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

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。

说明书

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 O.Pompa,"Emission pattern of a real vapor sources in high  vacuum:an overview,"Appl.Opt.38,695-703(1999)）。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.W.Schmid,J.C.Lambropoulos,S.Papernov,and A.Kozlov, "Large-aperture plasma-assisted deposition of inertial confinement fusion laser  coatings,"Appl.Opt.50,C19-C26(2011)）。尽管单轴陀螺旋转系统（F.L.Wang, R.Crocker,and R.Faber,"Large-area Uniformity in Evaporation Coating through a  New Form of Substrate Motion,"OSA,(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 an ion 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'(r₁)。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：

$d^{\prime }\left(r_1\right)=\underset{F(x,y)}{\int \int }\frac{u(r,r_1)w^j(r,r_1)B(r,r_1)M(r,r_1)A(x,y)}{{|r-r_1|}^{j+3}}\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

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r₁为坐标原点和球形光学元件 镀膜面上坐标点(x₁,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；和分别为蒸发或溅射 源表面上坐标点(x,y,z)和球形光学元件镀膜面上坐标点(x₁,y₁,z₁)的单位法向 量；w(r,r₁)＝s·(r₁-r)和u(r,r₁)＝p·(r-r₁)分别为蒸发或溅射源函数和球形光学元 件函数（w(r,r1)和u(r，r1)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,r1)/|r-r₁|和u(r,r1)/|r-r₁|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(x₁,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；A(x，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：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-r₁|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(x₁,y₁,z₁)的距离；j为 蒸发或溅射源特性参量；B(r,r₁)为被蒸发或溅射膜料沉积角校正函数，定义 为：

M(r,r₁)为挡板遮挡函数，定义为：当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(x₁,y₁,z₁)的连线在挡板放置平面上的投影轨迹和 挡板的轨迹相交时，挡板遮挡函数M(r,r₁)取0；当两者不相交时，挡板遮挡 函数M(r,r₁)取1。

所述的确定真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性j的方法为：在 未使用挡板时，通过实验测量真空镀膜机行星系统中球形光学元件上非均匀 薄膜厚度分布，并由未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型拟合确定真实的 薄膜材料蒸发或溅射特性j；

所述的未使用挡板时的薄膜厚度理论模型为：

$d\left(r_1\right)=\underset{F(x,y)}{\int \int }\frac{u(r,r_1)w^j(r,r_1)B(r,r_1)A(x,y)}{{|r-r_1|}^{j+3}}\mathrm{dxdy}----\left(3\right)$

所述的球形光学元件的镀膜面可以是凸面或者凹面。

所述的计算机优化挡板设计主要采用模拟退火算法、蒙特卡罗算法、遗 传算法或其他的随机优化算法等实现。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）对原有未使用挡板时的薄膜厚度分布模型进行改进。在未使用挡 板时的薄膜厚度分布模型中，考虑了薄膜材料沉积角对薄膜厚度分布的影 响，使得理论模拟的薄膜厚度分布更符合真空镀膜机行星系统中球形光学元 件所处的物理实际。

（2）挡板优化设计效率高。由于充分考虑到蒸发或溅射源和球形光学 元件系统配置，获取真空镀膜过程中薄膜材料蒸发或溅射特性，并采用计算 机辅助优化方法，依据存在挡板修正时的薄膜厚度分布模型，使得挡板优化 设计效率显著提高。

附图说明

图1为配备有行星系统的热蒸发真空镀膜机中热蒸发源-光学元件-挡板 组合系统的示意图；

图2为使用挡板前后，真空镀膜机行星系统中球形光学元件上实测和模 拟的薄膜厚度分布图；

图3为计算机优化设计的挡板结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为配备有行星系统的热蒸发真空镀膜机内热蒸发源-光学元 件-挡板组合系统的示意图。热蒸发真空镀膜过程中，被蒸发的薄膜材料在 真空环境中传输，并在球形光学元件的镀膜面上沉积形成薄膜。为了使球形 光学薄膜元件满足光学系统的性能需求，需要控制真空镀膜机行星系统中球 形光学元件上薄膜厚度分布。最常用的办法是使用挡板控制薄膜厚度分布。 所述的球形光学元件的镀膜面可以是凸面或者凹面。具体的用于真空镀膜机 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过程 为：

