專利名稱：一種用于鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)薄膜元件制備領(lǐng)域，尤其是一種用于鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)日益精密，為滿足光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，部分光學(xué)系統(tǒng)中使用了球形光學(xué)元件，并在球形光學(xué)元件表面鍍制具有特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)薄膜來提高球形光學(xué)元件的性能。當(dāng)前用于在球形光學(xué)元件上制備光學(xué)薄膜的技術(shù)主要可分為物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)。而物理氣相沉積是一種在真空條件下，通過蒸發(fā)或?yàn)R射薄膜材料，并在球形光學(xué)元件表面沉積形成薄膜的工藝過程。在不采取薄膜厚度分布控制的情況下，膜 料沉積在球形光學(xué)元件表面形成的薄膜厚度一般具有非均勻分布。這種非均勻的薄膜厚度分布導(dǎo)致球形光學(xué)元件無法滿足光學(xué)系統(tǒng)性能需求。因此，為制備高性能的球形光學(xué)薄膜元件，必須嚴(yán)格控制球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布。傳統(tǒng)的光學(xué)元件上未使用擋板時(shí)的薄膜厚度分布模型是基于Knudsen法則，主要考慮了蒸發(fā)或?yàn)R射源特性和真空鍍膜機(jī)配置對薄膜厚度分布的影響，運(yùn)用蒸發(fā)或?yàn)R射源與光學(xué)元件間的幾何關(guān)系計(jì)算光學(xué)元件上薄膜厚度分布。直到1999年，Villa等人提出用坐標(biāo)形式刻畫光學(xué)元件上未使用擋板時(shí)的薄膜厚度分布模型，結(jié)合矢量運(yùn)算，使得薄膜厚度分布理論計(jì)算更加直觀、簡便(F. Villa, and 0. Pompa, "Emission pattern of a realvapor sources in high vacuum: an overview, 〃Appl. Opt. 38，69S-7O3 (I999))。但是上述模型均沒有考慮蒸發(fā)或?yàn)R射薄膜材料在光學(xué)元件表面上的沉積角對光學(xué)元件薄膜厚度分布的影響。目前，控制真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中光學(xué)元件上薄膜厚度分布主要采用位置固定或者運(yùn)動的擋板修正薄膜厚度技術(shù)(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 盡管單軸陀螺旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(F.L.Wang，R. Crocker，andR.Faber, 〃Large_area Uniformity in Evaporation Coating through a New Form ofSubstrate Motion，〃0SA，(2010))和適用于離子束濺射鍍膜工藝的雙驅(qū)動行星旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)(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))在不使用擋板修正的情況下都可能實(shí)現(xiàn)大尺寸平面光學(xué)元件上的薄膜厚度分布控制，但對于球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布控制還沒有相關(guān)報(bào)道。就真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)而言，由于行星公轉(zhuǎn)/自轉(zhuǎn)可以靈活調(diào)節(jié)，球形光學(xué)元件鍍膜面上任意點(diǎn)的位置隨機(jī)性非常高，使得球形光學(xué)元件鍍膜面上任意點(diǎn)與蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上任意點(diǎn)的連線在擋板放置平面上的投影軌跡非常復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)醢逶O(shè)計(jì)很難有解析解。傳統(tǒng)的用于真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制光學(xué)元件上薄膜厚度分布的擋板設(shè)計(jì)方法主要是依靠鍍膜經(jīng)驗(yàn)通過大量的工藝實(shí)驗(yàn)反復(fù)修改擋板設(shè)計(jì)來滿足特定的薄膜厚度分布，這種設(shè)計(jì)擋板的過程非常長，一般至少需要數(shù)次甚至十幾次的實(shí)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有未使用擋板時(shí)的薄膜厚度分布模型以及控制真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中球形光學(xué)元件上薄膜膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法的不足，分別建立了能真實(shí)反映未使用擋板和使用擋板修正時(shí)的真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中沉積到球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布模型，并提供一種用于真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件上薄膜厚度分布的擋板計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)球形光學(xué)元件上薄膜厚度分布的精確控制。本發(fā)明技術(shù)解決方案的原理擋板控制薄膜厚度分布技術(shù)是一種在真空鍍膜過程中利用擋板選擇性地遮擋被蒸發(fā)或?yàn)R射的薄膜材料，使得真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中球形光學(xué)元件上薄膜厚度具有均勻分布的方法。在真空鍍膜過程中，被蒸發(fā)或?yàn)R射的薄膜材料在真 空環(huán)境中傳輸，并在球形光學(xué)元件鍍膜面上形成厚度非均勻分布的薄膜。分別建立了能真實(shí)反映未使用擋板時(shí)和使用擋板修正時(shí)真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中沉積到球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布模型。根據(jù)未使用擋板時(shí)的薄膜厚度分布模型確定真空鍍膜過程中薄膜材料的蒸發(fā)或?yàn)R射特性j，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用存在擋板修正時(shí)的薄膜厚度分布模型理論模擬真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布d’(T1)。通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化擋板設(shè)計(jì)直至真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中擋板修正后球形光學(xué)元件上薄膜厚度分布達(dá)到設(shè)計(jì)需求，獲得最優(yōu)的擋板設(shè)計(jì)。所述的存在擋板修正時(shí)的薄膜厚度分布模型為
