CN112817070B - 一种平面光学元件的面形修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面光学元件的面形修正方法，包括如下步骤：在平面光学元件的正面镀制要求的多层膜，并根据公式(1)在平面光学元件的背面镀制修正的单层膜，修正的单层膜厚度＝2/3×多层膜厚度×K1×K2公式(1)；公式(1)中，K1＝镀制多层膜使用的离子能量/镀制修正单层膜使用的离子能量，K2＝10×(平面光学元件的厚度/平面光学元件最大方向口径)。在平面光学元件的背面用SiO2单层膜修正平面光学元件的面形，较双面镀制相同薄膜的方案容易操作，且SiO2同各种光学元件材料匹配性好，牢固度好。修正后的面形精度高，很容易到达小于λ/10。

Description

一种平面光学元件的面形修正方法
技术领域
本发明涉及一种平面光学元件的面形修正方法。
背景技术
平面光学元件常用于各种光学系统中，起到保护、分光、反射、偏振和滤光等作用。光学元件的面形一般是指元件表面的面形精度，主要是说明一个表面与理想参考面的偏差，可以用PV、透过波前等来表示。以平面为例：其PV是微观上检测表面的波峰与波谷的差值，单位一般为波长；检测仪器同时是激光干涉仪(美国的ZYGO干涉仪)，可以直接量化的读出PV的数值。通常光学元件的面形满足PV<λ/4(λ＝632.8nm)即满足使用，该值越小其精度要求越高。面形参数是光学元件非常关键的一个指标，其超差可能会引起光学系统的成像质量：分辨率、对比度、景深、像差等。面形超差极有可能导致不能得到理想的图像，甚至导致光学系统失效。
随着光学元件冷加工技术的进步，平面光学元件可以很容易达到PV<λ/10的水平甚至更低。但是光学元件通常都需要镀膜，特别是反射镜需要镀多层反射膜，多层反射膜产生的应力会导致平面光学元件变形，即导致PV变差；相同条件下，多层膜越厚平面光学元件变形越大，平面光学元件越薄变形越大。
随着光学薄膜制备技术和工艺的改进，膜层的致密性越来越强，致密的膜层通常体现为压应力，平面光学元件镀膜后PV值会从<λ/10降低到>1λ，镀膜面通常微观上表现为凸起。根据平面光学元件的微观变形上看，可以采用双面镀膜的方式，通过背面镀膜实现双面应力平衡补偿抵消的目的。最简单的来说可以在平面光学元件双面完全镀相同的多层膜，两面膜层具有相同的应力状态，因此两面膜层施加的应力会相互抵消，从而实现平面光学元件的面形修正。
但是双面镀膜相同的膜层意味着成本的提高，而且有些平面光学元件不允许双面镀相同的膜，例如分光片要求一面镀分光膜一面镀增透膜。
发明内容
本发明提供一种平面光学元件的面形修正方法，本发明的修正方法不仅能修正单面膜的面形精度，而且修正方法简单、成本低。
本发明提供以下技术方案实现：
一种平面光学元件的面形修正方法，包括如下步骤：
在平面光学元件的正面镀制要求的多层膜，并根据公式(1)在平面光学元件的背面镀制修正的单层膜，
修正的单层膜厚度＝2/3×多层膜厚度×K1×K2公式(1)；
公式(1)中，K1＝镀制多层膜使用的离子能量/镀制修正单层膜使用的离子能量，
K2＝10×(平面光学元件的厚度/平面光学元件最大方向口径)。
较之前的现有技术，本发明具有以下有益效果：
在平面光学元件的背面用SiO2单层膜修正平面光学元件的面形，较双面镀制相同薄膜的方案容易操作，且SiO2同各种光学元件材料匹配性好，牢固度好。
修正后的面形精度高，很容易到达小于λ/10。
单层SiO2的厚度取决于单面镀膜后的面形，对基片面形要求低，无需在基片抛光时耗费太多成本修面形。
单层SiO2的修正效果可以通过调整SiO2厚度来调节，甚至在镀SiO2后仍可调节，SiO2镀薄了可补镀，镀厚了可以通过蚀刻工艺去除部分SiO2。
