专利名称：一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法
技术领域：
本发明涉及薄膜制备技术领域，尤其ー种用于真空镀膜机行星转动夹具中控制球面光学元件薄膜厚度均匀性的修正挡板设计方法。
背景技术：
光学薄膜是现代光学系统的重要组成部分，在几乎所有的光学元件表面，通过物理或者化学方法制备具有特殊性能的薄膜，已经成为改善光学元件光学性能的必须手段。随着高精度光学测量仪器、高分辨光学成像技术以及光刻技术的发展，光学元件口径以及球面光学元件口径/曲率半径比越来越大，为了保证使用了大口径、大口径/曲率半径比球面光学元件的光学系统性能，需要精确控制光学元件薄膜厚度均匀性，进而控制透射或反 射率均匀性及波前误差。利用物理气相沉积薄膜吋，薄膜沉积速率和分子沉积到光学元件表面时的入射角度有很大关系。在行星转动夹具中球面光学元件的口径比行星转动夹具ロ径小，并放置在行星转动夹具的中心位置，由于分子沉积到球面上不同位置的入射角度差别很大，导致高曲率度球面光学元件表面薄膜厚度不均匀性相对平面光学元件更加明显。控制薄膜厚度均匀性技术成为球面光学元件镀膜技术中最重要的研究内容之一。现有提高光学元件表面薄膜厚度均匀性的方法主要有(I)通过优化简单或行星转动夹具的运动方式来提高光学元件薄膜厚度均匀性。例如在离子束溅射方法镀膜时，利用双轴驱动行星转动夹具系统(M. Gross, S. Dligatch, and A. Chtanov, “Optimization ofcoating uniformity in an ion beam sputtering system using a modified planetaryrotation method, ” Appl. Opt. 50，C316-C320 (2011))可以实现大尺寸平面光学兀件薄膜厚度均匀性。由于夹具的运行方式在设计定型后难以改变，这些方法通常只能用于平面光学元件，或者特定形状的曲面光学元件薄膜厚度均匀性的控制；(2)通过安装位置固定或者运动的修正挡板来提高薄膜厚度均匀性。修正挡板通过有选择地遮挡沉积在光学元件上沉积速率较快的位置，达到修正薄膜厚度均匀性的目的。利用修正挡板提高薄膜厚度均匀性已经有广泛的应用，如P. Kelkar等人在行星转动夹具上利用修正挡板在深紫外波段实现了一系列不同口径、不同口径/曲率半径比的球面光学元件薄膜厚度均匀性的控制(P. Kelkar, B. Tirri, R. Wilklow, D. Peterson, “Deposition and characterization ofchallenging DUV coatings, ’Troc. SPIE7606, 706708, 706708-8(2008))。利用修正挡板提高薄膜厚度均匀性的优势在于夹具的运行方式固定，仅需要改变修正挡板的形状，因此有更好的适用性和扩展性。目前薄膜厚度分布理论以及以此为基础的修正挡板理论设计方法，主要基于如下假设蒸发膜料在真空中以直线方式传播，直到沉积在光学元件表面或真空室其他位置；膜料沉积速率函数表达式和蒸发方式有关，对于小面积加热蒸发源，膜料的蒸汽分布函数可用 cosn￥ 表不(F.Villa and 0. Pompa, “Emission pattern of real vaporsources in high vacuum: an overview,，，Appl. Opt. 38，695 - 703 (1999))。修正挡板理论设计方法在简单转动夹具上已经被成功使用，如B. Sassolas等人设计的修正挡板实现了大口径曲面光学元件薄膜厚度均勻性的控制(B. Sassolas, R. Flaminio, J. Franc, C.Michel,J. -L Montorio, N. Morgado, and L. Pinard, “Masking technique for coatingtnickness control on large and strongly curved aspherical optics,，’Appl.Opt. 48，3760-3765(2009))。行星转动夹具上镀膜均匀性修正挡板的设计，目前主要是依靠镀膜经验设计初始修正挡板，然后通过大量实验反复修改挡板形状，最終达到预期的薄膜厚度均匀性分布。这种修正挡板设计过程耗时长，通常需要数次甚至十多次的实验过程才能获得满意結果，并且要求设计者经验丰富。利用理论辅助设计修正挡板的方法在行星转动夹具上一直没有得到应用，主要是因为行星转动夹具中，光学元件始終高速自转，镜面上点的位置相对于修正挡板的位置没有固定的关系，因此不能直接得出修正挡板形状的数学表达式。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有真空镀膜机行星转动夹具上光学元件薄膜厚度均匀性修正挡板设计方法的不足，提供ー种基于计算机模拟，快速、准确设计球面光学元件镀膜厚度均匀性修正挡板的设计方法。本发明的技术解决方案的原理物理气相沉积过程中，蒸汽分子在高真空环境中直线传播，并以一定的角度沉积到光学元件表面，沉积速率与膜料的蒸汽分布特征、分子入射到光学元件表面的角度以及蒸发源到沉积位置的距离有关。