CN109252139A - 一种光学元件的镀膜装置及镀膜方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学元件的镀膜装置及镀膜方法，属于光学设备技术领域，可应用于薄膜光学制备技术领域。本发明利用金属材料设计一个膜层厚度均匀补偿装置，将其放置在两个蒸发源正中间一定高度位置上，在镀膜过程中，挡板状态不变，可同时对两个蒸发源的膜层厚度进行修正，且不互相干扰其均匀性。

Description

一种光学元件的镀膜装置及镀膜方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件的镀膜装置及镀膜方法，属于光学设备技术领域，可应用于薄膜光学制备技术领域。

背景技术

光学元件是应用于光学系统中重要原件，由于各个光学系统对光谱有不同需求，因此需要在光学元件上镀膜。

现有技术中，将光学元件放置在镀膜机的真空室内球面旋转夹具上，蒸发源内放置薄膜材料，当加热蒸发后，薄膜材料在一定蒸发角内形成圆形包络面上升到达光学元件上，形成一定厚度的薄膜。由于蒸发包络面到达夹具各位置处所沉积的薄膜厚度不一样，因此在整个光学元件上不同位置处，将会产生膜层厚度差异。

为了解决上述的膜层厚度差异的问题，一般采用膜厚均匀性补偿装置，也叫膜层厚度均匀性修正挡板，用来对镀膜机蒸发源所蒸发的薄膜材料进行厚度修正，使其在一定范围内的膜层厚度一致，应用于镀膜机中。挡板材料一般是铝合金或不锈钢等金属，厚度约为0.5mm，初始形状为长方形，长和宽的尺寸并不固定，一般情况下长度与真空室半径大小、旋转夹具半径，放置角度相关。在确定初始形状后，将挡板放入真空室内，进行膜层厚度均匀性实验，根据实验结果对挡板进行修剪，直到挡板形状符合膜层厚度均匀性要求。

挡板是放置在镀膜机中的，目前大部分镀膜机的配置是双蒸发源，这种镀膜机每个蒸发源的上方都会有一个挡板，分别对每个蒸发源所蒸发的材料进行厚度修正，当两个挡板同时升起时，一旦蒸发源A工作，挡板B会对蒸发源A产生膜层厚度均匀性干扰，反之亦然。但这种方法需要挡板的连接处采用某种机构来实现，频繁的起落会有机构卡死的风险，导致挡板无法处于正确的位置。另外，某些镀膜机由于真空室尺寸限制，其所需挡板的长度大于挡板机械装置与蒸发源的距离。在这种情况下，当挡板下落时，挡板无法紧贴真空室内壁，会对真空室底部其他镀膜辅助器件产生遮挡作用，影响镀膜质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种光学元件的镀膜装置及镀膜方法，该装置是在两个蒸发源中间放置一块补偿挡板来同时修正两个蒸发源的膜层厚度均匀性，该挡板放置后不需要升起或下落，不会产生机构卡死等问题，也不会产生均匀性干扰的问题，同时解决了部分镀膜机无法在蒸发源两侧放置挡板的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种光学元件的镀膜装置，该镀膜装置包括镀膜机和挡板；镀膜机包括真空室、左蒸发源、右蒸发源和夹具，左蒸发源、右蒸发源均放置在真空室的底端，夹具固定安装在真空室的顶端，挡板放置在镀膜机的真空室内，且挡板的中心与左蒸发源的中心的距离和右蒸发源的中心的距离一致；夹具用于对待镀膜的光学元件进行装卡；且左蒸发源的中心与真空室底端中心的距离为L，右蒸发源的中心与真空室底端中心的距离为L；左蒸发源的最大蒸发角为a，右蒸发源的最大蒸发角为b，使用夹具装卡的待镀膜的光学元件的底端中心与真空室底端的中心之间的距离为h；定义挡板的中心与真空室底端的中心的连线为真空室的对称轴；

