CN104834033A - 一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法 - Google Patents

Abstract

一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，其主要包括清洗基底、放置基底、涂胶、静置、匀胶、二次涂胶、二次匀胶、第N次涂胶、第N次匀胶、静置48小时以上、烤胶、揭胶等步骤。本发明方法可用于制备口径≤300mm、面形精度PV<0.5μm、膜层厚度可控的多台阶或连续台阶透明膜基衍射光学元件，解决制备过程中面形精度低、膜层厚度不可控、透明膜基衍射光学元件衍射效率低的问题。

Description

一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件用膜层的制备方法，可用于制备口径≤300mm、面形精度PV<0.5μm、膜层厚度可控的多台阶或连续台阶透明膜基衍射光学元件。

背景技术

光学遥感器要实现超高分辨率，必须采用大口径光学主镜。但传统光学玻璃镜头受重量、加工、检测等条件的约束，随着光学系统口径的增大，加工难度和成本将大幅飙升。

透明膜基衍射光学元件作为空间光学镜头，可满足超高分辨率技术对大口径主镜的需求。透明膜基衍射光学元件质量轻、体积小、可折叠展开，可采用拼接形式制备大口径光学主镜。同时，透明膜基衍射光学元件也可用于负热膨胀或零膨胀无机薄膜、智能手机用覆盖膜、收集太阳能主镜、高性能绝缘胶带、软性电路板、陶瓷片替代等各种用途。

现有的制备透明膜基衍射光学元件的方法，一方面利用的是非透明液态聚酰亚胺，更重要的是制备的透明膜基衍射光学元件衍射效率都小于50％。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，可以解决制备过程中面形精度低、膜层厚度不可控、透明膜基衍射光学元件衍射效率低的问题。

本发明的技术解决方案是：一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，包括如下步骤：

(1)制备带衍射条纹的基底，并对带衍射条纹的基底进行清洗，去除带衍射条纹的基底表面上的油脂和灰尘；

(2)放置基底，将带衍射条纹的基底正中放置在水平的旋转平台上，并确保带衍射条纹的基底中心与旋转平台的中心重合；

(3)在真空环境下，利用量杯或者滴管将透明液态聚酰亚胺缓慢滴涂在带衍射条纹的基底正中央，使透明液态聚酰亚胺在黏滞力的作用下自由向四周流动，待透明液态聚酰亚胺布满整个带衍射条纹的基底时，停止滴涂；

(4)将布满透明液态聚酰亚胺的带衍射条纹的基底静置十至二十分钟，去除带衍射条纹的基底中央透明液态聚酰亚胺与四周透明液态聚酰亚胺之间的内压差；

(5)转动旋转平台，使得透明液态聚酰亚胺在离心力的作用下在带衍射条纹的基底表面趋于平整；

(6)采用步骤(3)的滴涂方法，在带衍射条纹的基底表面上再次进行涂胶，然后采用步骤(5)的方法使得再次涂胶后的带衍射条纹的基底表面趋于平整；

(7)根据所要求的光学元件用透明衍射薄膜的厚度，重复步骤(6)N次，N为正整数，直至带衍射条纹的基底上的聚酰亚胺的厚度满足要求；

(8)将步骤(7)得到的带衍射条纹的基底静置48小时以上；

(9)将步骤(8)得到的带衍射条纹的基底放入烤胶机中，且涂覆有透明液态聚酰亚胺的表面朝上，烘烤至透明液态聚酰亚胺完全凝固后，关闭烤胶机电源，使带衍射条纹的基底自然冷却至环境温度；

