光学镀膜

镀膜是用物理或化学的方法在材料表面镀上一层透明的电解质膜，或镀一层金属膜，目的是改变材料表面的反射和透射特性。

在可见光和红外线波段范围内，大多数金属的反射率都可达到78%~98%，但不可高于98%。无论是对于CO₂激光，采用铜、钼、硅、锗等来制作反射镜，采用锗、砷化镓、硒化锌作为输出窗口和透射光学元件材料，还是对于YAG激光采用普通光学玻璃作为反射镜、输出镜和透射光学元件材料，都不能达到全反射镜的99%以上要求。不同应用时输出镜有不同透过率的要求，因此必须采用光学镀膜方法。

对于CO₂激光灯中红外线波段，常用的镀膜材料有氟化钇、氟化镨、锗等；对于YAG激光灯近红外波段或可见光波段，常用的镀膜材料有硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆等。除了高反膜、增透膜之外，还可以镀对某波长增反射、对另一波长增透射的特殊膜，如激光倍频技术中的分光膜等。

光的干涉在薄膜光学中广泛应用。光学薄膜技术的普遍方法是借助真空溅射的方式在玻璃基板上涂镀薄膜，一般用来控制基板对入射光束的反射率和透过率，以满足不同的需要。为了消除光学零件表面的反射损失，提高成像质量，涂镀一层或多层透明介质膜，称为增透膜或减反射膜。随着激光技术的发展，对膜层的反射率和透过率有不同的要求，促进了多层高反射膜和宽带增透膜的发展。为各种应用需要，利用高反射膜制造偏振反光膜、彩色分光膜、冷光膜和干涉滤光片等。

光学零件表面镀膜后，光在膜层层上多次反射和透射，形成多光束干涉，控制膜层的折射率和厚度，可以得到不同的强度分布，这是干涉镀膜的基本原理。

常见的光学镀膜材料有以下几种：

1、氟化镁

材料特点：无色四方晶系粉末，纯度高，用其制备光学镀膜可提高透过率，不出崩点。

2、二氧化硅

材料特点：无色透明晶体，熔点高，硬度大，化学稳定性好。纯度高，用其制备高质量Si0₂镀膜，蒸发状态好，不出现崩点。按使用要求分为紫外、红外及可见光用。

3、氧化锆

材料特点 白色重质结晶态，具有高的折射率和耐高温性能，化学性质稳定，纯度高，用其制备高质量氧化锆镀膜，不出崩点。

光学薄膜在高真空度的镀膜腔中实现。常规镀膜工艺要求升高基底温度(通常约为300℃)；而较先进的技术，如离子辅助沉积(IAD)可在室温下进行。IAD工艺不但生产比常规镀膜工艺具有更好物理特性的薄膜，而且可以应用于塑料制成的基底。图19.11展示一个操作者正在光学镀膜机前。抽真空主系统由两个低温泵组成。电子束蒸发、IAD沉积、光控、加热器控制、抽真空控制和自动过程控制的控制模块都在镀膜机的前面板上。图19.12示出装配在高真空镀膜机基板上的硬件布局。两个电子枪源位于基板两边，周围是环形罩并被挡板覆盖。离子源位于中间，光控窗口在离子源的前方。图19.13示出真空室的顶部，真空室里有含6个圆形夹具的行星系统。夹具用于放置被镀膜的光学元件。使用行星系统是保证被蒸发材料在夹具区域内均匀分布的首选方法。夹具绕公共轴旋转，同时绕其自身轴旋转。光控和晶控处于行星驱动机械装置的中部，驱动轴遮挡晶控。背面的大开口通向附加的高真空泵。基底加热系统由4个石英灯组成，真空室的两边各两个。

薄膜沉积的传统方法一直是热蒸发，或采用电阻加热蒸发源或采用电子束蒸发源。薄膜特性主要决定于沉积原子的能量，传统蒸发中原子的能量仅约0.1eV。IAD沉积导致电离化蒸汽的直接沉积并且给正在生长的膜增加活化能，通常为50eV量级。离子源将束流从离子枪指向基底表面和正在生长的薄膜来改善传统电子束蒸发的薄膜特性。

薄膜的光学性质，如折射率、吸收和激光损伤阈值，主要依赖于膜层的显微结构。薄膜材料、残余气压和基底温度都可能影响薄膜的显微结构。如果蒸发沉积的原子在基底表面的迁移率低，则薄膜会含有微孔。当薄膜暴露于潮湿的空气时，这些微孔逐渐被水汽所填充。

填充密度定义为薄膜固体部分的体积与薄膜的总体积(包括空隙和微孔)之比。对于光学薄膜，填充密度通常为0.75～1.0，大部分为0.85～0.95，很少达到1.0。小于l的填充密度使所蒸发材料的折射率低于其块料的折射率。

