适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置

1.本发明涉及一种电子束蒸发镀膜的装置。


背景技术：

2.随着国防、民用安防及航空航天等领域光电探测器向着大角度、全方位及高灵敏度等方向发展，传统的平面光学窗口越来越难以满足相关领域的需求，光学窗口逐步向双曲面过渡，尤其是半球形光学窗口。然而，半球形光学窗口虽然具有平面光学窗口无法比拟的优势，但其特殊的形状，给光学加工带来了挑战，尤其是表面功能膜层的制备方面。因此开发一种双曲面光学窗口镀膜技术是光电探测系统发展地迫切需要。
3.电子束蒸发镀膜技术是在真空室内，利用电子枪直接照射放在坩埚里的材料，使膜料物质从固态变气态，然后在基片表面凝结成膜，电子束的能量要远高于电阻加热产生的能量，从而促使膜料预熔的更彻底。此外，电子束加热可以避免薄膜受到污染，制备薄膜纯度高且传导热量过程中膜料能充分吸收，热损失小，因此热效率高。采用电子束蒸发镀膜，能保证高效率生产及膜层优异的功能特性。将电子束蒸发镀膜技术应用于半球形等双曲面光学窗口的膜层制备，可极大程度地促进航空航天、国防等领域光电技术地发展，是双曲面光学窗口镀膜技术发展的一大重要趋势。但是传统的电子束蒸发技术在双曲面表面薄膜沉积均匀性差，获得的光学窗口性能不佳。因此，开发一种适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜装备具有迫切的需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决传统的电子束蒸发在双曲面样件表面沉积均匀性差，获得的光学窗口性能不佳的问题，而提供一种适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置。
5.本发明适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置包括真空腔、台架和多自由度样品台，真空腔固定安装在台架的台面上，其中所述的多自由度样品台包括升降装置、旋转装置、主轴、升降波纹管和旋转轴，第一法兰和第二法兰设置在真空腔的顶部，第一法兰和第二法兰相平行且第一法兰位于第二法兰的上部；
6.所述的升降装置包括第一连接台、升降手摇轮、第一传动带轮、第二传动带轮、第一连接块、第一挡块、两根光轴、导向丝杆和升降滑块，第一连接块固定在第一连接台的上表面，在第一连接块上竖立有导向丝杆和两根光轴，导向丝杆和两根光轴的顶部设置有第一挡块，升降滑块套设在导向丝杆和两根光轴上，导向丝杆与第一连接块之间设置有轴承，导向丝杆的下端穿过第一连接台并设置有第二传动带轮，轴承座固定在第一连接台的上表面，手摇轮转轴设置在轴承座内，手摇轮转轴的上端与升降手摇轮相连，手摇轮转轴的下端设置有第一传动带轮，第一传动带轮和第二传动带轮之间通过皮带传动；
7.升降波纹管竖直安装在第一法兰的上表面，第一法兰的下表面设置有外管，外管的下端与旋转轴转动连接，自转从动齿轮套设在旋转轴的外表面，升降波纹管的顶部设置
有连接块，升降滑块与连接块相连，连接块的下表面通过内置轴承与主轴转动连接，主轴延伸至旋转轴的轴筒内，主轴与旋转轴通过键相连；
8.旋转装置包括电机、传动轮、自转磁力耦合器、第一连杆和自转主齿轮，电机和自转磁力耦合器设置在第一法兰的上方，传动轮设置在电机的动力输出轴上，传动轮与自转磁力耦合器的外壳通过皮带传动，第一连杆竖直设置，第一连杆的一端与自转磁力耦合器磁力耦合，第一连杆的另一端设置有自转主齿轮，自转主齿轮与旋转轴上的自转从动齿轮相啮合；
9.主轴的底部设置有旋转架，旋转架的底部设置有电机盒和第二轴承座，电机盒上设置有驱动齿轮，球齿轮内置在第二轴承座内，驱动齿轮与球齿轮相啮合，在球齿轮上设置样品夹。
10.本发明适用于双曲面样件表面镀膜的电子束蒸发装备，适用于双曲面样件的表面镀膜，在电子束沉积镀膜时，样品升降由升降手摇轮通过传动同步带轮带动导向杆丝杆转动，升降丝杆上的螺纹带动样品升降滑块上下运动，自转磁力耦合器转动自转主齿轮带动自转从动齿轮则能实现样品自转。电机盒中的电机带动驱动齿轮转动，驱动齿轮咬合球面齿轮实现球形齿轮沿着球面运动。从而实现样品的360