(10)利用片状硬物将透明聚酰亚胺膜四周与带衍射条纹的基底分离。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用清洗基底、放置基底、涂胶、静置、匀胶、二次涂胶、二次匀胶、第N次涂胶、第次匀胶、静置48小时以上、烤胶、揭胶等步骤，利用透明液态聚酰亚胺制备透明膜基衍射光学元件，可以解决透明膜基衍射光学元件制备过程中面形精度低、膜层厚度不可控、透明膜基衍射光学元件衍射效率低的问题。本发明结合实际制备透明膜基衍射光学元件的经验，提出了采用旋涂法制备高精度透明聚酰亚胺衍射薄膜的方法，制备的透明聚酰亚胺衍射薄膜面形精度高、厚度可控、口径可达到300mm，面形精度PV<0.5μm。并且该方法制备的透明聚酰亚胺衍射薄膜一致性高，可复制性好、质量轻、体积小，可量化生产，未来可用于制作大口径光学镜头，或轻小型空间光学遥感器光学镜头，也可以用作负热膨胀或零膨胀无机薄膜、智能手机用覆盖膜、收集太阳能主镜、高性能绝缘胶带、软性电路板、陶瓷片替代等。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明带衍射条纹的基底结构示意图；

图3为利用本发明方法制备的四台阶透明膜基衍射光学元件衍射效率测试结果。

具体实施方式

如图1所示，为本发明透明衍射薄膜的旋涂制备流程图，主要包括清洗基底、放置基底、涂胶、静置、匀胶、二次涂胶、二次匀胶、N次涂胶、N次匀胶、静置48小时以上、烤胶、揭胶等操作，其中涉及的操作设备包括带衍射条纹的基底、旋转平台、量杯/滴管、透明液态聚酰亚胺、烤胶机。

具体制备步骤如下：

第一步：清洗基底，在千级洁净室内，用去离子水冲洗基底，并用氮气吹干。

本发明的带衍射条纹的基底结构如图2所示，带衍射条纹的基底可以是玻璃、铝板等轻质、易刻蚀的材料，衍射条纹形状可以是如图2(a)所示的四台阶形，也可以是如图2(b)所示的连续台阶形或其它形式，带衍射条纹的基底口径最大可以为300mm。

带衍射条纹的基底制备方法较多，包括光刻、纳米压印、化学刻蚀等方法。本发明使用的带衍射条纹的基底是利用光刻法制备。

清洗带衍射条纹的基底是制备高精度透明衍射薄膜的关键。带衍射条纹的基底表面通常会附着一些油脂和灰尘，需要在千级洁净实验室内，依次进行CCl₄浸泡、超声波超声、大量去离子水冲洗、丙酮浸泡、超声波超声、大量去离子水冲洗、氮气吹干等步骤，以将带衍射条纹的基底清洗干净备使用。

第二步：放置基底，将带衍射条纹的基底正中放置在旋转平台上。

旋转平台需要放置在高水平度的光学平台上，并利用水平仪调整旋转平台使其处于绝对水平的位置。旋转平台配有标准尺寸的精确对心装置，可用于对100mm、150mm、200mm、250mm、300mm口径的带衍射条纹的基底进行精确对心放置，以免非对心引起同一环面上离心力不同，从而引发薄膜厚度不均匀。操作者需佩戴清洁塑胶手套或利用基底夹具，将带衍射条纹的基底放置在旋转平台上，务必保证不引入新的油脂和灰尘。

本发明所使用的旋转平台水平度高，有辅助的真空泵，可以将带衍射条纹的基底所在空间形成一个封闭、真空环境，以免旋转平台转动引起周围气流扰动，破坏透明衍射薄膜的面形。

第三步：涂胶，将适量透明液态聚酰亚胺放入量杯/滴管中，用以控制透明液态聚酰亚胺的滴涂量。利用量杯/滴管将透明液态聚酰亚胺缓慢滴涂在带衍射条纹的基底正中央，使其在黏滞力的作用下自由向四周流动，待透明液态聚酰亚胺布满整个带衍射条纹的基底时，停止滴涂。

