一种线性渐变滤光片修正挡板的设计方法

1.本发明涉及高集成光谱探测器件制造领域，具体涉及制备一种线性渐变滤光片修正挡板的设计方法。


背景技术：

2.线性渐变滤光片(linear variable filter，lvf)，又称linear-variable optic filters(lvof)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。由光栅方程d＝mλ可知，当膜厚d发生变化时，对应的峰值透过波长λ也会同步变化。因此线性渐变滤光片沿着楔形方向，中心波长是连续线性变化的。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；有高的峰值透过率和较宽的长波截止区，可以适应于多种场合。
3.基于线性渐变滤光片的分光技术应用在诸如军事探测、大气监测、食品安全监测、医疗分析等领域。因此研究其制备具有非常重要的应用价值。
4.目前线性渐变滤光片的制备主要有两种思路：
5.其一是在镀膜设备中加装特殊的机械结构，进而完成线性渐变滤光片的制备。代表专利如cn105911624a，cn212051637u等。设计的机械结构成本高，同时对线性渐变滤光片的制备精度影响较大；
6.其二是使用修正挡板，修正挡板设置在镀膜机真空室内，通过每一种材料的蒸发特性进行膜厚修正，来达到材料的厚度分布精确可控的目的，它是制备高精度线性渐变滤光片时的重要结构，膜层厚度的沉积误差往往决定了镀膜质量的好坏。因为现有技术的方法是通过多次单层薄膜工艺实验的反复进行，才能得到满足一种规格线性渐变滤光片要求的修正挡板，因此存在着成本高和效率低的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种线性渐变滤光片修正挡板的设计方法，以克服现有技术存在的成本高和效率低的问题。
8.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种线性渐变滤光片修正挡板的设计方法，包括以下步骤：
9.1)建立相对膜厚与变量之间的仿真模型，利用mathcad15进行编程仿真，设计程序模拟热蒸发设备薄膜厚度分布，通过实验确定使用电子束热蒸发设备蒸发源的发射特性n；
10.2)在相对膜厚与变量之间仿真模型中引入修正挡板函数，实现旋转球面蒸发系统的膜厚分布模拟，将镀膜机的夹具旋转速度ω、沉积特性蒸发特性n等参数导入mathcad程序中，通过数学模型确定线性渐变滤光片所需要的初始修正挡板；
11.3)使用石英晶振法监控膜厚，进行单层工艺试验优化出渐变线性滤光片的修正挡板。
12.上述变量是修正挡板的位置，修正挡板的形状和材料的发射特性n，蒸发源所在平
实际蒸发源特性n＝2.1(参见图3)；
31.(3))修正挡板的具体形状对膜料的遮挡存在直接关系。在相对膜厚与变量之间仿真模型中引入修正挡板函数,基片旋转至此处膜料被遮挡，即mask＝0；膜料未被遮挡处，即mask＝1。将镀膜机的球形工件架旋转速度ω、ta2o5沉积特性蒸发特性n，蒸发源所在平面与球形工件架最高点的距离h，球形工件架的曲率半径r，蒸发源与球形工件架转轴中心的距离l，导入mathcad程序中，根据建立的仿真模型关系，仿真设备修正挡板相对膜厚分布；
32.(4)根据实际参数，仿真得到ta2o5修正挡板与相对膜厚的关系，呈现规律如下：ta2o5初始挡板越靠近球形工件架中心，相对膜厚差越大，ta2o5初始挡板宽度越大，相对膜厚差越大，ta2o5初始挡板越长，相对膜厚差越小。继而进而确定线性渐变滤光片所需要的初始修正挡板；
33.3)使用石英晶振法监控膜厚，进行单层工艺试验优化出渐变线性滤光片的修正挡板：
34.(1)根据仿真结果，切割ta2o5修正挡板；在真空镀膜腔室内，放入切割的修正挡板，沿着球形工件架径向，每隔ρ值42mm放置一个样片，用石英晶振法监控膜厚，镀制500nm的ta2o5薄膜，进行单层工艺实验；
35.(2)根据改善的修正挡板与相对膜厚模型，得到线性优化出用于线性渐变滤光片的ta2o5修正挡板，如图2所示。
36.具体使用时，将优化出ta2o5修正挡板放入镀膜设备中，用石英晶振法监控膜厚，镀制500nm的ta2o5薄膜，如图4所示，得到对应ρ值位置170mm～210mm的相对膜厚呈现线性变化。
37.根据实验结果验证，符合制备500nm～800nm线性渐变滤光片的需求，此时ta2o5修正挡板在球形工件架的放置位置和大小即为图2所示。
38.采用上述做法，制作sio2修正挡板，仅需3～4次实验可获得制备所需的ta2o5与sio2修正挡板，将所获得的ta2o5与sio2修正挡板固定在镀膜设备中，设计线性渐变滤光片膜系，在德国莱宝syrus
·
c1110型镀膜机镀制，制备的线性渐变滤光片实物，实现了500nm～800nm光谱范围内的渐变。


技术特征：
1.一种线性渐变滤光片修正挡板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立相对膜厚与变量之间的仿真模型，利用mathcad15进行编程仿真，设计程序模拟热蒸发设备薄膜厚度分布，通过实验确定使用电子束热蒸发设备蒸发源的发射特性n；2)在相对膜厚与变量之间仿真模型中引入修正挡板函数,实现旋转球面蒸发系统的膜厚分布模拟，将镀膜机的夹具旋转速度、沉积特性蒸发特性n等参数导入mathcad程序中，通过仿真模型确定线性渐变滤光片所需要的初始修正挡板；3)使用石英晶振法监控膜厚，进行单层工艺试验优化出渐变线性滤光片的修正挡板。2.根据权利1要求所述一种线性渐变滤光片修正挡板的设计方法，其特征在于：所述变量是修正挡板的位置，修正挡板的形状和材料的发射特性n，蒸发源所在平面与球形工件架最高点的距离h，球形工件架的曲率半径r，蒸发源与球形工件架转轴中心的距离l，工件架上任意点p三维的坐标(x,y,z)。

技术总结
本发明涉及高集成光谱探测器件制造领域，具体涉及制备一种线性渐变滤光片修正挡板的设计方法。本发明提供的设计方式是：首先建立关于相对膜厚与变量的仿真模型，利用Mathcad15进行编程仿真，设计程序模拟热蒸发设备薄膜厚度分布，通过实验确定使用电子束热蒸发设备蒸发源的发射特性n；然后引入修正挡板函数，实现旋转球面蒸发系统的膜厚分布模拟，确定线性渐变滤光片所需要的初始修正挡板；最后使用石英晶振法监控膜厚，进行单层工艺试验优化出渐变线性滤光片的修正挡板。本发明通过仿真结合实验的方式，仅需3~4次即可获得符合要求的修正挡板，解决了以往修正挡板设计中需要进行多次的重复单层工艺实验的特点，降低了制造成本、提高了加工效率。提高了加工效率。提高了加工效率。


技术研发人员：周顺 庞梦林 郭峰 张雪 刘卫国
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/6/28