专利名称：一种用于镀膜行星系统中控制圆锥形光学元件膜厚分布的挡板设计方法
技术领域：
本发明涉及光学薄膜元件制备领域，尤其是一种用于镀膜行星系统中控制圆锥形光学元件膜厚分布的挡板设计方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，光学系统设计日益精密。为满足光学系统的性能指标，部分光学系统中使用了圆锥形光学元件，并在圆锥形光学元件表面镀制具有特殊设计的光学薄膜来提高圆锥形光学元件的性能。当前用于在圆锥形光学元件上制备光学薄膜的技术主要可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。而物理气相沉积是一种在真空条件下，通过蒸发或溅射薄膜材料，并在圆锥形光学元件表面沉积形成薄膜的工艺过程。在不采取薄膜厚度分布控制的情况下，膜料沉积在圆锥形光学元件表面形成的薄膜厚度一般具有非均匀分布。这种非均匀的薄膜厚度分布导致圆锥形光学元件无法满足光学系统性能需求。因此，为制备高性能的圆锥形光学薄膜元件，必须严格控制圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布。传统的光学元件上未使用挡板时的薄膜厚度分布模型是基于Knudsen法则，主要考虑了蒸发或溅射源特性和真空镀膜机配置对薄膜厚度分布的影响，运用蒸发或溅射源与光学元件间的几何关系计算光学元件上薄膜厚度分布。直到1999年，Villa等人提出用坐标形式刻画光学元件上未使用挡板时的薄膜厚度分布模型，结合矢量运算，使得薄膜厚度分布理论计算更加直观、简便(F. Villa, and O. Pompa, "Emission pattern of a realvapor sources in high vacuum: an overview, 〃Appl. Opt. 38，69S-7O3 (I999))。但是上述模型均没有考虑蒸发或溅射薄膜材料在光学元件表面上的沉积角对光学元件薄膜厚度分布的影响。目前，控制真空镀膜机行星系统中光学元件上薄膜厚度分布主要采用位置固定或者运动的挡板修正薄膜厚度技术(J. B. Oliver, P. Kupinski, A. L. Rigatti, A. ff. Schmid, J.C.Lambropoulosj S. Papernovj and A.KozIovj^Large-aperture plasma-assisteddeposition of inertial confinement fusion laser coatings, 〃Appl.Opt. 50, C19-C26 (2011))o 尽管单轴陀螺旋转系统(F. L. Wang，R. Crocker，andR. Faber, 〃Large_area Uniformity in Evaporation Coating through aNew Form ofSubstrate Motion，〃0SA，(2010))和适用于离子束溅射镀膜工艺的双驱动行星旋转系统(M.Gross, S. Dligatctchj and A. Chtanovj ^optimization of coating uniformity in anion beam sputtering system using a modified planetary rotation method, 〃Appl.Opt. 50，C316-C320(2011))在不使用挡板修正的情况下都可能实现大尺寸平面光学元件上的薄膜厚度分布控制，但对于圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布控制尚没有相关报道。就真空镀膜机行星系统而言，由于行星公转/自转可以灵活调节，圆锥形光学元件镀膜面上任意点的位置随机性非常高，使得圆锥形光学元件镀膜面上任意点与蒸发或溅射源表面上任意点的连线在挡板放置平面上的投影轨迹非常复杂，进而导致挡板设计很难有解析解。传统的用于真空镀膜机行星系统中控制光学元件上薄膜厚度分布的挡板设计方法主要是依靠镀膜经验通过大量的工艺实验反复优化挡板设计来满足特定的薄膜厚度分布，这种设计挡板的过程非常长，一般至少需要数次甚至十几次的实验。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有未使用挡板时的薄膜厚度分布模型以及控制真空镀膜机行星系统中圆锥形光学元件上薄膜膜厚分布的挡板设计方法的不足，提供一种用于镀膜行星系统中控制圆锥形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，能实现圆锥形光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。本发明技术解决方案的原理挡板控制薄膜厚度分布技术是一种在真空镀膜过程 中利用挡板选择性地遮挡被蒸发或溅射的薄膜材料，使得真空镀膜机行星系统中圆锥形光学元件上薄膜厚度具有均匀分布的方法。在真空镀膜过程中，被蒸发或溅射的薄膜材料在真空环境中传输，并在圆锥形光学元件镀膜面上形成厚度非均匀分布的薄膜。