CN116103618A - 一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法及角度调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法及滤光片中间层的角度调节装置，镀膜方法包括以下操作步骤：S1.修正平面的均匀性；S2.建立数据库；S3.通过角度与斜率数据库匹配产品倾斜角度；S4.完成间隔层制备。本发明方法利用了蒸发镀膜机的均匀性原理，通过改变基片倾斜角度，达到改变基片法线与单点、蒸发源连线夹角变化的目的，使得基片上各点的夹角以及距离呈现线性变化，最终在基片倾斜方向现实膜厚的线性变化。

Description

一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法及角度调节装置

技术领域

本发明涉及高集成光谱探测器件制造技术领域，具体涉及一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法及滤光片中间层的角度调节装置。

背景技术

线性渐变滤光片是一种光谱特性在不同位置产生线性变化的新型分光元器件，根据法布里-珀珞干涉仪形式的滤光片原理可知，其中心波长与间隔层光学厚度有关，呈现线性变化规律。故线性渐变滤光片作为分光元件，可以得到极窄带的渐进线性滤光片薄膜实现光谱的高精度分辨。

根据法布里-珀珞滤光片，其峰值的透射波长λ₀,可由以下公式给出：

式中：n、d分别表示间隔层的折射率、物理厚度；ψ₁、ψ₂分别为上下反射膜系的相位；m为k+(ψ₁、ψ₂)/2π，k＝0,1,2…

由上式可知法布里-珀珞滤光片的峰值透过波长与中间层的光学厚度(nd)成正比，因此，理论上只要沿着某一方向制备线性渐变的间隔层，峰值透过波长λ₀也会随着这一方向同步变化。

以全介质F-P型滤光片为例，分为反射层与间隔层，反射层由高低折射率组成如HLH…HL；间隔层是由偶数个半波长2mL或者L2mHL组成；最终的膜系结构A＝(HL)^ⁿ2mH(LH)^ⁿ或者B＝(HL)^ⁿ H2mLH(LH)^ⁿ。

线性滤光片主要参数包括：

线性色散系数，光谱透过率曲线是表征线性渐变滤光片光谱特征的重要参数，其中评价其性能的重要指标为线性色散系数，定义为；

Liner Dispersion＝(λ_end-λ_start)/(x_end-x_start)

式中x_end和x_start分别为线性滤光片起始工作位置和终止工作位置，λ_end和λ_start分别为线性滤光片起始工作波长和终止工作波长的中心波长。

理想情况下，线性渐变滤光片的中兴波长沿着工作方向呈现线性变化，可以表示为

λ(x)＝kx+b k为线性滤光片的线性色散系数，b为滤光片起始工作位置的中心波长。

目前线性渐变滤光片的制备主要有两种思路：

其一是采用离子束刻蚀的方法，先镀膜制备完成底层反射层以及间隔层，然后在离子束出射窗口和待加工样片之间，垂直于离子束出射方向放置开有三角形窗口的挡板，离子束刻蚀时，样品以某一恒定速率来回运动，经过刻蚀获得垂直于样品运动方向上的厚度差，最终获得设计所需楔形厚度分布的间隔层，之后再补充镀置外层反射层；

该种方法通过控制三角形窗口尺寸以及刻蚀厚度来控制色散系数，刻蚀工艺优点在于工艺控制简单，通过改变刻蚀次数可以得到不同工作波段以及色散系数的产品，但是因为离子束刻蚀均匀性的问题，会对产品均匀性存在较大影响，且刻蚀方法对膜厚控制精度容易产生偏差，尤其是在复杂的多腔滤光片产品制备时；

其二是使用修正均匀性挡板，来修正膜厚在伞架上的分布，通过修正均匀性形状改变伞架上特定位置的膜厚分布，以满足线性滤光片间隔层膜厚递变的目的。

传统的均匀性挡板修正法存在较多问题，存在以下技术缺陷：同一均匀性挡板只能完成一种厚度梯度；其次是样片放置需要与均匀性挡板相对固定，伞架利用率低，只能是特定位置；另外均匀性挡板的修正一般测试点的位置是非连续的，如果均匀性挡板的修剪不到位，会影响到这些非测试点的实际厚度分布，存在盲区。

因此，如何设计一种改变膜层生长均匀性，以达到膜厚递变的线性渐变滤光片的镀膜方法及滤光片中间层的角度调节装置，成为急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法及滤光片中间层的角度调节装置，以解决上述至少一种技术问题。

