CN116497310B - 一种光学薄膜元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学薄膜元件及其制备方法，涉及光电技术领域，用于改善现有技术中因应力导致光学薄膜元件的表面面形指标降低的问题，从而大幅提升器件的性能和质量。该方法包括：提供第一基片，其中，第一基片包括待镀膜面；对第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片；采用镀膜工艺在第二基片的待镀膜面上形成多层镀膜层，得到待检测元件；判断待检测元件是否满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标；根据判断结果确定待检测元件是否为合格产品。

Description

一种光学薄膜元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种光学薄膜元件及其制备方法。
背景技术
光学薄膜元件是高精密光学系统的重要组成部分，其性能好坏直接影响光学系统的质量。在光学薄膜元件的制备过程中，镀膜工艺产生的粒子堆积会不可避免地引入应力，而应力会使光学薄膜元件的面形发生变化，从而降低光学薄膜元件的表面面形指标，进而降低器件的性能和质量。
发明内容
本发明提供一种光学薄膜元件及其制备方法，用于改善现有技术中因应力导致光学薄膜元件的表面面形指标降低的问题，从而大幅提升器件的性能和质量。
本发明提供一种光学薄膜元件的制备方法，包括：
提供第一基片，其中，所述第一基片包括待镀膜面；
对所述第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片；
采用镀膜工艺在所述第二基片的待镀膜面上形成多层镀膜层，得到待检测元件；
判断所述待检测元件是否满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标；
根据判断结果确定所述待检测元件是否为合格产品。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，在根据判断结果确定所述待检测元件为非合格产品之后，所述方法还包括：
对所述待检测元件进行后处理，形成满足所述预设光圈指标和所述预设光圈局部误差指标的光学薄膜元件。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，在所述待检测元件的光圈指标小于所述预设光圈指标的情况下，所述对所述待检测元件进行后处理包括：
采用退火工艺对所述待检测元件进行处理；或者，在所述待检测元件的镀膜面形成补镀膜。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，在所述待检测元件的光圈指标大于所述预设光圈指标、且所述待检测元件包括非镀膜面的情况下，所述对所述待检测元件进行后处理包括：
采用磨砂工艺对所述待检测元件的非镀膜面进行处理。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，所述对所述第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片包括：
依次采用磨砂工艺和抛光工艺对所述第一基片的待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标的中间基片；
采用离子束工艺对所述中间基片的待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标和所述理论光圈局部误差指标的第二基片。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，所述依次采用磨砂工艺和抛光工艺对所述第一基片的所述待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标的中间基片包括：
依次采用磨砂工艺和抛光工艺对所述第一基片的待镀膜面进行处理，形成第一待检测基片；
检测所述第一待检测基片的光圈指标是否满足所述理论光圈指标；
根据检测结果确定所述第一待检测基片是否需要再次进行磨砂工艺和抛光工艺处理。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，所述采用离子束工艺对所述中间基片的待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标和所述理论光圈局部误差指标的第二基片包括：
采用离子束工艺对所述中间基片的待镀膜面进行处理，形成第二待检测基片；
检测所述第二待检测基片的光圈局部误差指标是否满足所述理论光圈局部误差指标；
根据检测结果确定所述第二待检测基片是否需要再次进行离子束工艺处理。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，在所述对所述第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片之前，所述方法还包括：
获取所述预设光圈指标和所述预设光圈局部误差指标；
获取镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量；
根据所述预设光圈指标和所述镀膜前后光圈变化量确定所述理论光圈指标；
根据所述预设光圈局部误差指标和所述镀膜前后光圈局部误差变化量确定所述理论光圈局部误差指标。
根据本发明提供的一种光学薄膜元件的制备方法，所述获取镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量包括：