°
转动，从而使双曲面样件表面实现均匀沉积。
11.本发明适用于双曲面样件表面镀膜的电子束蒸发装备能够实现双曲面样件表面的均匀沉积镀膜，镀膜过程中仅调整活动样品台的运动参数，利用样品台齿轮运动实现样品的左右和上下转动，进而实现样品的朝向的调整，在活动样品台转动和升降配合下，实现控制蒸发源到样品表面的距离和蒸发源依次对准全部的双曲面基底表面的功能，实现双曲面基底表面镀膜。镀膜过程将掩模版与多自由度样品台运动方式相耦合，实现双曲面样件表面的均匀可控制备。制备的膜非均匀性5％以内，解决了现有的电子束蒸发镀膜装置在双曲面结构表面均匀沉积镀膜的难度大的问题。
附图说明
12.图1为本发明适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置的整体结构示意图；
13.图2为多自由度样品台的结构示意图；
14.图3为升降波纹管内部主轴的结构示意图；
15.图4为升降装置的结构示意图。
具体实施方式
16.具体实施方式一：本实施方式适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置包括真空腔1、台架2和多自由度样品台，真空腔1固定安装在台架2的台面上，其中所述的多自由度样品台a包括升降装置、旋转装置、主轴14、升降波纹管15和旋转轴17，第一法兰3-1和第二法兰3-2设置在真空腔1的顶部，第一法兰3-1和第二法兰3-2相平行且第一法兰3-1位于第二法兰3-2的上部；
17.所述的升降装置包括第一连接台4、升降手摇轮5、第一传动带轮6、第二传动带轮7、第一连接块8、第一挡块9、两根光轴10、导向丝杆11和升降滑块12，第一连接块8固定在第
一连接台4的上表面，在第一连接块8上竖立有导向丝杆11和两根光轴10，导向丝杆11和两根光轴10的顶部设置有第一挡块9，升降滑块12套设在导向丝杆11和两根光轴10上，导向丝杆11与第一连接块8之间设置有轴承，导向丝杆11的下端穿过第一连接台4并设置有第二传动带轮7，轴承座13固定在第一连接台4的上表面，手摇轮转轴设置在轴承座13内，手摇轮转轴的上端与升降手摇轮5相连，手摇轮转轴的下端设置有第一传动带轮6，第一传动带轮6和第二传动带轮7之间通过皮带传动；
18.升降波纹管15竖直安装在第一法兰3-1的上表面，第一法兰3-1的下表面设置有外管31，外管31的下端与旋转轴17转动连接，自转从动齿轮17-1套设在旋转轴17的外表面，升降波纹管15的顶部设置有连接块32，升降滑块12与连接块32相连，连接块32的下表面通过内置轴承30与主轴14转动连接，主轴14延伸至旋转轴17的轴筒内，主轴14与旋转轴17通过键14-1相连；
19.旋转装置包括电机20、传动轮21、自转磁力耦合器22、第一连杆23和自转主齿轮24，电机20和自转磁力耦合器22设置在第一法兰3-1的上方，传动轮21设置在电机20的动力输出轴上，传动轮21与自转磁力耦合器22的外壳通过皮带传动，第一连杆23竖直设置，第一连杆23的一端与自转磁力耦合器22磁力耦合，第一连杆23的另一端设置有自转主齿轮24，自转主齿轮24与旋转轴17上的自转从动齿轮17-1相啮合；
20.主轴14的底部设置有旋转架19，旋转架19的底部设置有电机盒25和第二轴承座，电机盒25上设置有驱动齿轮，球齿轮26内置在第二轴承座内，驱动齿轮与球齿轮26相啮合，在球齿轮26上设置样品夹。
21.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是该适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置包括真空系统b，真空系统b位于台架2的台面下部，真空系统b通过抽气管路与真空腔1相连通。
22.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是真空系统b由分子泵和机械泵组成。
23.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是在抽气管路上设置有旁抽阀和主抽阀。