本发明的技术方案是：一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法，包括以下步骤：

S1.修正平面的均匀性，

以角度调节装置水平零度的样片安装平面为初始平面，将固定链接件通过螺母与伞架固定链接，通过均匀性挡板修正该平面的均匀性；

S2.建立数据库，

以轴承为圆心，调节样片托盘角度，通过螺母锁定接口测定角度，完成不同角度下的间隔层制备，测试样片倾斜方向固定间距点的透过率，通过透过率反演计算各间隔点的厚度，完成厚度变化斜率标定，建立角度、斜率以及tooling相互关系的数据库；

S3.通过角度与斜率数据库匹配产品倾斜角度，

根据产品线性色散系数要求，计算间隔层厚度变化斜率要求，通过角度与斜率数据库来匹配产品所需倾斜角度；

S4.完成间隔层制备，

确定端点厚度，根据tooling设置晶控厚度，完成间隔层制备。

本发明方法利用了蒸发镀膜机的均匀性原理，通过改变基片倾斜角度，达到改变基片法线与单点、蒸发源连线夹角变化的目的，使得基片上各点的夹角以及距离呈现线性变化，最终在基片倾斜方向现实膜厚的线性变化。

本发明的技术方案是：一种可实现线性渐变滤光片中间层的角度调节装置，包括位于腔体中一端的旋转机构，所述旋转机构的一端连接伞架，伞架远离旋转机构的一端与角度调节装置固定连接，位于腔体中另一端分别设置有对称布置的蒸发源，两个蒸发源之间设置有离子源，伞架与两个蒸发源之间均设置有均匀性挡板。

本发明装置只需对初始高度进行平面均匀性调节，实验采集得到各倾斜角度的厚度变化斜率即可，随后针对不同款线性色散系数的渐变滤光片要求选用匹配的角度设置，大大提高了效率，减低了生产成本，解决了传统均匀性挡板需要反复校正、修正，单个挡板只能对应一种线性色散系数的技术缺陷。

附图说明

图1为本发明的角度调节装置在腔体中的示意图。

图2为本发明的角度调节装置样片水平零度状态时的示意图。

图3为本发明的角度调节装置样片调节角度状态时的示意图。

图4为本发明实施例六中的标准面平面TiO₂薄膜的均匀性图。

图5为本发明实施例六中的样片托盘60度倾斜情况下，TiO₂薄膜随这倾斜方向的厚度均匀性图。

图6为本发明的均匀性调节原理示意图。

图7为本发明实施例一中以TiO₂薄膜调节倾斜角度为45°&60°，样片一倾斜方向的厚度递变示意图。

图8为本发明实施例一中以TiO₂薄膜调节倾斜角度为45°&60°，样片二倾斜方向的厚度递变示意图。

图中：1.旋转机构；2.伞架；3.均匀性挡板；4.蒸发源；5.离子源；6.角度调节装置；601.样片托盘；602.固定链接件；603.轴承；604.螺母锁定接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

参阅图1-8，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，仍均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一、一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法，包括以下步骤：

S1.修正平面的均匀性，

以角度调节装置6水平零度的样片安装平面为初始平面，将固定链接件602通过螺母与伞架2固定链接，通过均匀性挡板3修正该平面的均匀性；样片为K9L40*40mm玻璃陪镀片基片，采用单层TiO₂薄膜进行制备，采用电子书热蒸发设备为韩一HAV2050镀膜机；与传统均匀性挡板在原理上类似，属于通过改变膜层生长均匀性，以达到膜厚递变的目的。但不同于传统人为修改均匀性挡板而改变均匀性分布的方式，而是利用了镀膜机中的单点膜厚公式，通过改变放置角度完成对膜厚的改变。其优势在于，首先因为平面成角度放置后，连续各点的成膜角度以及距离出现均匀的递变，从而导致膜厚出现连续性的递变分布；其次是不像传统的均匀挡板方法，需要性针对不同产品的线性色散系数，反复修正均匀性挡板，仅通过改变放置角度的改变即可；另外通过对标准平面进行初始均匀性调整后，膜厚的变化斜率主要与样片放置倾斜角相关，位置相关性变小，在一定范围内伞架的可装载率得到提高；

均匀性调节原理，蒸发源至单点P的膜厚可以表示为以下公式：

上述公式中t_p为单点膜厚，m为材料蒸发总量，μ为密度，r为蒸发源至基片p点的距离，θ为基片法线和r的夹角，参考图6。在材料选定、蒸发材料量一定的情况下，单点膜厚与r以及θ有关。