根据薄膜的应力公式计算膜层产生的应力值σ；其中，ES为基片的杨氏模量，vS为基片的泊松比，r为基片的曲率半径，tS为基片厚度，tf为薄膜厚度；
根据所述应力值，采用应力补偿法对测试基片进行试验，分别得到所述测试基片在镀膜前的光圈值和光圈局部误差值、以及镀膜后的光圈值和光圈局部误差值；
根据所述镀膜前的光圈值和所述镀膜后的光圈值，确定所述镀膜前后光圈变化量；
根据所述镀膜前的光圈局部误差值和所述镀膜后的光圈局部误差值，确定所述镀膜前后光圈局部误差变化量。
本发明还提供了一种光学薄膜元件，该光学薄膜元件采用上述任一项的制备方法形成。
本发明提供了一种光学薄膜元件及其制备方法，该光学薄膜元件的制备方法包括：提供第一基片，其中，所述第一基片包括待镀膜面；对所述第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片；采用镀膜工艺在所述第二基片的待镀膜面上形成多层镀膜层，得到待检测元件；判断所述待检测元件是否满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标；根据判断结果确定所述待检测元件是否为合格产品。本发明提供的光学薄膜元件的制备方法，通过在镀膜前对第一基片进行预处理，得到满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片，接着在第二基片上镀膜，这样可以减小因应力导致的镀膜前后面形变化量对于表面面形指标的影响，尽可能提高光学薄膜元件的面形收敛程度的确定性，从而提升光学薄膜元件的表面面形指标，进而大幅提升器件的性能和质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的光学薄膜元件的制备方法的流程示意图之一
图2是本发明提供的光学薄膜元件的制备方法的流程示意图之二；
图3是本发明提供的光学薄膜元件的制备方法的流程示意图之三；
图4是本发明提供的应力影响面形的原理图；
图5是本发明提供的光学薄膜元件的制备方法的流程示意图之四；
图6是本发明提供的单面反射镜的光学特性曲线图之一；
图7是本发明提供的基片弯曲后的示意图；
图8是本发明提供的单面反射镜的光学特性曲线图之二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的实施例中，采用“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分，仅为了清楚描述本发明实施例的技术方案，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本发明的实施例中，“多层”的含义是两层或两层以上，“至少一层”的含义是一层或一层以上，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
光学镀膜是指在光学元件表面上镀设至少一层薄膜的工艺过程，以达到减少或增加光的反射、分束、分色、滤光、偏振等要求，从而实现在特定波段范围内的光学性能要求。在光学薄膜元件的制备过程中，镀膜工艺会产生应力，而应力会使元件面形发生变化。具体的，过强的张应力或压应力会使膜层破裂和脱落；残余应力会影响光学基片表面的平行度，使光学基片表面的面形发生改变，那么当干涉仪检测光波入射到光学元件上时，其反射光束的波前产生变形，从而改变系统的能量分布和光学质量，影响元件的表面面形指标。
基于上述，本发明的实施例提供了一种光学薄膜元件的制备方法，参考图1所示，该方法包括：
S1、提供第一基片，其中，第一基片包括待镀膜面。
第一基片的材料不做限定，示例的，第一基片的材料可以包括K9玻璃、单晶硅或者熔石英玻璃。第一基片可以包括相对的两侧，其中任一侧可以设置有待镀膜面，以形成单面镀膜的光学薄膜元件；或者，第一基片的两侧均设置有待镀膜面，以形成双面镀膜的光学薄膜元件；这里不做限定。第一基片的厚度、尺寸、形状等均不作限定，可以根据需求选择。
S2、对第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片。
需要说明的是，光学薄膜元件的表面面形指标包括光圈指标N和光圈局部误差指标ΔN。示例的，若光学薄膜元件的光圈指标N<0.25fr，光圈局部误差指标ΔN<0.2fr，表示光圈在±0.25fr以内，光圈局部误差在0.2fr以内的光学薄膜元件为合格产品。
研究发现，由于热应力以及残余应力的影响，基片在镀膜前后的面形指标(例如：光圈指标和光圈局部误差指标)会发生变化，该面形变化量不是单一的数值，而是存在波动范围。为了得到满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标的光学薄膜元件，可以通过试验得到镀膜前后面形的变化量(例如：镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量)，然后根据预设光圈指标和镀膜前后光圈变化量确定理论光圈指标，根据预设光圈局部误差指标和镀膜前后光圈局部误差变化量确定理论光圈局部误差指标。这样，在第二基片上镀膜后，理论光圈指标叠加镀膜前后光圈变化量即可保证满足预设光圈指标；同理，理论光圈局部误差指标叠加镀膜前后光圈局部误差变化量即可保证满足预设光圈局部误差指标。
示例的，若预设光圈指标N<2.5fr，经试验得到镀膜前后光圈变化量(即镀膜后光圈值与镀膜前光圈值的差值)为1.0fr，则理论光圈指标N1的范围为(-2.5-1.0)fr～(2.5-1.0)fr，即-3.5fr<N1<1.5fr。若预设光圈局部误差指标ΔN<0.2fr，经试验得到镀膜前后光圈局部误差变化量(即镀膜后光圈局部误差值与镀膜前光圈局部误差值的差值)为0.1fr，则理论光圈局部误差指标ΔN1满足：ΔN1<(0.2-0.1)fr，即ΔN1<0.1fr。
