专利名称：一种用于镀膜机行星系统中控制球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机行星系统中控制球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法。
背景技术：
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球形光学元件，并在球形光学元件表面镀制具有特殊设计的光学薄膜来提高球形光学元件的性能。当前用于在球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，并在球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 料沉积在球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球形光学元件无法满足光学系统性能需求。因此，为制备高性能的球形光学薄膜元件，必须严格控制球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 0. 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.Lambropoulos, S. Papernov, and A. Kozlov，〃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 a New 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. Dligatctch, and A.Chtanov，"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，但对于球形光学元件上的薄膜厚度分布控制还没有相关报道。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，球形光学元件镀膜面上任意点的位置随机性非常高，使得球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修改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球形光学元件上薄膜膜厚分布的挡板设计方法的不足，分别建立了能真实反映未使用挡板和使用挡板修正时的真空镀膜机行星系统中沉积到球形光学元件上的薄膜厚度分布模型，并提供一种用于真空镀膜机行星系统中控制球形光学元件上薄膜厚度分布的挡板计算机优化设计方法，实现球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球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，并在球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球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球形光学元件上的薄膜厚度分布d’(T1)。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球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
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卜4式中，矢量r为蒸发或溅射源-球形光学元件-挡板组合系统中坐标原点和蒸发或溅射源表面上坐标点(x，y，z)的连线；矢量A为坐标原点和球形光学元件镀膜面上坐标点(Xl，Y1, Z1)的连线；蒸发或溅射源和球形光学元件的表面函数分别为S(x，y, z) = 0和P (x1； Y1, Z1) = 0- = V1SVlV1SfI和p = WVlW5I分别为蒸发或派射源表面上坐标点(x，y，z)和球形光学元件镀膜面上坐标点(X^yuZ1)的单位法向量;w(r, !T1) = s (rrr)和U(Ar1)=p (r-rj)分别为蒸发或派射源函数和球形光学元件函数(w(r, rl)和u(r,rl)是定义的两个函数，采用矢量运算表述两矢量间的夹角；w(r，rl)/Ir-Ir11和u (r, rl) / | r-A |分别代表蒸发或溅射源表面上坐标点(x，y, z)和球形光学元件镀膜面上坐标点(Xl，Y1, Z1)的连线与蒸发或溅射源单位法向量和球形光学元件单位法向量间的夹角'AU, y)为蒸发或溅射源表面函数 S (X，y, z) =0 的面元函数,定义为-.A{x,y) = [l + {dzltlr)2+( /^)2]12 ;F(x, y)为蒸发或溅射源表面函数S(x，y，z) =0在x-y平面上的投影；|r_ri|为蒸发或溅射源表面上坐标点(x，y, z)和球形光学元件镀膜面上坐标点(Xl，Y1, Z1)的距离；j为蒸发或溅射源特性参量；B(r，ri)为被蒸发或溅射膜料沉积角校正函数，定义为
权利要求
1.一种用于镀膜机行星系统中控制球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于: (1)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，并在球形光学元件上形成薄膜，所述的球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球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球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机行星系统中控制球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于所述的球形光学元件的镀膜面是凸面或凹面。
3.根据权利要求I所述的一种用于镀膜机行星系统中控制球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于所述的计算机优化挡板设计采用模拟退火算法、蒙特卡罗算法 或遗传算法实现。
全文摘要
一种用于镀膜机行星系统中控制球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，并在球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球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，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球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球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。与传统的挡板设计方法相比较，本发明使用计算机优化挡板设计能实现球形光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。
文档编号C23C14/54GK102953041SQ20121040785
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者李斌成, 郭春, 孔明东, 柳存定 申请人:中国科学院光电技术研究所