挡板为一长方形板，挡板的长度为真空室内径的一半；

根据左蒸发源确定的挡板的宽度为D；

挡板放置在真空室内的高度为H；

光学元件或工装夹具底部半径为r；

设挡板的最小宽度为2d，D>2d，

2d＝2[tan(a)*h-L]

挡板的最大宽度为r+d，即2d<D≤r+d；

将最小宽度的挡板(即此时挡板的宽度D＝2d)放置到距离真空室底端的中心为h的位置处；

当左蒸发源在最大蒸发角时掠过挡板右侧边缘时，挡板的高度为h；左蒸发源在最大蒸发角时与真空室的对称轴的交点的高度为h2；则

则挡板放置在真空室内的高度为：h2≤H＜h；

至此，得到基于左蒸发源确定的挡板的宽度2d<D≤r+d，高度h2≤H＜h；

根据右蒸发源确定的挡板的宽度为D’；

挡板放置在真空室内的高度为H’；

设挡板的最小宽度为2d’，D’≥2d’，则

2d′＝2[tan(b)*h-L]

挡板的最大宽度为r+d’，即2d’≤D’≤r+d’；

将最小宽度的挡板(即此时挡板的宽度D’＝2d’)放置到距离真空室底端的中心为h的位置处；

当右蒸发源在最大蒸发角时掠过挡板左侧边缘时，挡板的高度为h；右蒸发源在最大蒸发角时与真空室的对称轴的交点的高度为h2’；则

则挡板放置在真空室内的高度为：h2’≤H’＜h；

至此，得到基于右蒸发源确定的挡板的宽度2d’≤D’≤r+d’，高度h2’≤H’＜h；

最后确定挡板的宽度取D和D’的并集，挡板的高度取H和H’的交集。

挡板的材料为铝合金5A06或不锈钢304。

一种光学元件的镀膜方法，该方法的步骤包括：

(1)将挡板放置到真空室内；

(2)给真空室抽真空；

(3)开始镀膜，镀膜结束后得到带有膜层的光学元件。

有益效果

(1)本发明在镀膜机真空室的门的中间放置一个矩形挡板，根据蒸发源的蒸发角及蒸发源在真空室的几何位置确定挡板在真空室的高度和初始宽度，在决定了高度和初始长度、宽度后，在根据膜层厚度均匀性实验，对初始挡板进行修剪，以达到使用要求。

(2)本发明提高了镀膜机的镀膜后面形精度，扩展了镀膜机的使用范围，能够较为精确的确定该类型挡板距离蒸发源的高度和挡板的初始宽度，避免了大量了重复试验，减少了实验次数，提高科研生产效率。

(3)本发明利用金属材料设计一个膜层厚度均匀补偿装置，将其放置在两个蒸发源正中间一定高度位置上，在镀膜过程中，挡板状态不变，可同时对两个蒸发源的膜层厚度进行修正，且不互相干扰其均匀性。

附图说明

图1为本发明的镀膜装置的立体示意图；

图2为本发明的镀膜装置的结构示意图；

图3为左蒸发源与挡板在真空室位置关系示意图；

图4为右蒸发源与挡板在真空室位置关系示意图；

图5为反射率光谱测试结果示意图。

具体实施方式

本发明利用金属材料设计一个膜层厚度均匀补偿装置，将其放置在两个蒸发源正中间一定高度位置上，在镀膜过程中，挡板状态不变，可同时对两个蒸发源的膜层厚度进行修正，且不互相干扰其均匀性。具体设计方法如下：

图1为膜层厚度均匀性补偿装置与左侧蒸发源相对位置关系的示意图(正视图)，补偿装置位于真空室正中心。

已知的数据如下：

1.L-真空室中心与左侧蒸发源的距离；

2.a-左侧蒸发源的最大蒸发角；

3.h-挡板在真空室内所能放置的最大高度；

首先确定该补偿装置的最小宽度2d：

挡板的宽度要大于2d，否则薄膜材料会从挡板的右边缘逸出而无法起到遮挡作用，而挡板的最小宽度2d为

2d＝2[tan(a)*h-L]