上述预处理的具体处理方法不做限定，示例的，预处理方法可以包括：依次采用磨砂工艺和抛光工艺对第一基片的待镀膜面进行处理；然后，再采用离子束工艺进行处理。或者，预处理方法还可以包括：采用离子束工艺对第一基片的待镀膜面进行处理。当然，还可以包括其他处理方法，只要能形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片即可。
S3、采用镀膜工艺在第二基片的待镀膜面上形成多层镀膜层，得到待检测元件。
上述镀膜工艺可以采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)镀膜技术，物理气相沉积镀膜技术是指在真空条件下采用物理方法将材料源(固体或液体)表面气化成气态原子或分子，或者部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积镀膜技术主要分为三类：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。步骤S3可以采用真空蒸发镀膜技术形成镀膜层，当然也可以采用其他镀膜技术，这里不做限定。
上述镀膜层的具体层数不做限定；实际应用中，镀膜层的层数越多(例如：20层以上)，则在镀膜时产生的应力情况越复杂，对于光学薄膜元件的表面面形指标影响越严重；本发明实施例提供的制备方法对于镀膜层的层数较多的光学薄膜元件的表面面形指标的改善作用越好。
上述镀膜层的材料和结构不做限定，示例的，若要形成反射镜，则镀膜层可以包括交替叠层设置的第一子层和第二子层，其中，第一子层的折射率大于第二子层的折射率，第一子层可以包括Ti3O5层，第二子层可以包括SiO2层。
上述待检测元件可以是双面镀膜元件，例如：双面反射镜等；或者，还可以是单面镀膜元件，例如：单面反射镜等，这里不做限定。
S4、判断待检测元件是否满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标。
步骤S4可以采用干涉仪检测待检测元件的实际光圈指标和实际光圈局部误差指标，然后再分别比对实际光圈指标和预设光圈指标、实际光圈局部误差指标和预设光圈局部误差指标。
若实际光圈指标落入预设光圈指标范围，则判定待检测元件满足预设光圈指标。示例的，若实际光圈指标为0.1fr，预设光圈指标N<0.25fr，0.1fr在N<0.25fr的范围内，则判定待检测元件满足预设光圈指标。若实际光圈指标没有落入预设光圈指标范围，则判定待检测元件不满足预设光圈指标。若实际光圈指标为0.3fr，预设光圈指标N<0.25fr，0.3fr不在N<0.25fr的范围内，则判定待检测元件不满足预设光圈指标。
若实际光圈局部误差指标落入预设光圈局部误差指标范围，则判定待检测元件满足预设光圈局部误差指标。示例的，若实际光圈局部误差指标为0.1fr，预设光圈局部误差指标ΔN<0.2fr，0.1fr在ΔN<0.2fr的范围内，则判定待检测元件满足预设光圈局部误差指标。若实际光圈局部误差指标没有落入预设光圈局部误差指标范围，则判定待检测元件不满足预设光圈局部误差指标。若实际光圈局部误差指标为0.22fr，预设光圈局部误差指标ΔN<0.2fr，0.22fr不在ΔN<0.2fr的范围内，则判定待检测元件不满足预设光圈局部误差指标。
需要说明的是，经研究发现，经过步骤S2-S3的处理后，待检测元件大概率可以满足预设光圈指标，因此，为了减少工艺流程，节省制作时间，可以默认满足预设光圈指标。
S5、根据判断结果确定待检测元件是否为合格产品。
具体的，若待检测元件满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标，则确定待检测元件为合格产品；若待检测元件不满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标两者中的任一个或者全部，则确定待检测元件为非合格产品。
本发明提供一种光学薄膜元件的制备方法，通过在镀膜前对第一基片进行预处理，得到满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片，接着在第二基片上镀膜，这样可以减小因应力导致的镀膜前后面形变化量对于表面面形指标的影响，尽可能提高光学薄膜元件的面形收敛程度的确定性，从而提升光学薄膜元件的表面面形指标，进而大幅提升器件的性能和质量。
在一个或者多个实施例中，为了提高产品良率，参考图2所示，在根据判断结果确定待检测元件为非合格产品之后，该方法还包括：
S6、对待检测元件进行后处理，形成满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标的光学薄膜元件。
待检测元件为非合格产品，说明待检测元件不满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标，或者，待检测元件不满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标两者中的任一个。经研究发现，待检测元件一般多满足预设光圈局部误差指标，不满足预设光圈指标；因此，为了减少制备流程、提高生产效率，可以对待检测元件不满足预设光圈指标的情况进行后处理。待检测元件不满足预设光圈指标包括两种情况：第一种、待检测元件的光圈指标小于预设光圈指标；第二种、待检测元件的光圈指标大于预设光圈指标。
上述后处理的具体方法不做限定，示例的，可以采用高温退火工艺或者磨砂工艺等工艺，具体需要根据实际情况选择。
可选的，参考图3所示，在待检测元件的光圈指标小于预设光圈指标的情况下，步骤S6、对待检测元件进行后处理包括：
S7、采用退火工艺对待检测元件进行处理；或者，在待检测元件的镀膜面形成补镀膜。