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模型的表达式为方程（1），给 定真空镀膜机配置和球形光学元件尺寸，蒸发源函数w(r,r₁)、球形光学元件 函数u(r,r₁)、蒸发源面函数A(x,y)、蒸发源表面函数在x-y平面上的投影F(x,y)、 沉积角校正函数B(r,r₁)和光学元件镀膜面上坐标点(x₁,y₁,z₁)与蒸发源上坐标 点(x,y,z)的距离|r-r₁|均为已知参量。由方程（1）可知，为理论模拟存在挡 板修正时真空镀膜机行星系统中球形光学元件上薄膜厚度分布d'(r₁)，还需要 确定薄膜材料蒸发特性j和挡板遮挡函数M(r,r₁)。

具体的薄膜材料蒸发特性j确定过程为：由未使用挡板时的薄膜厚度分 布理论模型可知，给定真空镀膜机配置和光学元件尺寸后，薄膜厚度分布理 论模型中除薄膜材料蒸发特性j外，其它参量均为已知参数。在未使用挡板 修正时，通过实验测量真空镀膜机行星系统中球形光学元件上非均匀薄膜厚 度分布d_mea(r₁)，并由未使用挡板时的薄膜厚度理论模型模拟的薄膜厚度分布 d_cal(r₁)拟合确定薄膜材料蒸发特性j。所述的未使用挡板时的薄膜厚度分布 理论模型的表达式为方程（3）。本发明实施例中采用未使用挡板修正时球 形光学元件上薄膜厚度分布，确定薄膜材料蒸发特性。如图2所示在未使用 挡板时，真空镀膜机行星系统中通光口径为172mm、曲率半径为140mm的 球形光学元件凸面上实测的归一化薄膜厚度分布d_mea(r₁)和理论计算的归一 化薄膜厚度分布d_cal(r₁)吻合，拟合确定薄膜材料热蒸发特性j＝1.76±0.02。

具体的挡板遮挡函数M(r,r₁)的确定：由挡板遮挡函数M(r,r₁)的定义可 知，挡板遮挡函数M(r,r₁)是一个逻辑判断函数，并且对于给定的真空镀膜机 配置和球形光学元件尺寸而言，设计挡板对真空镀膜机行星系统中球形光学 元件上薄膜厚度分布的影响直接反映在挡板遮挡函数M(r,r₁)取值上。尽管真 空镀膜机行星系统中球形光学元件上任意点的运动具有很高的位置随机性， 球形光学元件镀膜面上坐标点(x₁,y₁,z₁)和蒸发源上坐标点(x,y,z)的连线在挡 板放置平面上的投影轨迹非常复杂，很难给出挡板遮挡函数M(r,r₁)的解析 解。但是，依然可以使用计算机完成挡板遮挡函数M(r,r₁)的取值判定，进而 实现方程（1）的计算，获得挡板修正后真空镀膜机行星系统中球形光学元 件上薄膜厚度分布d'(r₁)的理论模拟。所述的计算机优化挡板设计主要通过模 拟退火算法、蒙特卡罗算法、遗传算法或其他的随机优化算法等实现。

如图2所示，在使用挡板修正后，实测的归一化薄膜厚度分布d_mea(r₁)和 理论计算的归一化薄膜厚度分布d_cal(r₁)符合。使用挡板修正后的真空镀膜机 行星系统中通光口径为172mm、曲率半径为140mm的球形光学元件凸面上 实测的薄膜厚度均匀性高于98.4%，能很好地满足光学系统的薄膜厚度分布 需求。相应的计算机优化设计控制真空镀膜机行星系统中球形光学元件上薄 膜厚度分布的挡板形状如图3所示。

另外，对于离子束溅射、磁控溅射等物理气相沉积真空镀膜工艺而言， 蒸发或溅射的薄膜材料在真空环境中传输、沉积形成薄膜过程和热蒸发真空 镀膜工艺一样。因此，在离子束溅射、磁控溅射等物理气相沉积真空镀膜工 艺中，使用本发明所述方法完成相应的挡板优化设计也同属于本专利的保护 范围。

总之，本发明改进现有未使用挡板时的薄膜厚度分布模型，即引入沉积 角校正函数更真实地刻画真空镀膜机行星系统中球形光学元件上薄膜厚度 分布；与现有通过大量的实验反复优化挡板设计来实现真空镀膜机行星系统 中球形光学元件上薄膜厚度分布控制相比，提出了适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。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。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。