24.本实施方式旁抽阀和主抽阀主要起起隔绝/接通作用，连接真空泵，在其运作与否时起到禁止/允许气体进入真空泵系统。
25.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是在真空腔1的腔室底部设置有坩埚40和蒸发源。
26.本实施方式镀膜材料放置在坩埚中。
27.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是所述的蒸发源为电子枪。
28.本实施方式电子枪灯丝加热后发射出具有初始动能的热电子，热电子在电场作用下汇聚成束，形成电子束，电子束入射到坩埚内的膜材上，实现电－热能转换。在电子束轰击区域内，膜材的表面温度高达3300～6000℃，从而使膜材熔化蒸发。还设置有高压电极，从电子枪发射的热电子经阴极与阳极间的高压电场加速并聚焦成束。
29.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是所述的蒸发源还包括电阻蒸发电极41。
30.本实施方式电阻蒸发电极用于热蒸发镀膜，电阻蒸发电极通电后产生热量，产生热量使蒸发材料的分子或原子获得足够大的动能而蒸发。
31.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是旋转架19由上连接板19-1、立杆19-2和下连接板19-3组成，上连接板19-1和下连接板19-3平行设置，在上连接板19-1和下连接板19-3之间竖直设置有多根立杆19-2。
32.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是立杆19-2的数量为三根。
33.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是样品夹上夹持的双曲面样件为半圆形或者半椭圆形。
34.实施例：本实施例适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置包括真空腔1、台架2和多自由度样品台，真空腔1固定安装在台架2的台面上，其中所述的多自由度样品台a包括升降装置、旋转装置、主轴14、升降波纹管15和旋转轴17，第一法兰3-1和第二法兰3-2设置在真空腔1的顶部，第一法兰3-1和第二法兰3-2相平行且第一法兰3-1位于第二法兰3-2的上部，真空系统b位于台架2的台面下部，真空系统b通过抽气管路与真空腔1相连通，在真空腔1的腔室底部分别设置有电子枪40、高压电极41和电阻蒸发电极42；
35.所述的升降装置包括第一连接台4、升降手摇轮5、第一传动带轮6、第二传动带轮7、第一连接块8、第一挡块9、两根光轴10、导向丝杆11和升降滑块12，第一连接块8固定在第一连接台4的上表面，在第一连接块8上竖立有导向丝杆11和两根光轴10，在俯视方向上导向丝杆11和两根光轴10呈三角形排布，导向丝杆11和两根光轴10的顶部设置有第一挡块9，升降滑块12套设在导向丝杆11和两根光轴10上，导向丝杆11与第一连接块8之间设置有轴承，导向丝杆11的下端穿过第一连接台4并设置有第二传动带轮7，轴承座13固定在第一连接台4的上表面，手摇轮转轴设置在轴承座13内，手摇轮转轴的上端与升降手摇轮5相连，手摇轮转轴的下端设置有第一传动带轮6，第一传动带轮6和第二传动带轮7之间通过皮带传动；
36.升降波纹管15竖直安装在第一法兰3-1的上表面，第一法兰3-1的下表面设置有外管31，外管31的下端与旋转轴17转动连接，自转从动齿轮17-1套设在旋转轴17的外表面，升降波纹管15的顶部设置有连接块32，升降滑块12与连接块32相连，连接块32的下表面通过内置轴承30与主轴14转动连接，主轴14延伸至旋转轴17的轴筒内，主轴14与旋转轴17通过键14-1相连，外管31的下部设置有连接架18，该连接架18由第一连接片18-1、第二连接片18-2和第三连接片18-3组成，第一连接片18-1水平固定在外管31上，第一连接片18-1和第二法兰3-2之间左右对称设置有第二连接片18-2和第三连接片18-3，第二法兰3-2与旋转轴通过可设置轴承转动连接；
