与中心点膜厚比值，t_sM、t_so、t_sm分别为膜料沉积在玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置这3个点的膜厚；r_M、r_o、r_m分别表示工件盘(1)圆心到膜料沉积在玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置的半径；

修正片a(21)的a_M、a_o和a_m的实际值是在通过玻璃基材(3)镀膜面上试镀上一层厚度为250-300nm的所镀材料膜并依据沿工件盘直径方向测定每个镀膜沉积测试点的透过率来对理论修正片a的a_M、a_o和a_m理论值进行修正而得，修正过所得的修正片a(21)能使得所镀膜层的厚度一致；

所述修正片b上对应玻璃基材(3)镀膜面的最内端、正中和最外端位置所在工件盘(1)下表面圆周位置的圆弧弧长分别为b_M、b_o、b_m，该b_M、b_m、b_o由公式

和计算得到；其中，a_M、a_m、a_o采用修正片a(21)的实际值，λ_M、λ_o、λ_m分别为膜系设计要求的对应玻璃基材(3)最内端、正中和最外端位置的透过率对应的波长。

7.根据权利要求6所述的生产装置，其特征在于：所述玻璃基材(3)的镀膜面所镀膜层为的介质膜层。

8.根据权利要求7所述的生产装置，其特征在于：所述介质膜层为高折射率膜层、低折射率膜层或由高折射率膜层与低折射率膜层交替而成的膜层。

9.根据权利要求8所述的生产装置，其特征在于：所述高折射率膜料为Ta₂O₅、Nb₂O₅、ZrO₂或TiO₂，所述低折射率膜料为SiO₂或MgF₂。

10.根据权利要求6所述的生产装置，其特征在于：所述玻璃基材(3)为K9玻璃、BK7玻璃或熔石英FS。