在沉积过程中，每一层的厚度均由光学或石英晶体监控。这两种技术各有优缺点，这里不作讨论。其共同点是材料蒸发时它们均在真空中使用，因而，折射率是蒸发材料在真空中的折射率，而不是暴露于潮湿空气中的材料折射率。薄膜吸收的潮气取代微孔和空隙，造成薄膜的折射率升高。由于薄膜的物理厚度保持不变，这种折射率升高伴有相应的光学厚度的增加，反过来造成薄膜光谱特性向长波方向的漂移。为了减小由膜层内微孔的体积和数量所引起的这种光谱漂移，采用高能离子以将其动量传递给正在蒸发的材料原子，从而大大增加材料原子在基底表面处凝结期间的迁移率。

根据电磁学的基本理论里，提到对于不同介质的透射与反射。

若是由介质 n₁垂直入射至 n₂

反射率=[ (n₂－n₁) / (n₁ n₂) ]^2

穿透率=4n₁n₂ / (n₁ n₂)^2

范例讲解：

若是空气的折射率是 1.0 ，镀膜的折射率nc (例如：1.5) ，玻璃的折射率n (例如：1.8)（1）由空气直接进入玻璃

穿透率= 4×1.0×1.8 / ( 1 1.8 )²=91.84%

（2）由空气进入镀膜后再进入玻璃穿透率=[ 4×1.0×1.5 / ( 1 1.5 )²] × [ 4×1.5×1.8 / ( 1.5 1.8 )²]=95.2%

可见有镀膜的玻璃会增加透光度。此外由此公式，我们可以计算光线穿透镜片的两面，发现即使一片完美的透镜（折射率1.8），其透光度约为85%左右。若加上一层镀膜（折射率1.5），则透光度可达91%。可见光学镀膜的重要性。

我们已经知道透光度与镀膜的折射率有关，但是却无关于它的厚度。可是我们若能在镀膜的厚度上下点功夫，会发现反射光A与反射光B相差 n_c×2D 的光程差。如果

n_c×2D=（N 1/2）λ 其中 N= 0,1,2,3,4,5..... λ为光在空气中的波长

则会造成该特定波长的反射光有相消的效应，因此反射光的颜色会改变。

例如，镀膜的厚度若造成绿色光的相消，则反射光会呈现红色的。市面上许多看似红色镜片的望远镜都是用这个原理制作的。尽管如此，透射光却没有偏红的现象。

在许多复杂的光学系统里，反射光的抑制是十分重要的功课。因此一组镜片之间，会利用不同的镀膜厚度来消去不同频率的反射光。所以越高级的光学系统，发现反射光的颜色也会越多。

一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机专利目的

《一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机》所要解决的技术问题是提供一种结构简单可靠的能在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机。

一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机技术方案

《一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机》通过如下技术方案解决：一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机，包括炉体、转轴、工件转架、转轴驱动机构、晶振探头和膜厚控制仪主机，所述炉体由炉壁、炉体底盘和炉体顶板组成，转轴竖向安装在炉体中部，上、下端分别与所述炉体顶板、炉体底盘密封安装，转轴上端穿出所述炉体顶板，膜厚控制仪主机位于所述炉体顶板上方安装在所述转轴上端，工件转架安装在所述转轴上位于炉体内部，晶振探头安装在所述工件转架上，其电导线和信号线密封穿出所述炉体与所述膜厚控制仪主机相连，其冷却水回路密封穿出所述炉体与连接外部供回水系统的旋转接头相连，转轴驱动机构从炉体外部与所述转轴相连驱动转轴转动，所述工件转架、膜厚控制仪主机及晶振探头随所述转轴同步转动；

所述转轴的上部和下部内部均有中空的腔体，所述晶振探头的电导线和信号线从所述转轴的上部的所述中空的腔体中密封穿出所述炉体，所述冷却水回路从所述转轴的下部的所述中空的腔体中密封穿出所述炉体，即实现水电的分开传送，有利于简化2014年7月之前技术中电路、水路同处进出混杂密集的结构，以便提高可靠性降低故障率。

所述转轴由从下向上依次相连的下传动轴、向上传动连接件、万向联轴器、上延伸转轴和上传动轴组成，所述中空的腔体位于所述下传动轴和上传动轴内部，所述工件转架安装在所述下传动轴上，所述转轴驱动机构与所述下传动轴穿出所述炉体底盘的下端相连，转轴驱动机构直接驱动下传动轴和工件转架转动，有利于提高工件转架的运动稳定性且振动小，同时利用万向联轴器向上传动，万向联轴器保证上、下传动轴同步转动的同时可自动适应上、下传动轴对中的偏差。

所述下传动轴内部的中空的腔体靠近其上端面的一段直径增大，为扩大腔，所述向上传动连接件的底面密封地固定在所述下传动轴的上端面上，所述向上传动连接件的底面具有伸入所述扩大腔的分隔环，所述下传动轴内部的中空的腔体中设置有一根进水管，所述进水管外壁与所述下传动轴内部的中空的腔体的内壁之间形成环形回水道，所述进水管的上端伸入所述分隔环内部，其外壁与所述分隔环的内壁之间通过动密封结构相连，使在所述分隔环内部形成进水腔，并在所述扩大腔与所述分隔环之间形成回水腔，所述向上传动连接件上还开有分别与所述进水腔和所述回水腔连通的两个通道，并通过这两个通道分别与所述晶振探头的进水管路和回水管路相连，所述进水管的下端及所述下传动轴内部的中空的腔体的下端口与所述旋转接头相连。

