[發明專利]改善球面光學元件鍍膜均勻性的擋板的設計方法

有效

• 申請號: 201310684126.0
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103726019A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 孫建;張偉麗;易葵;邵建達
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: C23C14/24
• 分類號: C23C14/24;C23C14/54
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種行星轉動系統鍍膜機內改善球面光學元件鍍膜均勻性的擋板設計方法，其特征在于該方法包括下列步驟：

（1）根據行星轉動系統鍍膜機的真空室配置情況，建立行星轉動系統鍍膜機內球面光學元件鍍膜模型：

行星轉動夾具上一個通光口徑為CA，曲率半徑為RoC的球面元件Sub，該球面元件上的一個點P(x,y,z)，單位時間內蒸發到該點上的膜厚為：

其中，A為一個常數；r是從蒸發源S(x_s,y_s,z_s)指向點P(x,y,z)的矢量r的長度；是蒸發源表面法線矢量s與所述的矢量r的夾角，即蒸發角；θ是點p指向球心O(x_o,y_o,z_o)的矢量c與矢量r的夾角，即沉積角；n為蒸發源蒸發特性參數，行星轉動盤和蒸發源S平行且將球面光學元件Sub安置在行星盤中心，在直角坐標系中：

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用來區分凹凸球面，對于凸球面M=0，對于凹球面M=1，R為行星軌道半徑，L為點P到球心O的水平距離且L∈[0,CA/2]，K為行星盤自轉和公轉轉速比，H為行星盤高度，α為行星盤公轉角度，β為點P初始自轉角度且β∈[0,2π]，經過上述轉化，對于確定的球面元件參數(CA,RoC,M),鍍膜機配置參數(R,K,H,x_s,y_s,z_s)和蒸發源蒸發特性參數n，利用將膜厚表達式（1）轉化直角坐標系，上述公式（1）的膜厚可以轉化為自變量(L,β,α)的函數t(L,β,α)，當公轉一定角度后，點P的膜厚為t(L,β,α)對α的積分，即為

t(L,β)=∫02πFt(L,β,α)dα---(7)]]>

其中F為公轉圈數，(L,β)確定了點P在球面元件上的位置，t(L,β)確定了整個球面元件上的膜厚分布；

（2）加入自陰影修正參數E(L,β,α)：

凸球面元件的自陰影修正參數為：

對于凹球面元件，連接點P和蒸發源S的直線上的z_b＝H的一點B(x_b,y_b,z_b)的坐標為：

xb=(x-xs)(H-zs)/(z-zs)+xsyb=(y-ys)(H-zs)/(z-zs)+yszb=Hb---(9)]]>

這一點到通光口徑中心(x_O,y_O,H)的距離為則

E(L,β,α)=1,d≤CA/20,d>CA/2---(10)]]>

此時膜厚即為不加修正擋板時球面光學元件上點P的薄膜厚度，公式（7）的膜厚變為：

t(L,β)=∫02πFt(L,β,α)E(L,β,α)dα---(11)]]>

計算不同位置的點膜厚，獲得球面光學元件無擋板時的膜厚分布；

（3）通過比較無修正擋板時球面光學元件上膜厚的理論分布與實驗分布確定蒸發源的蒸發特性n：

在具有和球面光學元件相同的曲率半徑和通光口徑的夾具上徑向方向上開孔，在不同的徑向位置上放置空白基片，將此夾具安裝在行星盤中心作基底，根據實際鍍制光學薄膜的工藝條件在無修正擋板情況下鍍制光學薄膜，對各已鍍膜的基片進行膜厚測量，用基片上的膜厚代表光學元件對應位置處的膜厚，繪制出實際膜厚分布曲線后，以蒸發源的蒸發特性n值為變量將通過公式（11）計算得到的理論膜厚分布曲線與實際膜厚分布曲線使用最小二乘法進行擬合，目標函數為最小值時的n值，即為實際蒸發源的蒸發特性n值；

（4）確定行星轉動系統鍍膜機內球面光學元件鍍膜均勻性的修正擋板的形狀和位置：

具有拋物線輪廓的平面修正擋板Mask，固定在真空室內，擋板外形的待定方程組為：

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)是擋板輪廓線上點的坐標，(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈)是待定方程的待定參數，y_mask＝a₁(x_mask+a₂)²+a₃x_mask∈[a₄,a₅]和y_mask＝a₆(x_mask+a₇)²+a₈x_mask∈[a_4,a₅]表示兩條拋物線，x_mask＝a₄和x_mask＝a₅表示兩條直線，這四條線圍成一個閉合區域Ar即擋板區域，擋板高度為H_m，連接點P和蒸發源S的直線在高度為z_m＝H_m處的一點D(x_m,y_m,z_m)的坐標為：

xm=(x-xs)(zm-zs)/(z-zs)+xsym=(y-ys)(zm-zs)/(z-zs)+yszm=Hm---(13)]]>

當點D(x_m,y_m,z_m)在上述擋板區域Ar內時，即連接點P和蒸發源S的直線通過擋板區域Ar時，蒸發分子被修正檔板擋住，N(L,β,α)＝0；當點D(x_m,y_m,z_m)在上述擋板區域Ar外時，蒸發分子不被修正檔板擋住，N(L,β,α)＝1；采用上述的平面修正擋板的膜厚為：

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]范圍內計算球面元件上不同位置處的膜厚，得到最厚點的膜厚t_max，球面元件上不同位置處的相對膜厚為

球面元件上膜厚最薄點處的相對膜厚Relt_min即為球面元件的鍍膜均勻性，使用Merit為目標方程

Merit＝100%-Relt_min???（16）

同時使用Matlab軟件的優化工具箱，對于擋板方程參數(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈)以及擋板高度H_m輸入初始參數，以一個確定的均勻性要求Merit為目標方程使用計算機優化擋板方程參數(a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆,a₇,a₈)以及擋板高度H_m，得到擋板的形狀及位置；

（5）當使用一個擋板優化時的均勻性達不到所需要求時，多加一個擋板，與第一個擋板采用不同的方程參數，提供更多的方程參數進行優化，如達不到均勻性要求再加一個，以此類推，直至球面元件鍍膜均勻性達到要求為止。