待检测元件的光圈指标小于预设光圈指标，此时待检测元件偏凹，即待检测元件的镀膜面沿靠近第二基片的方向凸出。出现该情况的产品，说明其自身残余应力未完全释放，采用退火工艺释放残余应力。步骤S7可以采用高温退火工艺对待检测元件进行处理，示例的，可以采用300℃/4h，升降温速率为10℃/min，从而达到稳定升降温的目的；在退火工艺结束后，可以保持恒温恒湿48h，从而保证面形的稳定。或者，步骤S7还可以采用在待检测元件的镀膜面形成补镀膜，从而利用镀补镀膜产生的压应力调整待检测元件的面形。示例的，可以采用真空蒸发镀膜技术在待检测元件的镀膜面形成补镀膜；该补镀膜的材料不做限定，为了不影响原有待检测元件的光学特性，该补镀膜的材料可以与待检测元件的多层镀膜层中设置在最外层的镀膜层的材料相同；例如：待检测元件的最外层镀膜层的材料包括SiO2，此时，镀膜层的材料可以包括SiO2。
步骤S7可以适用于单面镀膜的待检测元件，或者，也可以适用于双面镀膜的待检测元件，这里不做限定。
可选的，参考图3所示，在待检测元件的光圈指标大于预设光圈指标、且待检测元件包括非镀膜面的情况下，步骤S6、对待检测元件进行后处理包括：
S8、采用磨砂工艺对待检测元件的非镀膜面进行处理。
待检测元件的光圈指标大于预设光圈指标，此时待检测元件偏凸，即待检测元件的镀膜面沿远离第二基片的方向凸出。出现该情况的产品，说明其自身残余应力和镀膜过程中产生的应力较大，可以采用背面磨砂的方式处理。为了避免对于镀膜面的损伤，可以在镀膜面上涂设保护膜(例如：防水胶等)，然后在磨砂盘上使用303#金刚砂对非镀膜面进行研磨；在磨砂工艺结束后，可以保持恒温恒湿48h，从而保证面形的稳定。
磨砂工艺可以将原本表面光滑的物体变得不光滑，这样当光照射在表面时能够形成漫反射。采用磨砂工艺处理的原理如下：参考图4所示，经过真空镀膜后，待检测产品产生压应力使得镀膜面变凸，同时在非镀膜面产生张应力使得非镀膜面变凹；采用粗糙度很大的303#金刚砂对非镀膜面进行磨砂后，可以释放非镀膜面的张应力，同时减小镀膜面的压应力，从而减轻镀膜面的凸出程度，进而使得待检测产品满足预设光圈指标。
步骤S8可以适用于单面镀膜的待检测元件；由于磨砂工艺会损坏被磨砂面，因此不适用双面镀膜的待检测元件。
在一个或者多个实施例中，为了便于实现，提高生产效率，同时保证形成符合要求的基片，可选的，S2、对第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片包括：
S21、依次采用磨砂工艺和抛光工艺对第一基片的待镀膜面进行处理，形成满足理论光圈指标的中间基片。
按照抛光速度，可以将抛光工艺分低抛光工艺和高抛光工艺；为了实现精细化的处理，步骤S21可以采用低抛工艺。按照抛光的工艺类型，抛光工艺可以包括机械抛光、化学抛光、电解抛光、超声波抛光或者磁研磨抛光等；为了提高原有工艺产线的利用率，步骤S21可以采用机械抛光。
需要说明的是，在采用磨砂工艺进行处理之前，还可以采用铣磨工艺进行处理，可以进一步缩短工艺时间。
经研究发现，经过步骤S21的处理之后，中间基片可以满足理论光圈指标，但是满足理论光圈局部误差指标的几率较低，因此需要后续采用步骤S22进行再次处理。
S22、采用离子束工艺对中间基片的待镀膜面进行处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片。
离子束工艺是一种基于离子源的现代化非接触式抛光技术，其运用物理碰撞方法进行抛光，具体的，可以利用中性离子束流轰击工件，去除其表面一定区域的原子或分子，达到超光滑抛光的目的。
经研究发现，经过步骤S22的处理之后，中间基片可以满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标，中间基片的光圈值会发生微量变化，但仍满足理论光圈局部误差指标。
可选的，为了提升产品良率，降低生产成本，步骤S21、依次采用磨砂工艺和抛光工艺对第一基片的待镀膜面进行处理，形成满足理论光圈指标的中间基片包括：
S211、依次采用磨砂工艺和抛光工艺对第一基片的待镀膜面进行处理，形成第一待检测基片。
步骤S211的相关工艺说明可以参考步骤S21，这里不再赘述。
S212、检测第一待检测基片的光圈指标是否满足理论光圈指标。
示例的，可以采用干涉仪检测第一待检测基片的光圈指标。
S213、根据检测结果确定第一待检测基片是否需要再次进行磨砂工艺和抛光工艺处理。
具体的，若第一待检测基片的光圈指标满足理论光圈指标，则第一待检测基片为满足理论光圈指标的中间基片，第一待检测基片不需要再次进行磨砂工艺和抛光工艺处理；若第一待检测基片的光圈指标不满足理论光圈指标，则第一待检测基片需要再次进行磨砂工艺和抛光工艺处理，直到第一待检测基片的光圈指标满足理论光圈指标。
可选的，为了提升产品良率，降低生产成本，步骤S22、采用离子束工艺对中间基片的待镀膜面进行处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片包括：
S221、采用离子束工艺对中间基片的待镀膜面进行处理，形成第二待检测基片。
步骤S221的相关工艺说明可以参考步骤S22，这里不再赘述。
S222、检测第二待检测基片的光圈局部误差指标是否满足理论光圈局部误差指标。
示例的，可以采用干涉仪检测第二待检测基片的光圈局部误差指标。需要说明的是，经研究发现，经过步骤221的处理后，第二待检测基片基本满足理论光圈指标，因此，为了减少工艺流程，节省制作时间，可以默认满足理论光圈指标，不再对第二待检测基片的光圈指标进行检测。
S223、根据检测结果确定第二待检测基片是否需要再次进行离子束工艺处理。
具体的，若第二待检测基片的光圈局部误差指标满足理论光圈局部误差指标，同时默认第二待检测基片满足理论光圈指标，则第二待检测基片为满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片，不需要再次进行离子束工艺处理；若第二待检测基片的光圈局部误差指标不满足理论光圈局部误差指标，则第二待检测基片需要再次进行离子束工艺处理，直到第二待检测基片的光圈局部误差指标满足理论光圈局部误差指标。