根据上诉均匀性原理可知，镀膜机中随着ρ半径的变化，膜层会存在渐变，该渐变符合线性渐变滤光片的原理要求，但是因为蒸发源的位置以及样片装载等因素的限制，仅利用镀膜机中原始存在的膜厚递变，无法匹配线性滤光片的线性色散系数，缺少调节变量。顾通过增加角度调节变量可以有效解决该问题，为了避免设备原始均匀性的影响，需要先制备标准平面的均匀性挡板，将设备原始均匀性归一化，再通过角度变化变量，完成对膜厚变化斜率的控制；

首先根据镜片尺寸，确定样片托盘的螺母锁定接口与轴承中心距离R，以该高度为标准平面，调节均匀性挡板至该平面的均匀性一致；

调整样片放置角度，制备单层介质层，并通过光谱测试仿真倾斜方向厚度，并计算得到厚度变化斜率、tooling；以TiO₂为例，分别调节倾斜角度为45°&60°，样片采用40*40mm陪镀片，样片倾斜方向的厚度递变参考图7、图8，

从图中可以看到，随着角度由45°提升至60°，膜厚倾斜率增加；同时对比内圈与外圈相同角度情况下，倾斜率没有明显变化，说明在伞架的一定范围内膜厚倾斜率与角度相关，内外圈没有明显区别，通过余弦曲线规律可知，随着角度的增加，余弦越小，无线接近0，理论上随着角度增加，厚度倾斜率也会增加，无限接近无穷大；；

S2.建立数据库，根据法布里-珀珞滤光片中心波长计算公式，结合渐变滤光片的线性色散系数要求，计算间隔层物理厚度变化斜率要求；以轴承603为圆心，调节样片托盘601角度，通过螺母锁定接口604测定角度，完成不同角度下的间隔层制备，测试样片倾斜方向固定间距点的透过率，通过透过率反演计算各间隔点的厚度，完成厚度变化斜率标定，建立角度、斜率以及tooling相互关系的数据库；

S3.通过角度与斜率数据库匹配产品倾斜角度，

根据产品线性色散系数要求，计算间隔层厚度变化斜率要求，通过角度与斜率数据库来匹配产品所需倾斜角度；

S4.完成间隔层制备，

确定端点厚度，根据tooling设置晶控厚度，完成间隔层制备。

本发明方法利用了蒸发镀膜机的均匀性原理，通过改变基片倾斜角度，达到改变基片法线与单点、蒸发源连线夹角变化的目的，使得基片上各点的夹角以及距离呈现线性变化，最终在基片倾斜方向现实膜厚的线性变化。

实施例二、一种可实现线性渐变滤光片中间层的角度调节装置，参考图1，包括位于腔体中一端的旋转机构1，所述旋转机构1的一端连接伞架2，伞架2远离旋转机构1的一端与角度调节装置6固定连接，位于腔体中另一端分别设置有对称布置的蒸发源4，两个蒸发源4之间设置有离子源5，伞架2与两个蒸发源4之间均设置有均匀性挡板3。本发明装置只需对初始高度进行平面均匀性调节，实验采集得到各倾斜角度的厚度变化斜率即可，随后针对不同款线性色散系数的渐变滤光片要求选用匹配的角度设置，大大提高了效率，减低了生产成本，解决了传统均匀性挡板需要反复校正、修正，单个挡板只能对应一种线性色散系数的技术缺陷。

实施例三、在实施例二的基础上，参考图2、图3，所述角度调节装置6包括固定链接件602，固定链接件602内设置有样片托盘601，样片托盘601内放置样片，样片托盘601的一端设置有螺母锁定接口604，样片托盘601的另一端设置有轴承603，固定链接件602上设置有滑道，螺母锁定接口604能沿着滑道运动。

实施例四、在实施例三的基础上，所述滑道为弧形结构，轴承603位于弧形结构的圆心。

实施例五、在实施例四的基础上，所述螺母锁定接口604与轴承603之间的距离，即样片旋转角度的半径R，该值决定了样片可装载大小，以及初始标准平面的高度。

实施例六、在实施例五的基础上，所述样片托盘601的旋转角度φ，该值直接影响膜层厚度的变化斜率。

实施例七、参考图4、图5，实验基片为K9L40*40mm玻璃陪镀片，实验采用单层TiO₂薄膜进行制备，实验所采用电子书热蒸发设备为韩一HAV2050镀膜机；

1)按照图1进行配置，角度调节装置6按照图2状态与伞架2固定链接，根据K9L陪镀片尺寸40mm，由伞架2安装面下移40mm作为标准平面进行均匀性调节，得到K9L40*40mm陪镀片上均匀性的薄膜分布，厚度拟合均匀性如图4；

