[发明专利]改善球面光学元件镀膜均匀性的挡板的设计方法

摘要

一种用于行星转动系统镀膜机内改善球面光学元件镀膜均匀性的挡板设计方法。建立镀膜模型和设计了具有抛物线轮廓的平面修正挡板。本发明挡板用于镀膜实验表明，在通光口径与曲率半径比值范围（－1.9～+1.9）内改善膜厚均匀性达到97.5%以上，且对凸球面光学元件和凹球面光学元件都适用。

主权项

1.一种行星转动系统镀膜机内改善球面光学元件镀膜均匀性的挡板设计方法，其特征在于该方法包括下列步骤：（1）根据行星转动系统镀膜机的真空室配置情况，建立行星转动系统镀膜机内球面光学元件镀膜模型：行星转动夹具上一个通光口径为CA，曲率半径为RoC的球面元件Sub，该球面元件上的一个点P(x,y,z)，单位时间内蒸发到该点上的膜厚为：其中，A为一个常数；r是从蒸发源S(x_s,y_s,z_s)指向点P(x,y,z)的矢量r的长度；是蒸发源表面法线矢量s与所述的矢量r的夹角，即蒸发角；θ是点p指向球心O(x_o,y_o,z_o)的矢量c与矢量r的夹角，即沉积角；n为蒸发源蒸发特性参数，行星转动盘和蒸发源S平行且将球面光学元件Sub安置在行星盘中心，在直角坐标系中：r=|r|=(x-xs)2+(y-ys)2+(z-zs)2---(2)]]>cosθ=(-1)Mr·c|r|·|c|=(x-xs)(xo-x)+(y-ys)(yo-y)+(z-zs)(zo-z)r·RoC---(4)]]>xo=Rsinαyo=Rcosαzo=H+(-1)MRoC2-CA2/4---(5)]]>x=Rsinα+Lsin(Kα+α+β)y=Rcosα+Lcos(Kα+α+β)z=H+(-1)M(RoC2-CA2/4-RoC2-L2)---(6)]]>其中M用来区分凹凸球面，对于凸球面M=0，对于凹球面M=1，R为行星轨道半径，L为点P到球心O的水平距离且L∈[0,CA/2]，K为行星盘自转和公转转速比，H为行星盘高度，α为行星盘公转角度，β为点P初始自转角度且β∈[0,2π]，经过上述转化，对于确定的球面元件参数(CA,RoC,M),镀膜机配置参数(R,K,H,x_s,y_s,z_s)和蒸发源蒸发特性参数n，利用将膜厚表达式（1）转化直角坐标系，上述公式（1）的膜厚可以转化为自变量(L,β,α)的函数t(L,β,α)，当公转一定角度后，点P的膜厚为t(L,β,α)对α的积分，即为t(L,β)=∫02πFt(L,β,α)dα---(7)]]>其中F为公转圈数，(L,β)确定了点P在球面元件上的位置，t(L,β)确定了整个球面元件上的膜厚分布；（2）加入自阴影修正参数E(L,β,α)：凸球面元件的自阴影修正参数为：对于凹球面元件，连接点P和蒸发源S的直线上的z_b＝H的一点B(x_b,y_b,z_b)的坐标为：xb=(x-xs)(H-zs)/(z-zs)+xsyb=(y-ys)(H-zs)/(z-zs)+yszb=Hb---(9)]]>这一点到通光口径中心(x_O,y_O,H)的距离为则E(L,β,α)=1,d≤CA/20,d>CA/2---(10)]]>此时膜厚即为不加修正挡板时球面光学元件上点P的薄膜厚度，公式（7）的膜厚变为：t(L,β)=∫02πFt(L,β,α)E(L,β,α)dα---(11)]]>计算不同位置的点膜厚，获得球面光学元件无挡板时的膜厚分布；（3）通过比较无修正挡板时球面光学元件上膜厚的理论分布与实验分布确定蒸发源的蒸发特性n：在具有和球面光学元件相同的曲率半径和通光口径的夹具上径向方向上开孔，在不同的径向位置上放置空白基片，将此夹具安装在行星盘中心作基底，根据实际镀制光学薄膜的工艺条件在无修正挡板情况下镀制光学薄膜，对各已镀膜的基片进行膜厚测量，用基片上的膜厚代表光学元件对应位置处的膜厚，绘制出实际膜厚分布曲线后，以蒸发源的蒸发特性n值为变量将通过公式（11）计算得到的理论膜厚分布曲线与实际膜厚分布曲线使用最小二乘法进行拟合，目标函数为最小值时的n值，即为实际蒸发源的蒸发特性n值；（4）确定行星转动系统镀膜机内球面光学元件镀膜均匀性的修正挡板的形状和位置：具有抛物线轮廓的平面修正挡板Mask，固定在真空室内，挡板外形的待定方程组为：ymask=a1(xmask+a2)2+a3xmask∈[a4,a5]ymask=a6(xmask+a7)2+a8xmask∈[a4,a5]xmask=a4xmask=a5---(12)]]>其中，(x_mask,y_mask)是挡板轮廓线上点的坐标，(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈)是待定方程的待定参数，y_mask＝a₁(x_mask+a₂)²+a₃x_mask∈[a₄,a₅]和y_mask＝a₆(x_mask+a₇)²+a₈x_mask∈[a_4,a₅]表示两条抛物线，x_mask＝a₄和x_mask＝a₅表示两条直线，这四条线围成一个闭合区域Ar即挡板区域，挡板高度为H_m，连接点P和蒸发源S的直线在高度为z_m＝H_m处的一点D(x_m,y_m,z_m)的坐标为：xm=(x-xs)(zm-zs)/(z-zs)+xsym=(y-ys)(zm-zs)/(z-zs)+yszm=Hm---(13)]]>当点D(x_m,y_m,z_m)在上述挡板区域Ar内时，即连接点P和蒸发源S的直线通过挡板区域Ar时，蒸发分子被修正档板挡住，N(L,β,α)＝0；当点D(x_m,y_m,z_m)在上述挡板区域Ar外时，蒸发分子不被修正档板挡住，N(L,β,α)＝1；采用上述的平面修正挡板的膜厚为：t(L,β)=∫02πFt(L,β,α)E(L,β,α)N(L,β,α)dα---(14)]]>在L∈[0,CA/2]，β∈[0,2π]范围内计算球面元件上不同位置处的膜厚，得到最厚点的膜厚t_max，球面元件上不同位置处的相对膜厚为球面元件上膜厚最薄点处的相对膜厚Relt_min即为球面元件的镀膜均匀性，使用Merit为目标方程Merit＝100%-Relt_min   （16）同时使用Matlab软件的优化工具箱，对于挡板方程参数(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈)以及挡板高度H_m输入初始参数，以一个确定的均匀性要求Merit为目标方程使用计算机优化挡板方程参数(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈)以及挡板高度H_m，得到挡板的形状及位置；（5）当使用一个挡板优化时的均匀性达不到所需要求时，多加一个挡板，与第一个挡板采用不同的方程参数，提供更多的方程参数进行优化，如达不到均匀性要求再加一个，以此类推，直至球面元件镀膜均匀性达到要求为止。