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卜4式中，矢量r為蒸發(fā)或?yàn)R射源-球形光學(xué)元件-擋板組合系統(tǒng)中坐標(biāo)原點(diǎn)和蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)(x，y，z)的連線；矢量A為坐標(biāo)原點(diǎn)和球形光學(xué)元件鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)(Xl，Y1, Z1)的連線；蒸發(fā)或?yàn)R射源和球形光學(xué)元件的表面函數(shù)分別為S(x，y, z) = 0和P (x1； Y1, Z1) = 0- = V1SVlV1SfI和p = WVlW5I分別為蒸發(fā)或派射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)(x，y，z)和球形光學(xué)元件鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)(X^yuZ1)的單位法向量;w(r, !T1) = s (rrr)和U(Ar1)=p (r-rj)分別為蒸發(fā)或派射源函數(shù)和球形光學(xué)元件函數(shù)(w(r, rl)和u(r,rl)是定義的兩個函數(shù)，采用矢量運(yùn)算表述兩矢量間的夾角；w(r，rl)/Ir-Ir11和u (r, rl) / | r-A |分別代表蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)(x，y, z)和球形光學(xué)元件鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)(Xl，Y1, Z1)的連線與蒸發(fā)或?yàn)R射源單位法向量和球形光學(xué)元件單位法向量間的夾角'AU, y)為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面函數(shù) S (X，y, z) =0 的面元函數(shù),定義為-.A{x,y) = [l + {dzltlr)2+( /^)2]12 ;F(x, y)為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面函數(shù)S(x，y，z) =0在x-y平面上的投影；|r_ri|為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)(x，y, z)和球形光學(xué)元件鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)(Xl，Y1, Z1)的距離；j為蒸發(fā)或?yàn)R射源特性參量；B(r，ri)為被蒸發(fā)或?yàn)R射膜料沉積角校正函數(shù)，定義為
權(quán)利要求
1.一種用于鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法，其特征在于: (1)真空鍍膜過程中，膜料以蒸發(fā)或?yàn)R射方式在真空環(huán)境中傳輸，并在球形光學(xué)元件上形成薄膜，所述的球形光學(xué)元件因薄膜材料的沉積，在表面上形成非均勻的薄膜厚度分布； (2)運(yùn)用存在擋板修正時(shí)的薄膜厚度分布理論模型模擬真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布，使用計(jì)算機(jī)優(yōu)化擋板設(shè)計(jì)直至真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中擋板修正后球形光學(xué)元件上薄膜厚度分布達(dá)到設(shè)計(jì)需求，獲得最優(yōu)的擋板設(shè)計(jì)； 所述的存在擋板修正時(shí)的薄膜厚度分布理論模型為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的球形光學(xué)元件的鍍膜面是凸面或凹面。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)優(yōu)化擋板設(shè)計(jì)采用模擬退火算法、蒙特卡羅算法 或遺傳算法實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
一種用于鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法，真空鍍膜過程中，膜料以蒸發(fā)或?yàn)R射方式在真空環(huán)境中傳輸，并在球形光學(xué)元件表面上形成厚度非均勻分布的薄膜。分別建立了能真實(shí)反映未使用擋板和使用擋板修正時(shí)真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中沉積到球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布模型。根據(jù)未使用擋板時(shí)的薄膜厚度分布模型確定真空鍍膜過程中薄膜材料的蒸發(fā)或?yàn)R射特性，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用存在擋板修正時(shí)的薄膜厚度分布模型理論模擬真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中球形光學(xué)元件上的薄膜厚度分布。通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化擋板設(shè)計(jì)直至真空鍍膜機(jī)行星系統(tǒng)中擋板修正后球形光學(xué)元件上薄膜厚度分布達(dá)到設(shè)計(jì)需求，獲得最優(yōu)的擋板設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的擋板設(shè)計(jì)方法相比較，本發(fā)明使用計(jì)算機(jī)優(yōu)化擋板設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)球形光學(xué)元件上薄膜厚度分布的精確控制。
文檔編號C23C14/54GK102953041SQ20121040785
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者李斌成, 郭春, 孔明東, 柳存定 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所