所述动密封结构由从上至下依次设置的压垫、动密封、传动隔圈、深沟球轴承、传动隔圈、动密封、压垫组成，该动密封结构上端由位于所述分隔环内壁上的环形凸缘、下端由安装在所述分隔环开口端内壁的压紧塞压紧在所述分隔环内部。

所述转轴驱动机构由电机和同步轮传动机构组成，该传动方式传动平稳防震，有利于提高监控的精确性和重复性。

所述膜厚控制仪主机的电源端通过铜环-碳刷机构与外电相连，所述铜环-碳刷机构具有三个铜环和三个碳刷，三个所述铜环围绕所述上传动轴同心设置，三个所述碳刷与三个所述铜环一一相对，碳刷在其后端弹簧的弹力作用下前端抵在所述铜环上；

所述铜环安装在所述上传动轴上随上传动轴同步转动，所述碳刷位置固定地安装在所述炉体顶板上方，所述膜厚控制仪主机的电源端与所述铜环相连，通过所述碳刷与外电相连；

或所述碳刷安装在所述上传动轴上随上传动轴同步转动，所述铜环位置固定地安装在所述炉体顶板上方且与之绝缘，所述膜厚控制仪主机的电源端与所述碳刷相连，通过所述铜环与外电相连。

膜厚控制仪主机通过铜环-碳刷机构供电，取代了电池供电的方式，无需定期更换电池，使膜厚控制仪主机可长时间连续工作。

所述铜环和碳刷由一安装在所述炉体顶板上的保护罩罩住。

所述膜厚控制仪主机通过WiFi无线传输模块与位于炉体附近的计算机通讯。

所述下传动轴通过下传动轴座安装在所述炉体底盘上，所述下传动轴座呈两端开口的筒状，套装在所述下传动轴上，外壁上具有径向向外延伸的环形凸缘，并通过该环形凸缘与所述炉体底盘中部开孔的边缘密封固定，所述下传动轴座内壁靠近其上端开口处具有一环形凸缘，该环形凸缘上具有一推力轴承，所述推力轴承由所述下传动轴外壁上的一凸出结构压装在其下方的所述环形凸缘上，所述下传动轴座内部环形凸缘的下方从上至下依次设置有垫圈、动密封、下传动隔圈、深沟球轴承、支承套筒、深沟球轴承、下传动隔圈、动密封，并在所述下传动轴座的下端开口处通过下传动轴座压盖将上述各部件压紧在所述下传动轴座的内腔中，保证下传动轴与所述下传动轴座之间实现真空密封的同时还能实现轻巧灵活地转动。

所述上传动轴通过上传动轴座安装在所述炉体顶板上，所述上传动轴座呈筒状，筒底中部具有开孔，上传动轴安装在上传动轴座内部，下端从所述上传动轴座筒底的开孔中穿出，上传动轴座上端开口处具有水平的外翻边，上传动轴座通过所述外翻边与所述炉体顶板中部开孔的边缘密封固定，上传动轴座的内壁与所述上传动轴的外壁之间从下至上依次设有深沟球轴承、传动隔圈、动密封、传动隔圈、深沟球轴承，这些部件下端支承在所述上传动轴座的筒底上，上端内、外两侧分别由位于所述上传动轴外壁上的环形外部结构和安装在所述上传动轴座上端开口处的轴承压圈压紧。

一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机改善效果

《一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机》具有如下有益效果：

1）《一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机》把晶振探头的冷却水回路及其电导线与信号线分开分别从炉体的下传动轴和上传动轴传送，改变了集中在上传动轴传送的方式，水电分离传送，简化了之前上传动轴庞杂的结构，有利于提高设备的可靠性，降低故障率；

2）上、下传动轴之间采用万向联轴器连接，万向联轴器可自动适应上、下传动轴对中的偏差，保证上、下传动轴同步转动；

3）转轴的驱动采用了电机和同步轮传动机构，通过同步轮和同步轮带之间齿牙和齿槽精密啮合的传动方式传动平稳防震的特点，提高监控的精确性和重复性；

4）《一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机》膜厚控制仪主机通过铜环-碳刷机构与外电相连，取代电池供电方式，使膜厚控制仪主机可长时间连续工作，不用定期停机更换电池。

《一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机》涉及一种在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机，特别涉及一种具有随工件运动的在位实时监控膜厚装置的全自动光学镀膜机。

图1为《一种随工件运动的在位动态监控膜厚的真空光学镀膜机》较佳实施例的真空光学镀膜机的主要结构示意图；

图2为图1中真空光学镀膜机A部分的放大图；

图3为图1中真空光学镀膜机C部分的放大图；

图4为图1中真空光学镀膜机B部分的放大图。