但在使用中，其补偿装置应大于2d。

下面来确定该装置应该放置的高度：

h2-左蒸发源在最大蒸发角时与真空室的对称轴的交点的高度；

由2d和tan(a)可计算出h2的位置：

从以上公式可以得到基于左侧蒸发源的蒸发角及位置关系而计算出的挡板高度：挡板的高度位置应在h2与h之间；

b为右侧蒸发源的最大发散角，且b>a.

补偿挡板最小宽度为2d’，同时挡板放置高度位置范围为h2’与h之间。

补偿装置最终宽度与高度的确定：

对于两个蒸发源而言，其高度与挡板宽度为：

宽度：由于右侧蒸发源所要求挡板宽度比左侧大，因此挡板宽度应以右侧为准，最小宽度为2d’，最大宽度为r+d’,因此挡板初始宽度D为2d’<D<r+d’，

2d′＝2[tan(b)*h-L]

高度：由于右侧蒸发源高度范围大于左侧蒸发源高度范围，因此最终高度位置应在h1与h之间；

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1-4所示，一种光学元件的镀膜装置，该镀膜装置包括镀膜机和挡板；镀膜机包括真空室、左蒸发源、右蒸发源和夹具，左蒸发源、右蒸发源均放置在真空室的底端，夹具固定安装在真空室的顶端，挡板放置在镀膜机的真空室内，且挡板的中心与左蒸发源的中心的距离和右蒸发源的中心的距离一致；夹具用于对待镀膜的光学元件进行装卡；且左蒸发源的中心与真空室底端中心的距离为L＝1150mm，右蒸发源的中心与真空室底端中心的距离为L＝1150mm；左蒸发源的最大蒸发角为a＝40.3°，右蒸发源的最大蒸发角为b＝37.7°，使用夹具装卡的待镀膜的光学元件的底端中心与真空室底端的中心之间的距离为h＝1600mm；所镀制的光学元件半径为r＝600mm；定义挡板的中心与真空室底端的中心的连线为真空室的对称轴；