在一个或者多个实施例中，在步骤S2、对第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片之前，该方法还包括：
S100、获取预设光圈指标和预设光圈局部误差指标。
预设光圈指标和预设光圈局部误差指标属于已知参数，在制备之前预先制定。
S101、获取镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量。
示例的，可以通过对接近直圈的一组基片进行试验，获取镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量，其中接近直圈的基片是指：光圈值接近零的基片，例如：光圈值为0.02、0.05、0.07、0.08或者0.1。具体的，可以先检测镀膜前的光圈值和光圈局部误差值；然后对基片进行镀膜；接着，检测镀膜后的光圈值和光圈局部误差值；计算镀膜后的光圈值和镀膜前的光圈值的差值，得到镀膜前后光圈变化量；计算镀膜后的光圈局部误差值和镀膜后的光圈局部误差值的差值，得到镀膜前后光圈局部误差变化量。当然，还可以采用其他试验方法，这里不做限定。
S102、根据预设光圈指标和镀膜前后光圈变化量确定理论光圈指标。
示例的，若预设光圈指标N<0.25fr，经试验得到镀膜前后光圈变化量(即镀膜后光圈值与镀膜前光圈值的差值)为2.83fr，则理论光圈指标N1的范围为(-0.25-2.83)fr～(0.25-2.83)fr，即-3.08fr<N1<-2.58fr。
S103、根据预设光圈局部误差指标和镀膜前后光圈局部误差变化量确定理论光圈局部误差指标。
示例的，若预设光圈局部误差指标ΔN<0.2fr，经试验得到镀膜前后光圈局部误差变化量(即镀膜后光圈局部误差值与镀膜前光圈局部误差值的差值)为0.05fr，则理论光圈局部误差指标ΔN1满足：ΔN1<(0.2-0.05)fr，即ΔN1<0.15fr。
可选的，为了简化试验流程，降低试验成本，S101、获取镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量包括：
S1011、根据薄膜的应力公式计算膜层产生的应力值σ；其中，ES为基片的杨氏模量，vS为基片的泊松比，r为基片的曲率半径，tS为基片厚度，tf为薄膜厚度。
薄膜应力是重要的薄膜力学性能，在薄膜沉积过程中，薄膜应力的产生是不可避免的。研究表明，薄膜应力主要由热应力、内应力和外应力组成。上述应力公式可称为Stoney公式。
S1012、根据应力值，采用应力补偿法对测试基片进行试验，分别得到测试基片在镀膜前的光圈值和光圈局部误差值、以及镀膜后的光圈值和光圈局部误差值。
为了获取准确的试验数据，可以对多个测试基片进行试验，从而得到多个数据，进而得到包括一定变化范围的镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量。
应力补偿法的原理为：在薄膜应力的作用下，薄膜会产生收缩或扩张的趋势；压应力使得基片变凸，张应力使得基片变凹。根据Stoney公式计算得到的应力值，可以得到基片在镀膜后的第一变形状态；那么，在镀膜前(即抛光阶段)，可以将基片预加工成第二变形状态，第二变形状态与第一变形状态相反，例如：基片的第一变形状态为凸面形，则第二变形状态为凹面形；这样，在镀膜之后，薄膜应力产生的面形变形量可以抵消或者补偿抛光阶段基片的预加工面形，从而得到较为平整的镀膜基片，满足面形指标要求。
基于此，上述根据应力值，采用应力补偿法对测试基片进行试验具体可以包括：根据应力值对测试基片进行抛光处理，使得测试基片的面形处于与该应力值产生的变形相反的状态，并检测测试基片在镀膜前(即抛光后)的光圈值和光圈局部误差值；接着进行镀膜，并检测镀膜后的光圈值和光圈局部误差值。
S1013、根据镀膜前的光圈值和镀膜后的光圈值，确定镀膜前后光圈变化量。
具体的，计算镀膜后的光圈值和镀膜前的光圈值的差值，即可得到镀膜前后光圈变化量。
S1014、根据镀膜前的光圈局部误差值和镀膜后的光圈局部误差值，确定镀膜前后光圈局部误差变化量。
具体的，计算镀膜后的光圈局部误差值和镀膜前的光圈局部误差值的差值，即可得到镀膜前后光圈局部误差变化量。
本发明实施例再提供一种镀膜前后光圈变化量的获取方法，具体的，可以通过计算镀膜前后矢高值的变化量，得到镀膜前后光圈变化量。
矢高值(Power，P)是衡量薄膜元件残余应力大小的参数，将元件波前形状视为球面进行拟合，元件表面中心点到最佳拟合球面相应点的距离即为矢高值。镀膜前后光圈变化量与镀膜前后矢高值的变化量基本一致。
下面说明镀膜前后矢高值的变化量的计算公式。
根据前述可知，膜层产生的应力值σ可以根据薄膜的应力公式计算；其中，ES为基片的杨氏模量，vS为基片的泊松比，r为基片的曲率半径，tS为基片厚度，tf为薄膜厚度。
参考图7所示，通常薄膜应力造成的基片100弯曲很小，由于θ足够小，因此Ds＝2rθ，其中，Ds为基片直径，r为基片的曲率半径，θ为如图7所示的夹角。
矢高值Power的数值有正负之分，正值代表元件表面凹陷，负值代表元件表面凸起，矢高值Power和曲率半径r的关系近似满足：
镀膜前后矢高值的变化量ΔPower的计算式为：
其中，Power1为镀膜后的矢高值，Power2为镀膜前的矢高值，r1为镀膜后的基片的曲率半径，r2为镀膜前的基片的曲率半径。
根据镀膜前后矢高值的变化量ΔPower的公式以及前述薄膜的应力公式，可以得到镀膜前后矢高值的变化量ΔPower与膜层产生的应力值σ之间的关系式为：
