阅读说明：本技术 一种适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置 (Device suitable for exploring film preparation process parameters on reflector ) 是由 闫永达 毛立阳 曹永智 耿延泉 于 2020-06-12 设计创作，主要内容包括：一种适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置,属于金属薄膜制备与检测技术领域。本发明包括外部框架、多个支撑柱和多个平面基底,所述外部框架上的四个竖直设置的支撑板上分别设有多个定位孔,所述多个定位孔、多个支撑柱以及多个平面基底数量均相同；每个所述支撑柱一端可拆卸固定插入定位孔内,每个支撑柱另一端设置在外部框架内并与平面基底一端可拆卸固定连接,所述平面基底另一端的端面与自由曲面相切。本发明具有与多面共体反射镜相同的表面粗糙度与相近的空间结构,而且便于检测,可以较为简单、准确、经济地获得沉积的工艺参数和靶基运动。(A device suitable for exploring film preparation process parameters on a reflector belongs to the technical field of metal film preparation and detection. The invention comprises an external frame, a plurality of supporting columns and a plurality of plane substrates, wherein a plurality of positioning holes are respectively arranged on four vertically arranged supporting plates on the external frame, and the number of the positioning holes, the number of the supporting columns and the number of the plane substrates are the same; one end of each supporting column is detachably and fixedly inserted into the positioning hole, the other end of each supporting column is arranged in the external frame and is detachably and fixedly connected with one end of the plane substrate, and the end face of the other end of the plane substrate is tangent to the free-form surface. The invention has the same surface roughness and similar space structure as the polyhedral reflector, is convenient to detect, and can obtain the deposited technological parameters and target base movement more simply, accurately and economically.)

一种适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置

技术领域

本发明属于金属薄膜制备与检测技术领域，具体涉及一种适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置。

背景技术

离轴多反成像系统是高性能全方位光电探测系统的关键器件，在国防安全、航空航天、新一代信息技术等对光电系统大视场、高分辨率有着迫切需求的领域具有广泛的应用前景。如图1所示，离轴多反成像系统由多个光学自由曲面反射镜组成。制造时，先单独加工出多个反射镜，为了增加反射率，分别在各个反射镜表面沉积增反膜，再安装、调整各反射镜的位姿从而获得符合要求的光学系统。

为了省去装调步骤，减轻重量，学者提出了多反射面一体加工的方法。如图1所示，多面共体反射镜就是依照离轴多反成像系统各反射面的位姿和形貌数据，直接将多个反射面加工在一个工件上，实现多面共体，这样省去了装调的步骤减轻了重量。但多面共体反射镜形状复杂，如何为多面共体反射镜制备高反射宽波段、均匀性好的高反射膜是一个亟需解决的问题。

高反射膜是光学薄膜的重要部分，主要运用于反射系统。高反射膜分为金属膜、介质膜系以及金属与介质共同组成的膜系，有着减少反射系统散射、提高整体反射率、保护反射镜面等诸多作用。反射镜表面高反膜的制备是反射镜制造的最终步骤，如果不能解决在多面共体反射镜表面镀制薄膜中存在的技术问题，如宽波段，均匀性，高反射等，那么将会影响整体的光学器件的工作性能。

在制备高反射膜的方法中，改进圆柱靶磁控溅射可镀制多面共体反射镜，为了满足反射率和均匀性需要探究新的工艺参数和靶基运动。但是一方面多面共体反射镜结构复杂，导致难以通过常规薄膜特性表征手段表征其表面薄膜，从而无法探究工艺参数和靶基运动对反射率和均匀性的影响；另一方面多面共体反射镜加工困难，耗时长，花销大，而参数实验中多面共体反射镜元件仅能使用一次，如果直接使用多面共体反射镜元件进行参数实验，那么会导致巨额的实验花销。

发明内容

本发明的目的是提供一种代替多面共体反射镜的适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置，下文称其为试镀件。该试镀件具有与多面共体反射镜相同的表面粗糙度与相近的空间结构，而且便于检测。将试镀件放入镀膜装置中进行工艺探索试验，可以较为简单、准确、经济地获得沉积的工艺参数和靶基运动。

实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置，包括外部框架、多个支撑柱和多个平面基底，所述外部框架上的四个竖直设置的支撑板上分别设有多个定位孔，所述多个定位孔、多个支撑柱以及多个平面基底数量均相同；每个所述支撑柱一端可拆卸固定***定位孔内，每个支撑柱另一端设置在外部框架内并与平面基底一端可拆卸固定连接，所述平面基底另一端的端面与自由曲面相切。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、通过检测平面基底另一端表面的薄膜来探究工艺参数与靶基运动。平面基底可拆卸，便于检测，而且参数探索花销小。

2、平面基底另一端的端面与多面共体反射镜的粗糙度相同，可以准确反映工艺参数对多面共体高反膜反射镜反射率的影响。

3、外部框架与支撑柱使得平面基底另一端与多面共体反射镜相切(如图5所示)，平面基底的切点具备与多面共体反射镜相同的空间位置，可以准确反映靶基运动对多面共体反射镜高反膜均匀性的影响。