该涂胶过程也是制备高精度透明衍射薄膜的关键步骤之一，可以是手动涂胶，也可以是机械涂胶，具体实施过程相同。首次涂胶必须利用带有刻度的滴管，将透明液态聚酰亚胺缓慢滴涂在带衍射条纹的基底正中央，使透明液态聚酰亚胺在黏滞力的作用下自由向四周流动，自中心向四周逐一布满整个带衍射条纹的基底。大量涂胶或快速涂胶会引起整个透明聚酰亚胺薄膜表面平整性变差，且衍射条纹的微细结构中充填透明聚酰亚胺的量不足，会出现置空条纹或死角。滴涂量与基底尺寸、薄膜厚度、透明液态聚酰亚胺物性参数等相关。表1中所示参数是100mm口径基底，三次涂胶的滴涂量。

表1 滴涂量参数

涂胶次数

滴涂量ml

一次涂胶	10-15
		二次涂胶	5-10
三次涂胶	5-8

滴涂过程一定要缓慢，以保证透明液态聚酰亚胺布满带衍射条纹的基底上的所有细小条纹，并无置空条纹或死角出现。

第四步：静置，将布满透明液态聚酰亚胺的带衍射条纹的基底静置一段时间。

涂胶结束后，将布满透明液态聚酰亚胺的带衍射条纹的基底静置一段时间，静置时间以十分钟至二十分钟为宜，以去除中央透明液态聚酰亚胺与四周之间的内压差。

第五步：匀胶，使旋转平台转动，使得透明液态聚酰亚胺在离心力的作用下，表面趋于平整。

将旋转平台按照如表2所示的旋转参数设定，带衍射条纹的基底在强吸附力作用下与旋转平台一起转动，透明液态聚酰亚胺在离心力的作用下，表面趋于平整，完成匀胶。

表2 旋转参数表一

本发明中所示参数，适用于100-300mm透明膜基衍射光学元件制备。

旋转平台放置在封闭、真空环境内，以免旋转平台转动引起周围气流扰动，破坏透明衍射薄膜的面形。

第六步：二次涂胶，采用与第三步相同的方式。

一次涂胶和一次匀胶后，薄膜厚度较薄，力学性能较差，通常需要二次涂胶和二次匀胶，二次涂胶与一次涂胶的方法相同。

一次匀胶后的透明衍射薄膜表面平整性较好，二次涂胶后，透明液态聚酰亚胺已经布满整个带衍射条纹的基底的上表面，无需静置，可直接进行二次匀胶。

第七步，二次匀胶，采用与第五步相同的方式。将旋转平台按照如表3所示的旋转参数设定，透明液态聚酰亚胺在离心力的作用下，表面平整化，透明聚酰亚胺薄膜的厚度增加。

表3 旋转参数表二

第八步：第N次涂胶，采用与第三步相同的方式。

第九步：第N次涂胶后进行第N次匀胶，采用与第七步相同的方式。

重复第八步和第九步，进行完N次涂胶和N次匀胶，N大于等于3。一般情况下，N达到3即可以满足薄膜强度要求。

透明膜基衍射光学元件的具体应用方向不同，对其厚度要求不同，可根据具体要求确定后续涂胶和匀胶次数。

第十步：静置48小时以上，将经过以上步骤后的透明衍射薄膜与带衍射条纹的基底静置48小时以上，静置环境需封闭且真空。

静置48小时以上，是保证透明衍射薄膜高精度面形的关键之一。完成N次匀胶后的透明衍射薄膜流动性较大，气流扰动或轻微的颤动都会破坏透明衍射薄膜的高精度面形。所以完成N次匀胶后，保持旋转平台所处的封闭、真空环境不变，将透明衍射薄膜与带衍射条纹的基底静置48小时以上。同时，长时间静置也利于透明衍射薄膜内微小气泡的自由破裂。