因此，可以先根据薄膜的应力公式计算得到膜层产生的应力值σ，再根据镀膜前后矢高值的变化量ΔPower与膜层产生的应力值σ之间的关系式计算得到镀膜前后矢高值的变化量ΔPower，镀膜前后矢高值的变化量ΔPower即为镀膜前后光圈变化量。
下面以制备单面反射镜为例具体说明上述制备方法。
单面反射镜的光学曲线指标为：Ravg>99％，R>98％@400-675nm，45-67.5deg，即入射角度为45-67.5deg，波段400-675nm下的平均反射率Ravg大于99％，反射率R大于98％。同时，该单面反射镜的面形指标：预设光圈指标N<0.25fr，预设光圈局部误差指标ΔN<0.2fr，即光圈在±0.25fr以内，光圈局部误差在0.2fr以内为合格品。该单面反射镜包括基片和多层镀膜层，基片的材料包括K9玻璃，多层镀膜层包括在基片的镀膜面上交替叠层设置的Ti3O5层和SiO2层，Ti3O5层的折射率大于SiO2层的折射率。
参考图5所示，该单面反射镜的制备方法包括：
S300、根据薄膜的应力公式计算膜层产生的应力值σ；其中，ES＝75Gpa，vS＝0.21，r＝56mm，tS＝7.5mm，tf＝6910.69nm。
S301、根据应力值，采用应力补偿法对测试基片进行试验，分别得到测试基片在镀膜前的光圈值和光圈局部误差值、以及镀膜后的光圈值和光圈局部误差值。
测试基片的材料与上述单面反射镜的基片材料相同，也为K9玻璃；采用5件接近直圈的测试基片进行试验，可以得到表1。
表1
编号 镀前N(fr) 镀前ΔN(fr) 镀后N(fr) 镀后ΔN(fr)
1# 0.08 0.26 3.01 0.29
2# 0.1 0.42 2.96 0.63
3# 0.05 0.31 3.02 0.64
4# 0.02 0.82 2.84 1.24
5# 0.07 0.43 2.64 0.91
表1为λ为632.8nm下的光圈及光圈局部误差数据，其中，第一列表示5件光圈值不同但是材料相同的测试基片，分别用编号1#、2#、3#、4#、5#表示；第二列镀前N(fr)表示镀膜前的光圈值；第三列镀前ΔN(fr)表示镀膜前的光圈局部误差值；第四列镀后N(fr)表示镀膜后的光圈值；第五列镀后ΔN(fr)表示镀膜后的光圈局部误差值。
S302、根据镀膜前的光圈值和镀膜后的光圈值，确定镀膜前后光圈变化量。
将表1中第三列的数值减去第二列的数值，即可得到镀膜前后光圈变化量为2.5fr～3fr，均值为2.83fr。
S303、根据镀膜前的光圈局部误差值和镀膜后的光圈局部误差值，确定镀膜前后光圈局部误差变化量。
将表1中第五列的数值减去第三列的数值，即可得到镀膜前后光圈局部误差变化量为0fr～0.5fr。
S304、根据预设光圈指标和镀膜前后光圈变化量确定理论光圈指标。
预设光圈指标N<0.25fr，镀膜前后光圈变化量为2.5fr～3fr，均值为2.83fr；以镀膜前后光圈变化量的均值2.83fr进行计算，理论光圈指标N1的范围为(-0.25-2.83)fr～(0.25-2.83)fr，即-3.08fr<N1<-2.58fr。
S305、根据预设光圈局部误差指标和镀膜前后光圈局部误差变化量确定理论光圈局部误差指标。
预设光圈局部误差指标ΔN<0.2fr，镀膜前后光圈局部误差变化量为0fr～0.5fr；以镀膜前后光圈局部误差变化量0.05fr进行计算，理论光圈局部误差指标ΔN1满足：ΔN1<(0.2-0.05)fr，即ΔN1<0.15fr。
S306、依次采用磨砂工艺和抛光工艺对单面反射镜的基片的待镀膜面进行处理，形成第一待检测基片。
S307、检测第一待检测基片的光圈指标是否满足理论光圈指标。
S308、根据检测结果确定第一待检测基片是否需要再次进行磨砂工艺和抛光工艺处理。
若第一待检测基片的光圈指标满足理论光圈指标，则第一待检测基片为满足理论光圈指标的中间基片，不需要再次进行磨砂工艺和抛光工艺处理，继续执行步骤S308；若第一待检测基片的光圈指标不满足理论光圈指标，则第一待检测基片需要再次执行步骤S306-S308，直到第一待检测基片的光圈指标满足理论光圈指标。
选用10件毛坯进行制备，经过步骤S306-S308后，可以得到如表2所示的数据。
表2
编号 N(fr) ΔN(fr)
1# -3.01 0.46
2# -3.06 0.42
3# -2.05 0.53
4# -3.02 0.64
5# -2.77 0.15
6# -2.69 0.18
7# -2.86 0.41
8# -2.79 0.35
9# -2.74 0.63
10# -2.85 0.52
表2为λ为632.8nm下经过磨砂、抛光后的第一待检测基片的光圈值及光圈局部误差值，其中，第一列表示10件测试基片，分别用编号1#、2#、3#……10#表示；第二列N(fr)表示经过磨砂、抛光后的光圈值；第三列ΔN(fr)表示经过磨砂、抛光后的光圈局部误差值。
从表2中可以得到，经过磨砂、抛光后的光圈值全部满足理论光圈指标-3.08fr<N1<-2.58fr，经过磨砂、抛光后的光圈局部误差值只有极少数满足理论光圈局部误差指标ΔN1<0.15fr。
S309、采用离子束工艺对满足理论光圈指标的第一待检测基片的待镀膜面进行处理，形成第二待检测基片。
S310、检测第二待检测基片的光圈局部误差指标是否满足理论光圈局部误差指标。
S311、根据检测结果确定第二待检测基片是否需要再次进行离子束工艺处理。
若第二待检测基片的光圈局部误差指标满足理论光圈局部误差指标，则第二待检测基片不需要再次进行离子束工艺处理，继续执行步骤S312；若第二待检测基片的光圈局部误差指标不满足理论光圈局部误差指标，则第二待检测基片需要再次执行步骤S309-S311，直到第二待检测基片的光圈局部误差指标满足理论光圈局部误差指标。
表2所示的10件基片经过步骤S309-S311后，可以得到如表3所示的数据。
表3
编号 N(fr) ΔN(fr)
1# -2.98 0.14
2# -3.08 0.09
3# -2.1 0.13