分别建立了能真实反映未使用挡板时和使用挡板修正时真空镀膜机行星系统中沉积到圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布模型。根据未使用挡板时的薄膜厚度分布模型确定真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性j，在此基础上运用存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型理论模拟真空镀膜机行星系统中圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布JlOi)。通过计算机优化挡板设计直至真空镀膜机行星系统中挡板修正后圆锥形光学元件上薄膜厚度分布达到设计需求，获得最优的挡板设计。所述的存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型为 d'ir,)= JJdx(fy⑴
F(x,v)r~r\式中，矢量r为蒸发或溅射源-圆锥形光学元件-挡板组合系统中坐标原点和蒸发或溅射源表面上(x，y，z)坐标点的连线；矢量η为坐标原点和圆锥形光学元件镀膜面上(X1^dZ1)坐标点的连线；蒸发或溅射源和圆锥形光学元件镀膜面的表面函数分别为 S(x，y, z) = O 和 P(Xl，Y1, Z1) = O ； J = V5/|V5| 和尸二 WVlVPl 分别为蒸发或溅射源表面上(x，y，z)坐标点和圆锥形光学元件镀膜面上O^ypz1)坐标点的单位法向量；νψν丨r)和uij·,}') = /Hr-F1)分别为蒸发或派射源函数和光学元件函数；A(x，y)为蒸发或溅射源表面函数S(x，y，z) = O的面元函数，定义为A(x,y) = \\ + {dziDx)" + {cz ri·)2]' ; F (x, y)为蒸发或派射源表面函数 S (x, y, ζ) = O 在 χ-y
平面上的投影；卩-/!|为蒸发或溅射源表面上(x，y，z)坐标点和圆锥形光学元件镀膜面上
(X1, Y1, Z1)坐标点的距离；j为蒸发或溅射源特性参量为被蒸发或溅射膜料沉积角
校正函数，定义为
权利要求
1.一种用于镀膜行星系统中控制圆锥形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于步骤如下 (1)真空镀膜过程中，膜料以蒸发或溅射的方式在真空环境中传输，并在真空镀膜机行星系统中圆锥形光学元件上形成薄膜；所述的圆锥形光学元件因薄膜材料的沉积，在表面上形成非均匀的薄膜厚度分布； (2)运用存在挡板修正时的薄膜厚度分布理论模型模拟真空镀膜机行星系统中圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布，使用计算机优化挡板设计直至真空镀膜机行星系统中挡板修正后圆锥形光学元件上薄膜厚度分布达到设计需求，获得最优的挡板设计； 所述的存在挡板修正时的薄膜厚度分布理论模型为
2.根据权利要求I所述的一种用于镀膜行星系统中控制圆锥形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于所述圆锥形光学元件的镀膜面是凸面或者凹面。
3.根据权利要求I所述的一种用于镀膜行星系统中控制圆锥形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于所述计算机优化挡板设计通过模拟退火算法、蒙特卡罗算法或 遗传算法来实现。
全文摘要
一种用于镀膜行星系统中控制圆锥形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，真空镀膜过程中，膜料以蒸发或溅射方式在真空环境中传输，在圆锥形光学元件表面上形成厚度非均匀分布的薄膜，分别建立了能真实反映未使用挡板和使用挡板修正时真空镀膜机行星系统中沉积到圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布模型；根据未使用挡板时的薄膜厚度分布模型确定真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性，再运用存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型理论模拟圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布，通过计算机优化挡板设计直至真空镀膜机行星系统中挡板修正后圆锥形光学元件上薄膜厚度分布达到设计需求，获得最优的挡板设计。本发明能实现圆锥形光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。
文档编号C23C14/54GK102787301SQ20121025543
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月23日 优先权日2012年7月23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