2)按照图3调节样片托盘601，调节角度为60°，可根据螺母锁定接口604与轴承603中心连线确定调节角度，制备60°情况下单层TiO₂，得到K9L40*40mm基片上以倾斜方向递变的TiO₂薄膜，厚度均匀性测试如图5，同时可以根据晶控厚度计算得到各点tooling，并计算出TiO₂薄膜的光学参数n、k值；

3)根据60°厚度均匀性可以计算出，厚度递变斜率为0.12％/mm；

4)以550nm带通膜系为例，间隔层折射率n＝2.12，m＝4，可根据中心波长公式λ₀＝2nd/m计算出间隔层厚度d＝519nm，厚度递变为0.62nm/mm，则40口径内，厚度渐变斜率为25nm/40mm，该值即为40mm镜片，550nm带通膜系，在样片倾斜60°情况可以制的滤光片的线性色散系数，带通中心波长λ₀由550nm->524nm，线性渐变滤光片的线性色散系数为25nm/40mm；

5)以上为特定样片倾斜角度下，反推40mm尺寸524-550nm线性渐变滤光片的实验演算，实际制备中，可以通过线性渐变滤光片的尺寸以及中心波长λ₀渐变范围，计算得到线性色散系数，再根据中心波长公式λ₀＝2nd/m，推算出厚度递变斜率。不同的厚度递变斜率由倾斜角度调整可以测算而得到，从而完成样片的制备。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可实现线性渐变滤光片中间层的角度调节装置，包括位于腔体中一端的旋转机构(1)，其特征在于：所述旋转机构(1)的一端连接伞架(2)，伞架(2)远离旋转机构(1)的一端与角度调节装置(6)固定连接，位于腔体中另一端分别设置有对称布置的蒸发源(4)，两个蒸发源(4)之间设置有离子源(5)，伞架(2)与两个蒸发源(4)之间均设置有均匀性挡板(3)。

2.根据权利要求1所述的一种可实现线性渐变滤光片中间层的角度调节装置，其特征在于：所述角度调节装置(6)包括固定链接件(602)，固定链接件(602)内设置有样片托盘(601)，样片托盘(601)内放置样片，样片托盘(601)的一端设置有螺母锁定接口(604)，样片托盘(601)的另一端设置有轴承(603)，固定链接件(602)上设置有滑道，螺母锁定接口(604)能沿着滑道运动。

3.根据权利要求2所述的一种可实现线性渐变滤光片中间层的角度调节装置，其特征在于：所述滑道为弧形结构，轴承(603)位于弧形结构的圆心。

4.根据权利要求3所述的一种可实现线性渐变滤光片中间层的角度调节装置，其特征在于：所述螺母锁定接口(604)与轴承(603)之间的距离，即样片旋转角度的半径R，该值决定了样片可装载大小，以及初始标准平面的高度。

5.根据权利要求4所述的一种可实现线性渐变滤光片中间层的角度调节装置，其特征在于：所述样片托盘(601)的旋转角度φ，该值直接影响膜层厚度的变化斜率。

6.一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.修正平面的均匀性，

以角度调节装置(6)水平零度的样片安装平面为初始平面，将固定链接件(602)通过螺母与伞架(2)固定链接，通过均匀性挡板(3)修正该平面的均匀性；

S2.建立数据库，

以轴承(603)为圆心，调节样片托盘(601)角度，通过螺母锁定接口(604)测定角度，完成不同角度下的间隔层制备，测试样片倾斜方向固定间距点的透过率，通过透过率反演计算各间隔点的厚度，完成厚度变化斜率标定，建立角度、斜率以及tooling相互关系的数据库；

S3.通过角度与斜率数据库匹配产品倾斜角度，

根据产品线性色散系数要求，计算间隔层厚度变化斜率要求，通过角度与斜率数据库来匹配产品所需倾斜角度；

S4.完成间隔层制备，

确定端点厚度，根据tooling设置晶控厚度，完成间隔层制备。

7.根据权利要求6所述的一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据法布里-珀珞滤光片中心波长计算公式，结合渐变滤光片的线性色散系数要求，计算间隔层物理厚度变化斜率要求。

8.根据权利要求6所述的一种可实现线性渐变滤光片的镀膜方法，其特征在于：所述步骤S1中，样片为K9L40*40mm玻璃陪镀片，采用单层TiO₂薄膜进行制备，采用电子书热蒸发设备为韩一HAV2050镀膜机。

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