挡板为一长方形板，挡板的长度为真空室内径的一半；

根据左蒸发源确定的挡板的宽度为D；

挡板放置在真空室内的高度为H；

设挡板的最小宽度为2d，D≥2d,则

2d＝2[tan(a)*h-L]＝414mm

挡板的最大宽度为r+d，即414mm≤D<807mm；

将最小宽度的挡板(即此时挡板的宽度D＝2d)放置到距离真空室底端的中心为h＝1600mm的位置处；

当左蒸发源在最大蒸发角时掠过挡板右侧边缘时，挡板的高度为h；左蒸发源在最大蒸发角时与真空室的对称轴的交点的高度为h2；则

则挡板放置在真空室内的高度为：1353mm≤H＜1600mm；

至此，得到基于左蒸发源确定的挡板的宽度414mm≤D≤807mm，高度1353mm≤H＜1600mm；

根据右蒸发源确定的挡板的宽度为D’；

挡板放置在真空室内的高度为H’；

设挡板的最小宽度为2d’，D’≥2d’，则

2d′＝2[tan(b)*h-L]＝173mm；

挡板的最大宽度为r+d’，即173mm≤D’≤687mm；

将最小宽度的挡板(即此时挡板的宽度D’＝2d’)放置到距离真空室底端的中心为h＝1600mm的位置处；

当右蒸发源在最大蒸发角时掠过挡板左侧边缘时，挡板的高度为h；右蒸发源在最大蒸发角时与真空室的对称轴的交点的高度为h2’；则

则挡板放置在真空室内的高度为：1493mm≤H’＜1600mm；

至此，得到基于右蒸发源确定的挡板的宽度173mm≤D’≤687mm，高度1493mm≤H’＜1600mm；

最后确定挡板的宽度取D和D’的并集，即宽度为414mm到807mm之间，挡板的高度取H和H’的交集，即1493mm到1600mm之间。

挡板的材料为铝合金5A06或不锈钢304。

放置好挡板后，进行均匀性实验，对初始挡板形状进行修剪，得到最终形状。

一种光学元件的镀膜方法，该方法的步骤包括：

(1)将挡板放置到真空室内；

(2)给真空室抽真空；

(3)开始镀膜，镀膜结束后得到带有膜层的光学元件。

对得到的光学元件不同半径位置处进行反射率光谱测试，测试结果如图5所示，测试结果表明在添加均匀性补偿挡板后，不同半径位置处厚度均匀性一致，无差异。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：该镀膜装置包括镀膜机和挡板；

挡板的数量为一个，且挡板放置在镀膜机的真空室内。

2.根据权利要求1所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：镀膜机包括真空室、左蒸发源、右蒸发源和夹具，左蒸发源、右蒸发源均放置在真空室的底端，夹具固定安装在真空室的顶端，夹具用于对待镀膜的光学元件进行装卡；。

3.根据权利要求2所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：挡板的中心与左蒸发源的中心的距离标记为第一距离，挡板的中心与右蒸发源的中心的距离标记为第二距离，该第一距离和第二距离一致；

左蒸发源的中心与真空室底端中心的距离标记为第三距离，右蒸发源的中心与真空室底端中心的距离标记为第四距离，该第三距离和第四距离一致。

4.根据权利要求3所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：挡板为一长方形板，挡板的长度为真空室内径的一半；根据左蒸发源确定的挡板的宽度D的方法步骤如下：

定义如下参数：

第三距离、第四距均使用L进行表示；

左蒸发源的最大蒸发角标记为a，使用夹具装卡的待镀膜的光学元件的底端中心与真空室底端的中心之间的距离为h；定义挡板的中心与真空室底端的中心的连线为真空室的对称轴；

挡板放置在真空室内的高度为H；

光学元件或工装夹具底部半径为r；

设挡板的最小宽度为2d，D>2d，

2d＝2[tan(a)*h-L]

挡板的最大宽度为r+d，即2d<D≤r+d。

5.根据权利要求4所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：根据左蒸发源确定的挡板放置在真空室内高度H的方法步骤如下：

将最小宽度的挡板放置到距离真空室底端的中心为h的位置处；

当左蒸发源在最大蒸发角时掠过挡板右侧边缘时，挡板的高度为h；左蒸发源在最大蒸发角时与真空室的对称轴的交点的高度为h2；则

则挡板放置在真空室内的高度为：h2≤H＜h。

6.根据权利要求3-5任一所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：挡板为一长方形板，挡板的长度为真空室内径的一半；根据右蒸发源确定的挡板的宽度D’的方法步骤如下：

设挡板的最小宽度为2d’，D’≥2d’，则

2d′＝2[tan(b)*h-L]

挡板的最大宽度为r+d’，即2d’≤D’≤r+d’。

7.根据权利要求6所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：根据右蒸发源确定的挡板放置在真空室内高度H’的方法步骤如下：

将最小宽度的挡板放置到距离真空室底端的中心为h的位置处；

当右蒸发源在最大蒸发角时掠过挡板左侧边缘时，挡板的高度为h；右蒸发源在最大蒸发角时与真空室的对称轴的交点的高度为h2’；则

则挡板放置在真空室内的高度为：h2’≤H’＜h。

8.根据权利要求7所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：挡板的宽度取D和D’的并集，挡板的高度取H和H’的交集。

9.根据权利要求1-5任一所述的一种光学元件的镀膜装置，其特征在于：挡板的材料为铝合金5A06或不锈钢304。

10.一种光学元件的镀膜方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)将挡板放置到真空室内；

(2)给真空室抽真空；

(3)开始镀膜，镀膜结束后得到带有膜层的光学元件。