CN113655592B - 一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法 - Google Patents

一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，其步骤包括：在光学元件的前表面进行主膜系的镀制；在光学元件的后表面进行一次镀膜，即镀制用于抵消光学元件面形变化的抵消膜层；对抵消膜层进行均匀减薄，控制减薄厚度，根据面形精度控制需要，每减薄5nm‑50nm，进行一次光学元件表面面形的检测，直至接近或达到镀膜前的面形精度。本发明由于采用均匀减薄的可控技术，使得光学元件接近或达到镀膜前的面形精度，对于现有技术而言是无法达到的；由于用于抵消的膜层厚度只进行了一次镀膜，高质量光学元件表面质量得以保证；本发明的方法无需进行反向抛光补偿膜系应力变形，大大提高了大口径高精度光学元件的生产效率。

Description

一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法
技术领域
本发明涉及光学加工与光学镀膜相结合的技术领域，尤其是针对大口径高面形精度光学元件镀制光学薄膜后面形变化的调控方法。
背景技术
随着现代光学系统的发展，如引力波探测、光刻机光学系统、强激光系统等，人们对大口径高面形精度的光学元件提出了越来越高的要求。光学系统的功能实现离不开光学薄膜，薄膜应力是光学元件面形变化的主要因素,因而如何消除光学薄膜应力导致的面形变化一直是高精度光学系统实现的难题。
薄膜应力表现形式上分为张应力和压应力，在张应力作用下，薄膜本身有收缩趋势，在压应力作用下，薄膜有向表面扩张的趋势(图1，图中包括基底1和薄膜2)。薄膜应力的形成是一个复杂的过程，是在薄膜生成过程中以及成膜后老化过程中逐步形成的。造成薄膜应力的机理主要有三种：热应力，主要由基片与镀膜材料间膨胀系数不同造成；内应力，由镀膜工艺技术引起；外应力，主要由薄膜的物理环境(压强、湿度等)发生变化所产生。总之，应力依赖于材料，淀积工艺技术和环境各种参数。一般说来，现代的离子束溅射、离子辅助和离子镀等镀膜技术制备的膜层是致密的，表现为压应力，而热蒸发制备的膜层是多孔的，通常显示出张应力。
对于薄膜应力导致的面形改变常用的技术手段有：方法一是预先测出由于薄膜应力导致的面形变化量，通过反向光学加工进行补偿；方法二是在光学元件表面的背面镀膜，通过镀制一定厚度的薄膜对第一面的面形变化进行抵消。这两种方法均可以在一定程度上降低膜层应力导致的面形变化，对于方法一因需要预先测出镀膜导致的面形变化量，无法避免的需要反复进行光学元件的抛光，尤其对于高精度大口径光学元件的加工是非常麻烦的，且该方法仅适用于反射镜，无法用于分色镜情况。方法二在实际操作中，由于用于抵消的膜层厚度不能很好的确定，需要从薄到厚多次镀制与测量，多次镀膜易导致高质量光学元件表面质量下降。另外，传统的正反面镀膜补偿应力的方式，镀制相同的膜层于后表面，仅适用于反射镜补偿前表面的膜应力变形，不能用于两面均使用的分色镜、分光镜元件，该方法更多用于维持两面的膜应力平衡，避免膜层因应力损坏，无法对膜应力变形进行调控。
发明内容
本发明需要解决的问题是针对大口径高面形精度光学元件镀制光学薄膜后面形变化的问题，提供一种更加具有确定性的光学元件面形调控方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，包括如下步骤：
步骤1：在光学元件的前表面进行主膜系的镀制；
步骤2：在光学元件的后表面进行一次镀膜，即镀制用于抵消光学元件面形变化的抵消膜层；
步骤3：对抵消膜层进行均匀减薄，控制减薄厚度，根据面形精度控制需要，每减薄5nm-50nm，进行一次光学元件表面面形的检测，直至接近或达到镀膜前的面形精度。
进一步的，所述主膜系是用于实现光学系统功能的介质氧化物膜系。
进一步的，所述主膜系的种类包括分光膜、分色膜、高反膜。
进一步的，根据前表面膜系厚度和使用材料确定后表面用于抵消面形变化的膜层厚度。
进一步的，抵消膜层厚度为前表面膜系总厚度的一半。
进一步的，抵消膜层厚度为过正抵消，即光学元件面形发生反向变化。
进一步的，步骤3中，将光学元件放入具有离子束抛光功能的真空室，对后表面进行轰击减薄，离子源均匀扫描光学元件后表面，使得材料可以被均匀的减薄。
进一步的，控制离子源的减薄厚度，根据面形精度控制需要，每减薄5nm-50nm，进行一次光学元件表面面形的检测，直至接近或达到镀膜前的面形精度。
由于采用了上述方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、由于很多高精度光学元件正反两面均要求很高的面形精度，采用逐渐接近的均匀减薄方案，使面形可以受控的调整，使得光学元件接近或达到镀膜前的面形精度，最大限度的保护后表面(矫正面)的面形精度。