在球面光学元件表面不同位置，分子入射角度差别很大，导致镀膜后薄膜厚度分布不均匀。放置在行星转动夹具中心位置的球面光学元件镀膜后，薄膜厚度呈中心对称分布。修正挡板通过遮挡作用控制光学元件表面不同位置的镀膜时间，实现整个光学元件的薄膜厚度均匀性。本发明的技术解决方案中，通过对镀膜过程建立数学模型，获得球面光学元件薄膜厚度分布计算方法，其中膜料的蒸汽分布函数通过定量比较理论计算的薄膜厚度分布与实验结果确定。由于行星转动夹具上球面光学元件在镀膜过程中，薄膜厚度分布始終近似中心对称，从公转中心来看，光学元件可以近似为仅围绕着公转中心简单转动，因此按照简单转动夹具上挡板设计方法设计初始修正挡板。实际上由于行星夹具的自转，修正挡板不仅对光学元件上薄膜厚度较大位置有遮蔽作用，对厚度最小的位置也有遮蔽作用，初始设计的修正挡板不能在行星转动的光学元件表面获得理想的薄膜厚度均匀性，但是该修正挡板对光学元件薄膜厚度越大的地方，遮挡时间越长，因此可以有效提高薄膜厚度均匀性。通过对修正挡板弧长同时扩大适当倍数，利用计算机模拟获得理想薄膜厚度分布时对应的挡板形状即为实际镀膜时需要的修正挡板形状。 本发明具体实现步骤如下(I)通过对真空镀膜机中使用行星转动夹具镀膜的过程建立数学模型，获得球面光学元件薄膜厚度分布；在物理气相沉积真空镀膜过程中，膜料通过热蒸发或者溅射形成蒸汽，蒸汽分子以直线方式传播，并沉积在光学元件表面，分子沉积速率为ゴ= /(cos(0)，cos”v/，| |)，
其中矢量.;:表示膜料分子从蒸发源到沉积位置(ds面元)的矢量，卩|为矢量P的长度，Θ为P与光学元件表面法线之间的夹角，Ψ为^与源平面法线之间的夹角，η表征膜料蒸汽分布參数；沉积速率表达式和蒸发方式相关，P、Θ、Ψ随着行星转动夹具的运动变化。行星转动夹具平行于蒸发源平面转动时，对口径CA，曲率半径RoC的凸球面，
权利要求
1.一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法，其特征在于实现步骤如下 (I)通过对真空镀膜机中使用行星转动夹具镀膜的过程建立数学模型，获得球面光学元件薄膜厚度分布 在物理气相沉积真空镀膜过程中，膜料通过热蒸发或者溅射形成蒸汽，蒸汽分子以直线方式传播，并沉积在光学元件表面，分子沉积速率为d =/(C0S(6 )，cos" ￠// \r\) a中矢量;表示膜料分子从蒸发源到沉积位置(ds面元)的矢量，卩|为矢量f的长度，0为P与光学元件表面法线之间的夹角，V为^与源平面法线之间的夹角，n表征膜料蒸汽分布参数；沉积速率表达式和蒸发方式相关，；、0、￥随着行星转动夹具的运动变化；行星转动夹具平行于蒸发源平面转动时，对口径CA，曲率半径RoC的凸球面，
2.根据权利要求I所述的一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法，其特征在于所述设计方法适用于中心对称非球面光学元件薄膜厚度均匀性修正挡板设计。
3.根据权利要求I或2所述的一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法，其特征在于所述步骤(2)中获得膜料蒸汽分布参数n的具体过程如下计算不同膜料蒸汽分布参数n时大口径平面或者球面光学元件上薄膜厚度分布，并和实验测量获得的薄膜厚度分布比较，利用最小二乘法确定实验与理论薄膜厚度分布差别最小时对应的蒸汽分布参数为膜料的实际蒸汽分布参数；球面光学元件薄膜厚度分布通过 实验测量放置在与球面光学元件形状相同的金属夹具上不同位置的小口径，即通常为25mm或25. 4mm测试片上的薄膜厚度确定，测试片薄膜厚度测量方法采用光度法或椭圆偏振法。
4.根据权利要求I所述的一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法，其特征在于所述球面光学元件安装在行星转动夹具的中心位置。
5.根据权利要求I所述的一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法，其特征在于所述步骤(5)中利用计算机优化修正挡板弧长放大倍数的计算方法有遗传算法、模拟退火算法。
全文摘要
一种真空镀膜机行星转动夹具上球面光学元件镀膜均匀性修正挡板的设计方法，通过建立真空环境中的镀膜模型，研究行星转动夹具上平面或球面光学元件镀膜后薄膜厚度分布。通过将行星转动夹具中光学元件的镀膜过程等效成简单转动夹具中的镀膜过程，设计行星转动夹具中镀膜均匀性修正挡板的初始形状。利用计算机优化修正挡板弧长放大倍数直至薄膜厚度均匀性达到最优结果，获得球面光学元件薄膜厚度均匀性修正挡板的实际形状。本发明可以实现大口径、大口径/曲率半径比的球面光学元件薄膜厚度均匀性的控制，从而获得大口径、大口径/曲率半径比的球面光学元件多层膜光谱特征的均匀性。
文档编号C23C14/24GK102732844SQ20121024107
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者孔明东, 李斌成, 柳存定, 郭春 申请人:中国科学院光电技术研究所