37.旋转装置包括电机20、传动轮21、自转磁力耦合器22、第一连杆23和自转主齿轮24，电机20和自转磁力耦合器22固定在第二连接台上，第二连接台位于第一法兰3-1的上方，传动轮21设置在电机20的动力输出轴上，传动轮21与自转磁力耦合器22的外壳通过皮带传动，第一连杆23竖直设置并穿过第一连接片18-1，第一连杆23的一端与自转磁力耦合器22磁力耦合，第一连杆23的另一端设置有自转主齿轮24，自转主齿轮24与旋转轴17上的自转从动齿轮17-1相啮合；
38.主轴14的底部设置有旋转架19，旋转架19的底部设置有电机盒25和第二轴承座，
电机盒25上设置有驱动齿轮，球齿轮26内置在第二轴承座内，驱动齿轮与球齿轮26相啮合，在球齿轮26上设置样品夹。
39.升降运动：导向丝杆11和两根光轴10的下端设置在第一连接台4的相应位置，导向丝杆11和两根光轴10的上端设置有第一挡块9。第一连接台4将升降手摇轮5安装于导向杆丝杆和光轴的侧方。传动同步带轮在第一连接台4下方，主动轮6与升降手摇轮5连接，从动轮与导向杆丝杆11连接，实现将升降手摇轮的转动传动至导向杆丝杆。导向杆丝杆和光轴穿过升降滑块内的通孔与其连接，导向杆丝杆外有螺纹，三者以该形式组合从而实现将导向杆丝杆的转动传动至样品升降滑块，实现样品升降滑块的升降。样品升降滑块另一侧与连接块32相连，样品升降滑块运动时带动主轴14实现升降运动。主轴14通过内置轴承30与连接块32转动连接。连接片8在导向杆丝杆和光轴的下端以螺钉形式将二者固定在主轴样品升降波纹管下方，将导向杆丝杆和光轴固定于主轴的侧方。主轴14穿过第一法兰3-1，主轴14下端连接旋转架19，主轴14升降过程中带动样品夹上的双曲面样件上下升降运动。
40.自转运动：电机20和自转磁力耦合器22固接于第二连接台上，传动带连接电机上的传动轮21和自转磁力耦合器22，将电机20的转动传动至自转磁力耦合器22。自转磁力耦合器22的转动，通过磁力带动第一连杆23上的自转主齿轮24转动，自转主齿轮24与旋转轴17上的自转从动齿轮17-1相啮合，由于主轴14与旋转轴17键连，旋转轴17的转动带动主轴14转动，电机盒25上的驱动齿轮转动带动球齿轮26在水平面上转动。
41.球面转动：在旋转架19的底面设置有电机盒25，电机盒25中的电机带动驱动齿轮旋转，驱动齿轮与球齿轮26相啮合，驱动齿轮转动带动球齿轮26球面转动，从而带动双曲面样件沿球面的转动。

技术特征：
1.适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于该电子束蒸发镀膜的装置包括真空腔(1)、台架(2)和多自由度样品台，真空腔(1)固定安装在台架(2)的台面上，其中所述的多自由度样品台(a)包括升降装置、旋转装置、主轴(14)、升降波纹管(15)和旋转轴(17)，第一法兰(3-1)和第二法兰(3-2)设置在真空腔(1)的顶部，第一法兰(3-1)和第二法兰(3-2)相平行且第一法兰(3-1)位于第二法兰(3-2)的上部；所述的升降装置包括第一连接台(4)、升降手摇轮(5)、第一传动带轮(6)、第二传动带轮(7)、第一连接块(8)、第一挡块(9)、两根光轴(10)、导向丝杆(11)和升降滑块(12)，第一连接块(8)固定在第一连接台(4)的上表面，在第一连接块(8)上竖立有导向丝杆(11)和两根光轴(10)，导向丝杆(11)和两根光轴(10)的顶部设置有第一挡块(9)，升降滑块(12)套设在导向丝杆(11)和两根光轴(10)上，导向丝杆(11)与第一连接块(8)之间设置有轴承，导向丝杆(11)的下端穿过第一连接台(4)并设置有第二传动带轮(7)，轴承座(13)固定在第一连接台(4)的上表面，手摇轮转轴设置在轴承座(13)内，手摇轮转轴的上端与升降手摇轮(5)相连，手摇轮转轴的下端设置有第一传动带轮(6)，第一传动带轮(6)和第二传动带轮(7)之间通过皮带传动；升降波纹管(15)竖直安装在第一法兰(3-1)的上表面，第一法兰(3-1)的下表面设置有外管(31)，外管(31)的下端与旋转轴(17)转动连接，自转从动齿轮(17-1)套设在旋转轴(17)的外表面，升降波纹管(15)的顶部设置有连接块(32)，升降滑块(12)与连