2、由于用于抵消的膜层厚度只进行了一次镀膜，高质量光学元件表面质量得以保证。
3、无需进行反向抛光补偿膜系应力变形，大大提高了大口径高精度光学元件的生产效率。
4、该方法适用于大口径高精度反射镜，分色镜等多种光学元件。
附图说明
图1是薄膜应力示意图；其中，(a)为薄膜张应力示意图，(b)为薄膜压应力示意图；
图2是光学元件镀制光学薄膜后的结构示意图；
图3是光学元件与离子源的相对位置示意图；
图4是离子源在光学元件上方的运行轨迹参考图；
图5是光学元件前表面进行主膜系镀制后的面形变化情况；
图6是后表面镀制抵消膜层后的前表面面形变化情况；
图7是面形监控减薄后的前表面面形恢复情况。
图中标记：1、基底；2、薄膜；3、前表面主膜系；4、光学元件；5、后表面抵消膜层；6、离子源；7、扫描轨迹。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
本实施例提供一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，包括如下步骤：
首先在光学元件4的前表面进行主膜系的镀制，形成前表面主膜系3，如图2所示，主膜系是指用来实现光学系统功能的各种介质氧化物膜系，包含并不限于分光膜、分色膜、高反膜；
镀制完成后进行光学元件面形变化量确认，根据前表面膜系厚度和使用材料确定后表面用于抵消面形变化的膜层厚度，形成后表面抵消膜层5，如图2所示，抵消膜层厚度一般为前表面膜系总厚度的一半，材料为SiO2，但不限于SiO2，该厚度通常为过正抵消，及光学元件面形会发生反向变化；
如图3所示，将光学元件放入具有离子束抛光功能的真空室，对后表面进行轰击减薄。离子源6一般为射频聚焦型离子源。离子源需要均匀扫描光学元件后表面，扫描轨迹7如图4所示，使得材料可以被均匀的减薄。
控制离子源减薄厚度，根据面形精度控制需要，每减薄5nm-50nm，进行一次光学元件表面面形的检测，直至接近或达到镀膜前的面形精度。
本实施例中，具体采用一块加工完成的110mm*110mm*8mm的方形光学镜片，材料为JGS1，前、后表面加工精度均为PV值0.1λ。前表面完成光学滤光片膜系镀制后，面形精度降低至PV值5.102λ(图5)，光学滤光片膜系总厚度15μm；根据前表面膜系厚度给后表面镀制抵消膜层SiO2，厚度为7.5μm，光学元件前表面面形精度上升至0.344λ(图6)，此时通过干涉图可以看出弯曲形状由凹变凸，属于过正抵消；将光学元件放入离子束抛光室，对后表面进行轰击减薄，每减薄50nm，进行一次光学元件前表面面形检测，经数次减薄，前表面面形精度达0.112λ(图7)，接近镀膜前面形精度值。
可见，本发明由于采用均匀减薄的可控技术，使得光学元件接近或达到镀膜前的面形精度，对于现有技术而言是无法达到的；由于用于抵消的膜层厚度只进行了一次镀膜，高质量光学元件表面质量得以保证；本发明的方法无需进行反向抛光补偿膜系应力变形，大大提高了大口径高精度光学元件的生产效率。该方法适用于大口径高精度反射镜，分色镜等多种光学元件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在光学元件的前表面进行主膜系的镀制；
步骤2：在光学元件的后表面进行一次镀膜，即镀制用于抵消光学元件面形变化的抵消膜层；
步骤3：将光学元件放入具有离子束抛光功能的真空室，对后表面进行轰击减薄，离子源均匀扫描光学元件后表面，使得材料可以被均匀的减薄，控制离子源的减薄厚度，根据面形精度控制需要，每减薄5nm-50nm，进行一次光学元件表面面形的检测，直至接近或达到镀膜前的面形精度；通过采用逐渐接近的均匀减薄方案，使面形可以受控的调整，使得光学元件接近或达到镀膜前的面形精度，最大限度的保护后表面的面形精度。
2.根据权利要求1所述的一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，其特征在于，所述主膜系是用于实现光学系统功能的介质氧化物膜系。
3.根据权利要求2所述的一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，其特征在于，所述主膜系的种类包括分光膜、分色膜、高反膜。
4.根据权利要求1所述的一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，其特征在于，根据前表面膜系厚度和使用材料确定后表面用于抵消面形变化的膜层厚度。
5.根据权利要求4所述的一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，其特征在于，抵消膜层厚度为前表面膜系总厚度的一半。
6.根据权利要求4或5所述的一种大口径高精度光学元件膜层应力形变调控方法，其特征在于，抵消膜层厚度为过正抵消，即光学元件面形发生反向变化。
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