4# -3.08 0.09
5# -2.72 0.15
6# -2.65 0.11
7# -2.81 0.14
8# -2.72 0.13
9# -2.7 0.12
10# -2.92 0.09
表3为λ为632.8nm下经过离子束工艺后的第二待检测基片的光圈值及光圈局部误差值，其中，第一列表示10件测试基片，分别用编号1#、2#、3#……10#表示；第二列N(fr)表示经过离子束工艺后的光圈值；第三列ΔN(fr)表示经过离子束工艺后的光圈局部误差值。
从表3中可以得到，经过离子束工艺后的光圈值相比表2中的相应数据略有变化，但仍全部满足理论光圈指标-3.08fr<N1<-2.58fr，经过离子束工艺后的光圈局部误差值全部满足理论光圈局部误差指标ΔN1<0.15fr。
S312、采用真空镀膜工艺在满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二待检测基片的待镀膜面上形成多层交替叠层设置的Ti3O5层和SiO2层，得到待检测元件。
可以利用莱宝ARES1110真空镀膜设备，在真空度2.5E-3PA、温度200℃、蒸发速率0.3nm/s、主离子源工作气体为氩气、离子束电压800V、离子束电流300mA、氧流量为20sccm的环境下进行高反膜的镀制试验。
S313、判断待检测元件是否满足预设光圈指标。
经研究发现，待检测元件基本可以满足预设光圈指标，为了减少工艺流程，节省制作时间，步骤S313仅判断待检测元件是否满足预设光圈指标。
表3所示的10件基片经过步骤S312-S313后，可以得到如表4所示的数据。
表4
编号 N(fr) ΔN(fr)
1# -0.27 0.19
2# -0.30 0.2
3# 0.66 0.18
4# -0.08 0.17
5# 0.24 0.16
6# 0.35 0.17
7# 0.01 0.18
8# 0.08 0.19
9# 0.05 0.2
10# 0.12 0.18
表4为λ为632.8nm下真空镀膜工艺后形成的待检测元件的光圈值及光圈局部误差值，其中，第一列表示10件待检测元件，分别用编号1#、2#、3#……10#表示；第二列N(fr)表示真空镀膜工艺后的光圈值；第三列ΔN(fr)表示真空镀膜工艺后的光圈局部误差值。
S314、根据判断结果确定待检测元件是否为合格产品。
若是，则待检测元件即为满足相应指标的单面反射镜。对该单面反射镜进行入射角度为45deg的仿真试验，可以得到图6。参考图6所示，该单面反射镜在入射角度为45deg，波段400-675nm下的平均反射率大于99％，反射率大于98％，满足初始目标。图6中，横坐标表示波长，单位为nm；纵坐标表示反射率，单位为％；其中曲线1表示平均反射率，曲线2和曲线3分别表示S光和P光下的反射率。示例的，表4中，4#、5#、7#、8#、9#、10#代表的待检测元件为合格产品。
若否，则可以执行步骤S315，以提高产品良率。示例的，表4中，1#、2#、3#、6#代表的待检测元件为非合格产品。
S315、在根据判断结果确定待检测元件为非合格产品的情况下，对待检测元件进行后处理，形成满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标的单面反射镜。
具体的，在待检测元件的光圈指标小于预设光圈指标的情况下，采用退火工艺对待检测元件进行处理。
示例的，表4中，1#、2#代表的待检测元件的光圈指标小于预设光圈指标，光圈数值偏凹，经过高温退火工艺后，可以得到表5所示的数据。
表5
编号 N(fr) ΔN(fr)
1# -0.25 0.18
2# -0.24 0.19
表5为λ为632.8nm下经过高温退火工艺后的待检测元件的光圈值及光圈局部误差值，其中，第一列表示编号1#和2#的待检测元件；第二列N(fr)表示经过高温退火工艺后的光圈值；第三列ΔN(fr)表示经过高温退火工艺后的光圈局部误差值。从表5中可以得到，经过高温退火工艺后，1#、2#代表的待检测元件的光圈指标满足预设光圈指标，光圈局部误差指标满足预设光圈局部误差指标，转为合格产品。
或者，在待检测元件的光圈指标小于预设光圈指标的情况下，在待检测元件的镀膜面形成补镀膜。
示例的，表4中，1#、2#代表的待检测元件的光圈指标小于预设光圈指标，光圈数值偏凹，经过在待检测元件的镀膜面形成补镀膜后，可以得到表6所示的数据。形成的补镀膜为SIO2补镀膜，厚度为800nm。SIO2补镀膜的厚度可以根据前述薄膜的应力公式和镀膜前后矢高值的变化量与膜层产生的应力值之间的关系式确定，具体公式可以参考相关技术获得，这里不再赘述。
表6
编号 N(fr) ΔN(fr)
1# -0.08 0.18
2# -0.11 0.19
表6为λ为632.8nm下经过补镀SIO2补镀膜后的待检测元件的光圈值及光圈局部误差值，其中，第一列表示编号1#和2#的待检测元件；第二列N(fr)表示经过补镀SIO2补镀膜后的光圈值；第三列ΔN(fr)表示经过补镀SIO2补镀膜后的光圈局部误差值。从表6中可以得到，经过补镀SIO2补镀膜后后，1#、2#代表的待检测元件的光圈指标满足预设光圈指标，光圈局部误差指标满足预设光圈局部误差指标，转为合格产品。对该待检测元件进行入射角度为45deg的仿真试验，得到图8所示光学曲线。图8中，横坐标表示波长，单位为nm；纵坐标表示反射率，单位为％；其中曲线4表示平均反射率，曲线5和曲线6分别表示S光和P光下的反射率，从图8中可以看出，该待检测元件在入射角度为45deg，波段400-675nm下的平均反射率大于99％，反射率大于98％，满足初始目标。
在待检测元件的光圈指标大于预设光圈指标的情况下，采用磨砂工艺对待检测元件的非镀膜面进行处理。
示例的，表4中，3#、6#代表的待检测元件的光圈指标大于预设光圈指标，光圈数值偏凸，经过非镀膜面的磨砂工艺后，可以得到表7所示的数据。