4、在确定支撑柱占位大小的情况下，通过优化支撑柱的位置可以使得支撑板上容纳最多的支撑柱。将问题转化为：在目标区域内，排布半径为10mm的圆，使得该区域内的圆最多，且圆与区域边界、圆与圆之间互不相交。其数学描述为：将目标区域的左下角定为坐标系原点(0,0)，圆半径为R，第i个圆心坐标为(x_i，y_i)，矩形区域的长和宽为L、W。放入矩形区域的k个圆满足式(一)，并从k＝1开始进行枚举，直至无法满足式(一)，最终得到矩形区域内最多放置的k个圆的位置。

上述式中，x_j表示第j个圆的圆心横坐标，y_j表示第j个圆的圆心纵坐标；

使用拟人拟物算法：

基于拟物方法，将圆与矩形区域视为物体，其相交时具有势能使其互相排斥，向势能减小的方向运动，最终有可能达到不相交的状态。定义整个系统的势能为：

式中：

表示总体具有的弹性势能；

d_i，j表示第i个圆和第j个圆之间的弹性势能；

d_i，k+1，d_i，k+2，d_i，k+3，d_i，k+4分别表示第i个圆与下边界、左边界、上边界和右边界的弹性势能；

显然(1)在定义域(-∞，∞)^2k内

值为非负，其中表示总体具有的弹性势能。

(2)若则不是所需位置；若则为不相交状态的位置点。至此矩形等圆Packing问题转化为求解势能函数(式二)最小值的问题，可以采用成熟的最速下降法解决。

但是纯粹的拟物方法有可能掉入局部最小值的陷阱，这时就需要引入拟人方法，将小球赋予人的特性，最受挤压即具有最大势能的小球会跳出原有环境重新定位。定义第i个圆具有的弹性势能为：

当并迭代变化很小时，我们就将其视为落入了局部最小值的陷阱，此时选择具有最大势能的圆，重新随机分配其位置，再进行拟物迭代。若成功，则继续尝试将k+1个小圆放入其中；否则，算法结束，k就是最优解。

算法描述：

步骤(1)；步长系数ξ＝0.5，迭代次数n＝0，圆个数k＝1；

步骤(2)；在长为L，宽为W的矩形区域左下角设置原点，在矩形区域内随机生成k个点，确定初始位置

步骤(3)；计算当前的整体势能

若

则

且k＝k+1，其中，表示k个圆在区域内的坐标，

表示圆的坐标；

转至步骤(2)。若计算时间超过10800秒，则停止，该矩形区域内最多可放置k-1个圆，为问题的解，其中，

表示k-1个圆在区域内的坐标，若n＞10⁶，则转至步骤(5)；反之，执行步骤(4)；

步骤(4)；最速下降法，调整位置n＝n+1，转至步骤(3)；

步骤(5)；选取具有最大势能的第m个圆，其坐标为(x_m，y_m)，设定位置

转至步骤(3)。

通过上述步骤求出支撑板上定位孔的分布如图6-图9所示；

5、使用专用的镀膜设备，镀制试镀件，检测平面基底的反射率与均匀性，再修改参数和靶基运动，最终获得合适的工艺参数和靶基运动，最终用在实际多面共体反射镜镀制中。

附图说明

图1是背景技术中提及的多面共体反射镜的俯视图，多面共体反射镜包括入瞳E，出瞳F及四个反射镜，四个反射镜分别是反射镜一A、反射镜二B、反射镜三C及反射镜四D；

图2是本发明的一种适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置的轴测图；

图3是本发明的外部框架的轴测图；

图4是本发明的支撑板、支撑柱与平面基底连接的轴测图；

图5是试镀件逼近多面共体反射镜一个自由曲面的示意图；

图6是支撑板上定位孔的分布图一；

图7是支撑板上定位孔的分布图二；

图8是支撑板上定位孔的分布图三；

图9是支撑板上定位孔的分布图四；

图10是图2的M处局部放大图。

上述附图中涉及到的部件名称及标号如下：

外部框架1、支撑柱2、平面基底3、顶盖4、支撑板5、底座6、自由曲面7。

具体实施方式

具体实施方式一：如图2-图10所示，本实施方式记载了一种适用于探索共体反射镜上薄膜制备工艺参数的装置，包括外部框架1、多个支撑柱2和多个平面基底3，所述外部框架1上的四个竖直设置的支撑板5上分别设有多个定位孔，所述多个定位孔、多个支撑柱2以及多个平面基底3数量均相同；每个所述支撑柱2一端固定***定位孔内(支撑柱2***定位孔内并由紧定螺钉固定)，每个支撑柱2另一端设置在外部框架1内并与平面基底3一端(通过机米螺钉)固定连接，所述平面基底3另一端的端面与自由曲面7相切(外部框架1和支撑柱2使得平面基底3另一端的端面与自由曲面7相切。自由曲面7为试镀件所逼近的反射镜形貌，具有相同的空间特性。即空间坐标及法向量)。

进一步的是，如图3所示，所述外部框架1包括顶盖4、底座6及四个支撑板5；所述顶盖4及底座6上下对应设置，且均为圆环形，所述顶盖4和底座6上分别设有四个插口，顶盖4上的四个插口与底座6上的四个插口一一对应设置，每两个上下对应的插口内紧密插装有一个支撑板5。

进一步的是，如图2、图4、图5及图10所示，所述平面基底3另一端的端面与多面共体反射镜的粗糙度相同。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。