接块(32)相连，连接块(32)的下表面通过内置轴承(30)与主轴(14)转动连接，主轴(14)延伸至旋转轴(17)的轴筒内，主轴(14)与旋转轴(17)通过键(14-1)相连；旋转装置包括电机(20)、传动轮(21)、自转磁力耦合器(22)、第一连杆(23)和自转主齿轮(24)，电机(20)和自转磁力耦合器(22)设置在第一法兰(3-1)的上方，传动轮(21)设置在电机(20)的动力输出轴上，传动轮(21)与自转磁力耦合器(22)的外壳通过皮带传动，第一连杆(23)竖直设置，第一连杆(23)的一端与自转磁力耦合器(22)磁力耦合，第一连杆(23)的另一端设置有自转主齿轮(24)，自转主齿轮(24)与旋转轴(17)上的自转从动齿轮(17-1)相啮合；主轴(14)的底部设置有旋转架(19)，旋转架(19)的底部设置有电机盒(25)和第二轴承座，电机盒(25)上设置有驱动齿轮，球齿轮(26)内置在第二轴承座内，驱动齿轮与球齿轮(26)相啮合，在球齿轮(26)上设置样品夹。2.根据权利要求1所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于该适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置包括真空系统(b)，真空系统(b)位于台架(2)的台面下部，真空系统(b)通过抽气管路与真空腔(1)相连通。3.根据权利要求2所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于真空系统(b)由分子泵和机械泵组成。4.根据权利要求2所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于在抽气管路上设置有旁抽阀和主抽阀。5.根据权利要求1所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于在真空腔(1)的腔室底部设置有坩埚(40)和蒸发源。6.根据权利要求5所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，
其特征在于所述的蒸发源为电子枪。7.根据权利要求5所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于所述的蒸发源还包括电阻蒸发电极(41)。8.根据权利要求1所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于旋转架(19)由上连接板(19-1)、立杆(19-2)和下连接板(19-3)组成，上连接板(19-1)和下连接板(19-3)平行设置，在上连接板(19-1)和下连接板(19-3)之间竖直设置有多根立杆(19-2)。9.根据权利要求8所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于立杆(19-2)的数量为三根。10.根据权利要求1所述的适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，其特征在于样品夹上夹持的双曲面样件为半圆形或者半椭圆形。

技术总结
适用于双曲面光学窗口表面镀膜的电子束蒸发镀膜的装置，本发明为了解决传统电子束蒸发在双曲面样件表面沉积均匀性差的问题。本发明电子束蒸发镀膜的装置包括真空腔、台架和多自由度样品台，所述的多自由度样品台包括升降装置、旋转装置、主轴、升降波纹管和旋转轴，旋转装置中的传动轮与自转磁力耦合器的外壳通过皮带传动，第一连杆上的自转主齿轮与旋转轴上的自转从动齿轮相啮合，主轴的底部设置有旋转架，旋转架上设置有电机盒和第二轴承座。在电子束沉积镀膜时，升降丝杆上的螺纹带动样品升降滑块上下运动，磁力耦合自转主齿轮带动从动齿轮实现样品自转。驱动齿轮咬合球面齿轮实现球形齿轮沿着球面运动，从而使双曲面样件表面实现均匀沉积。面实现均匀沉积。面实现均匀沉积。


技术研发人员：高岗 秦宇婕 朱嘉琦 李坤 段超
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/5