表7
编号 N(fr) ΔN(fr)
3# 0.25 0.17
6# 0.14 0.18
表7为λ为632.8nm下经过磨砂工艺后的待检测元件的光圈值及光圈局部误差值，其中，第一列表示编号3#和6#的待检测元件；第二列N(fr)表示经过磨砂工艺后的光圈值；第三列ΔN(fr)表示经过磨砂工艺后的光圈局部误差值。从表7中可以得到，经过磨砂工艺后，3#和6#代表的待检测元件的光圈指标满足预设光圈指标，光圈局部误差指标满足预设光圈局部误差指标，转为合格产品。
本发明的实施例还提供了一种光学薄膜元件，该光学薄膜元件采用上述的制备方法形成；该光学薄膜元件可以是双面镀膜元件，例如：双面反射镜等；或者，还可以是单面镀膜元件，例如：单面反射镜等，这里不做限定。该光学薄膜元件的表面面形指标能满足预设要求，性能好，质量高。
本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。所最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光学薄膜元件的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一基片，其中，所述第一基片包括待镀膜面；
对所述第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片；
采用镀膜工艺在所述第二基片的待镀膜面上形成多层镀膜层，得到待检测元件；
判断所述待检测元件是否满足预设光圈指标和预设光圈局部误差指标；
根据判断结果确定所述待检测元件是否为合格产品；
所述对所述第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片之前，还包括：
获取所述预设光圈指标和所述预设光圈局部误差指标；
获取镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量；
根据所述预设光圈指标和所述镀膜前后光圈变化量确定所述理论光圈指标；
根据所述预设光圈局部误差指标和所述镀膜前后光圈局部误差变化量确定所述理论光圈局部误差指标。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在根据判断结果确定所述待检测元件为非合格产品之后，所述方法还包括：
对所述待检测元件进行后处理，形成满足所述预设光圈指标和所述预设光圈局部误差指标的光学薄膜元件。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述待检测元件的光圈指标小于所述预设光圈指标的情况下，所述对所述待检测元件进行后处理包括：
采用退火工艺对所述待检测元件进行处理；或者，在所述待检测元件的镀膜面形成补镀膜。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述待检测元件的光圈指标大于所述预设光圈指标、且所述待检测元件包括非镀膜面的情况下，所述对所述待检测元件进行后处理包括：
采用磨砂工艺对所述待检测元件的非镀膜面进行处理。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述第一基片的待镀膜面进行预处理，形成满足理论光圈指标和理论光圈局部误差指标的第二基片包括：
依次采用磨砂工艺和抛光工艺对所述第一基片的待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标的中间基片；
采用离子束工艺对所述中间基片的待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标和所述理论光圈局部误差指标的第二基片。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述依次采用磨砂工艺和抛光工艺对所述第一基片的所述待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标的中间基片包括：
依次采用磨砂工艺和抛光工艺对所述第一基片的待镀膜面进行处理，形成第一待检测基片；
检测所述第一待检测基片的光圈指标是否满足所述理论光圈指标；
根据检测结果确定所述第一待检测基片是否需要再次进行磨砂工艺和抛光工艺处理。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述采用离子束工艺对所述中间基片的待镀膜面进行处理，形成满足所述理论光圈指标和所述理论光圈局部误差指标的第二基片包括：
采用离子束工艺对所述中间基片的待镀膜面进行处理，形成第二待检测基片；
检测所述第二待检测基片的光圈局部误差指标是否满足所述理论光圈局部误差指标；
根据检测结果确定所述第二待检测基片是否需要再次进行离子束工艺处理。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述获取镀膜前后光圈变化量和镀膜前后光圈局部误差变化量包括：
根据薄膜的应力公式计算膜层产生的应力值σ；其中，ES为基片的杨氏模量，vS为基片的泊松比，r为基片的曲率半径，tS为基片厚度，tf为薄膜厚度；
根据所述应力值，采用应力补偿法对测试基片进行试验，分别得到所述测试基片在镀膜前的光圈值和光圈局部误差值、以及镀膜后的光圈值和光圈局部误差值；
根据所述镀膜前的光圈值和所述镀膜后的光圈值，确定所述镀膜前后光圈变化量；
根据所述镀膜前的光圈局部误差值和所述镀膜后的光圈局部误差值，确定所述镀膜前后光圈局部误差变化量。
9.一种光学薄膜元件，其特征在于，所述光学薄膜元件采用权利要求1-8任一项所述的制备方法形成。
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