对基片形状的适用性广，各种形状的平面光学元件都可以用该方法调节。
本发明提出的面形修正的方法在高面形精度光学元件加工领域具有重要的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步产生。
实施例1
本实施例以Φ25×2mm的平面反射镜为例，本实施例的平面反射镜的口径为25mm2，厚度为2mm,本实施例的平面反射镜的材料为JGS-1熔石英玻璃，反射率要求R≥99.5％@1550±10nm，同时要求反射镜面形PV<1/10λ。所述多层膜是由高折射率材料H-Ta2O5和低折射率材料L-SiO2组成，设计波长为1550nm，总厚度为4.8um，膜系结构为：9层，由从里至外依次交替堆叠的Ta2O5和SiO2膜层构成。
当使用面形PV＞1/10λ的基片，在单面镀制多层膜后，基片会产生严重的变形，PV>2λ无法满足高面形精度要求的。
采用本发明的面形修正方法，修正后反射镜可以满足高面形精度要求，
具体实施步骤如下：
首先准备好平面光学元件，所述的平面光学元件的面形精度PV<1/10λ，然后在平面光学元件的正面镀制要求的正面多层膜，制备正面多层膜时采用IAD离子束辅助沉积制备多层膜，基片烘烤温度设为200℃；当本底真空达到1×10-3Pa时，先使用离子源对基片进行预清洁，离子源能量设为500eV；然后调整离子源能量到400eV，接着开始在正面镀制总厚度为4.8um的正面薄膜；所述的正面薄膜的膜系包括9层由里至外依次交替堆叠的Ta2O5和SiO2膜层，Ta2O5和SiO2的沉积速率分别为0.25nm/s和0.6nm/s，完成反射膜(即多层膜)制备；
镀制正面膜层后的平面光学元件，使用激光干涉仪测量样片面形PV值，PV>2λ；
然后将镀制正面膜层后的平面光学元件重新清洁后，然后在平面光学元件的背面镀制修正的单层膜，
修正的单层膜＝2/3×多层膜厚度×K1×K2公式(1)
公式(1)中，K1＝多层膜的离子能量/修正单层膜的离子能量
K2＝10×(平面光学元件的厚度/平面光学元件最大方向口径)。
本实施例的K1＝0.9，K2＝0.8，K3为1，多层膜厚度的厚度为4.8μm，修正的单层膜的厚度为2.3μm。
镀制背面镀制修正SiO2膜也采用IAD真空镀膜技术制备单层SiO2介质膜，基片烘烤温度设为200℃；当本底真空达到1×10-3Pa时，先使用离子源对基片进行预清洁，离子源能量设为500eV；然后调整离子源能量到600eV，SiO2的沉积速率为0.6nm/s，完成单层膜制备；
镀制背面镀制修正SiO2膜后，使用激光干涉仪测量样片面形PV值，镀膜后PV<1/10λ。
实施例2
其它条件一样，先镀制背面的SiO2修正膜，后镀制正面的薄膜，经测试，产品反射率R≥99.5％@1550±10nm，面形PV<1/10λ，同样满足面形高精度的要求。
本发明并不只仅仅局限于上述实施例，凡是依据本发明原理的任何改进或替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种平面光学元件的面形修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
在平面光学元件的正面镀制要求的多层膜，并根据公式（1）在平面光学元件的背面镀制修正的单层膜，
修正的单层膜厚度=2/3×多层膜厚度×K1×K2 公式（1）；
公式（1）中，K1=镀制多层膜使用的离子能量/镀制修正单层膜使用的离子能量，
K2=10×（平面光学元件的厚度/平面光学元件最大方向口径）；所述单层膜为SiO2膜。
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