CN111826629A - 一种用于控制椭球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于控制椭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，并在椭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过程中沉积到椭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过程中沉积到椭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挡板修正后椭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，能实现椭球形光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜元件制备领域，尤其涉及一种用于控制椭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椭球形光学元件，并在椭球形光学元件表面镀制具有特殊设计的光学薄膜来提高椭球形光学元件的性能。当前用于在椭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，并在椭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，膜料沉积在椭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椭球形光学元件无法满足光学系统性能需求。因此，为制备高性能的椭球形光学薄膜元件，必须严格控制椭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 vaporsources 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，控制真空镀膜过程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(B.Wang,X.H.Fu,S.G.Song,H.O.Chu,D.Gibson,C.Li,Y.J.Shi,and Z.T.Wu,“Simulation and optimization of film thickness uniformity inphysical vapor deposition”,Coatings,8,325(2018))。前期的研究表明，修正挡板对平面、球形和圆锥形光学元件上的薄膜厚度分布控制取得了较好的研究结果(郭春,孔明东,柳存定,李斌成,“平面行星系统修正挡板校正膜厚均匀性”,光学学报,3,0231002(2013)；C.D.Liu,M.D.Kong,C.Guo,W.D.Gao,and B.C.Li,“Theoretical design of shadowingmasks for uniform coatings on spherical substrates in planetary rotationsystems”,Opt.Express,20,23790(2012)；C.Guo,M.D.Kong,C.D.Liu and B.C.Li,“Optimization of thickness uniformity of optical coatings on a conicalsubstrate in a planetary rotation system”,Appl.Opt.,52,B26(2013))，但对于椭球形光学元件上的薄膜厚度分布控制还没有相关文献报道。传统的用于真空镀膜过程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
本发明要解决的技术问题为：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过程中椭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过程中沉积到椭球形光学元件上的薄膜厚度分布模型，并提供一种用于控制椭球形光学元件上薄膜厚度分布的挡板优化设计方法，实现椭球形光学元件上薄膜厚度分布的精确控制。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于控制椭球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，包括：
步骤(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，并在椭球形光学元件上形成薄膜，所述的椭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；
步骤(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过程中沉积到椭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挡板修正后椭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：
式中，矢量r为蒸发或溅射源-椭球形光学元件-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为坐标原点和椭球形光学元件镀膜面上坐标点(x1,y1,z1)的连线；蒸发或溅射源和椭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)和椭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椭球形光学元件函数；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)和椭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：
式中，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)和椭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；
步骤(3)真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性j通过如下方式确定：在未使用挡板时，通过实验测量真空镀膜过程中沉积到椭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薄膜材料的蒸发或溅射特性；
所述的未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型为：
其中，所述的椭球形光学元件的镀膜面可以是凸面或者凹面。
其中，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过程中椭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椭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为常用真空镀膜机中热蒸发源-椭球形光学元件-挡板组合系统的示意图；
图2为使用挡板前后，真空镀膜过程中椭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
本发明的原理：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，使得椭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，并在椭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过程中沉积到椭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过程中沉积到椭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挡板修正后椭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：
式中，矢量r为蒸发或溅射源-椭球形光学元件-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为坐标原点和椭球形光学元件镀膜面上坐标点(x1,y1,z1)的连线；蒸发或溅射源和椭球形光学元件镀膜面的表面函数分别为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)和椭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光学元件函数；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)和椭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：
式中，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)和椭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；当两者轨迹不相交时，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过程中椭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：
所述的椭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。
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示为常用真空镀膜机内热蒸发源-椭球形光学元件-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，并在椭球形光学元件的镀膜面上沉积形成薄膜。为了使椭球形光学薄膜元件满足光学系统的性能需求，需要控制真空镀膜过程中椭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。所述的椭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过程中控制椭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过程中椭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挡板修正后椭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椭球形光学元件尺寸，蒸发源函数w(r,r1)、椭球形光学元件函数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过程中椭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过程中椭球形光学元件上非均匀薄膜厚度分布dmea(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dcal(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)。本实施例中采用未使用挡板修正时椭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，真空镀膜过程中在三轴半径分别为200mm、200mm和250mm，通光底面到椭球顶点距离为30mm的椭球形光学元件凸面上实测的归一化薄膜厚度分布dmea(r1)和理论计算的归一化薄膜厚度分布dcal(r1)吻合，拟合确定薄膜材料热蒸发特性j＝2.2±0.1。
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椭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椭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。尽管真空镀膜过程中椭球形光学元件上任意点的运动具有很高的位置随机性，椭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过程中椭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dmea(r1)和理论计算的归一化薄膜厚度分布dcal(r1)符合。使用挡板修正后的真空镀膜过程中在三轴半径分别为200mm、200mm和250mm，通光底面到椭球顶点距离为30mm的椭球形光学元件凸面上实测的薄膜厚度均匀性高于98.6％，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过程中椭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发明的保护范围。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
Claims (3)
1.一种用于控制椭球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于：包括：
步骤(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，并在椭球形光学元件上形成薄膜，所述的椭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；
步骤(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过程中沉积到椭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挡板修正后椭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：
式中，矢量r为蒸发或溅射源-椭球形光学元件-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为坐标原点和椭球形光学元件镀膜面上坐标点(x1,y1,z1)的连线；蒸发或溅射源和椭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)和椭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椭球形光学元件函数；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)和椭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：
式中，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)和椭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；
步骤(3)真空镀膜过程中薄膜材料的蒸发或溅射特性j通过如下方式确定：在未使用挡板时，通过实验测量真空镀膜过程中沉积到椭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薄膜材料的蒸发或溅射特性；
所述的未使用挡板时的薄膜厚度分布理论模型为：
2.根据权利要求1所述的一种用于控制椭球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法，其特征在于：所述的椭球形光学元件的镀膜面可以是凸面或者凹面。
3.根据权利要求1所述的一种用于控制椭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实现。
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| CN102776484A (zh) * | 2012-06-27 | 2012-11-14 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种用于镀膜行星系统中控制平面光学元件膜厚分布的挡板设计方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117230416A (zh) * | 2023-07-12 | 2023-12-15 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 磁控溅射元件镀膜膜厚分布修正的挡板设计方法 |
| CN117230416B (zh) * | 2023-07-12 | 2024-03-01 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 磁控溅射元件镀膜膜厚分布修正的挡板设计方法 |
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