第十一步：烤胶，将透明衍射薄膜与带衍射条纹的基底一起放入烤胶机中，设定参数如表4所示。

表4 烤胶参数

透明衍射薄膜与带衍射条纹的基底需水平放置在烤胶机内，且透明衍射薄膜面朝上，确保透明衍射薄膜各处受热均匀。表4所示的烤胶参数运行结束后，关闭烤胶机电源，使透明衍射薄膜自然冷却至环境温度。

第十二步：揭胶，将在烤胶机中自然冷却至环境温度的透明衍射薄膜与带衍射条纹的基底一起取出，将透明衍射薄膜与带衍射条纹的基底分离。

揭胶过程需小心实施，可将透明衍射薄膜与带衍射条纹的基底一起固定在旋转平台上，操作者需佩戴清洁塑胶手套，利用片状硬物将透明衍射薄膜四周与带衍射条纹的基底分离，透明衍射薄膜会在自身应力作用下从带衍射条纹的基底上脱离。将透明衍射薄膜放置在光学镜头盒中，以备使用。

上述过程中所使用的透明液体聚酰亚胺的参数如表5所示。

表5 透明液体聚酰亚胺参数

外观	浅黄色溶液
		固含量	20±1wt％
粘度	5000-6000mPa.s(25℃)
		储存期	冰箱冷藏6个月

采用本发明方法制备的四台阶透明衍射薄膜在-1级处衍射效率可达到50％及以上，如图3所示，图中横坐标为衍射级次，纵坐标为衍射效率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)制备带衍射条纹的基底，并对带衍射条纹的基底进行清洗，去除带衍射条纹的基底表面上的油脂和灰尘；

(2)放置基底，将带衍射条纹的基底正中放置在水平的旋转平台上，并确保带衍射条纹的基底中心与旋转平台的中心重合；

(3)在真空环境下，利用量杯或者滴管将透明液态聚酰亚胺缓慢滴涂在带衍射条纹的基底正中央，使透明液态聚酰亚胺在黏滞力的作用下自由向四周流动，待透明液态聚酰亚胺布满整个带衍射条纹的基底时，停止滴涂；

(4)将布满透明液态聚酰亚胺的带衍射条纹的基底静置十至二十分钟，去除带衍射条纹的基底中央透明液态聚酰亚胺与四周透明液态聚酰亚胺之间的内压差；

(5)转动旋转平台，使得透明液态聚酰亚胺在离心力的作用下在带衍射条纹的基底表面趋于平整；

(6)采用步骤(3)的滴涂方法，在带衍射条纹的基底表面上再次进行涂胶，然后采用步骤(5)的方法使得再次涂胶后的带衍射条纹的基底表面趋于平整；

(7)根据所要求的光学元件用透明衍射薄膜的厚度，重复步骤(6)N次，N为正整数，直至带衍射条纹的基底上的聚酰亚胺的厚度满足要求；

(8)将步骤(7)得到的带衍射条纹的基底静置48小时以上；

(9)将步骤(8)得到的带衍射条纹的基底放入烤胶机中，且涂覆有透明液态聚酰亚胺的表面朝上，烘烤至透明液态聚酰亚胺完全凝固后，关闭烤胶机电源，使带衍射条纹的基底自然冷却至环境温度；

(10)利用片状硬物将透明聚酰亚胺膜四周与带衍射条纹的基底分离。

2.根据权利要求1所述的一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中对带衍射条纹的基底进行清洗的方法为：在千级洁净实验室内，对带衍射条纹的基底依次进行CCl₄浸泡、超声波超声、去离子水冲洗、丙酮浸泡、超声波超声、去离子水冲洗、氮气吹干操作，将带衍射条纹的基底清洗干净。

3.根据权利要求1所述的一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中转动旋转平台时，转动平台的转动参数如下：

4.根据权利要求1所述的一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中转动旋转平台时，转动平台的转动参数如下：

5.根据权利要求1所述的一种光学元件用透明衍射薄膜的旋涂制备方法，其特征在于：所述步骤(9)中烤胶机的参数设定如下：