CN107884951B - 一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：制备好包含N组一维二元衍射光学结构的柔性变角度阵列衍射光学器件掩模版备用；步骤2：选择硅片作为基底材料并进行清洗；步骤3：硅片上涂敷一层光刻胶，并进行加热固化作为牺牲层；步骤4：光敏聚酰亚胺光刻胶胶液配制；步骤5：在牺牲层上涂敷光敏聚酰亚胺光刻胶，对涂敷好的光敏聚酰亚胺光刻胶进行前烘，使用掩模版进行曝光，再进行显影和后烘固化，形成光敏聚酰亚胺光刻胶衍射图形；步骤6：去除牺牲层以及位于其下的硅片，制成柔性变角度阵列衍射光学器件。本发明全波段散斑抑制效果好、运动方式简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉。

Description

一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作 方法

技术领域

本发明属于激光显示投影领域，尤其涉及一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法。

背景技术

激光投影显示系统因其所具备的色彩丰富、画面质量高、寿命长、可靠性高、功效高、能耗低等优点，受到越来越广泛的关注和欢迎。然而由于激光是高相干光，不可避免地会产生一种称为激光散斑的画面噪声。散斑表现为随机分布在激光光斑中的黑色斑点，其实质为信号的随机相干叠加，散斑的存在严重影响图像和信息的质量。在激光投影显示领域，散斑会使投影显示的画面质量下降，导致观看者产生疲倦和头晕眼花等症状，严重影响激光投影仪使用者的体验，成为制约激光投影显示系统和仪器发展的核心因素。因此，研发激光散斑抑制技术和器件十分必要。

已有技术中对激光散斑的抑制，最常采用的是运动的衍射光学器件，比如在《Hadamard speckle contrast reduction》(2004，Opt.Lett.29,11-13)一文中JahjaI.Trisnadi第一次采用了基于Hadamard矩阵结构的衍射光学器件；在《Full specklesuppression in laser projectors using two Barker code-type diffractiveoptical elements》(2013，J.Opt.Soc.Am.A 30,22-31)一文中，Lapchuk等人采用两个基于Barker码结构的衍射光学器件，对全波段(既包括红、绿、蓝)激光进行了散斑抑制实验；乐孜纯、熊启源、董文和付明磊在中国发明专利《一种基于光学衍射元件的激光散斑抑制方法》(CN 106896520A)中提出使用运动的二元光学衍射元件来抑制激光散斑。然而上述基于运动的衍射光学器件都是制作在硬质材料上的，比如玻璃(二氧化硅)材料或者有机玻璃材料。制作于硬质材料上的衍射光学器件，对其运动方式有很大的限制，同时也使得运动机构的设计非常复杂。迄今为止，尚未有关于在柔性材料上制作用于激光散斑抑制的衍射光学器件的相关报道。

综上所述，现有基于运动的衍射光学器件的散斑抑制技术，在衍射器件的结构及其制作方法上均存在不足，因此现有技术或是散斑抑制程度不够；或是不能进行全波段散斑抑制；或是结构设计的精度要求太高，系统容错性、鲁棒性、通用性很差，只适合实验室，不能满足实际应用需求；或是需要往复式机械运动，在运动过程中改变速度导致散斑抑制效果不佳等等。

发明内容

为了克服已有技术散斑抑制效果不够好、不能进行全波段散斑抑制、系统采用器件个数和种类多、运动部件复杂并对仪器有冲击损害、尺寸大、仪器结构复杂、能耗高等缺点，本发明提供一种全波段散斑抑制效果好、运动方式简单、易于实现、且系统通用性、鲁棒性好、成本低廉的衍射光学器件及其制作方法，采用光敏聚酰亚胺材料制作、通过变角度阵列衍射结构、构建可以无限匀速循环的履带式传动代替往复式机械运动实现红、绿、蓝全波段激光散斑抑制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

步骤1：制备好包含N组一维二元衍射光学结构的柔性变角度阵列衍射光学器件掩模版备用；

步骤2：选择硅片作为基底材料，并进行清洗；

步骤3：在经过步骤2的清洁硅片上涂敷一层光刻胶，并进行加热固化作为牺牲层，所述作为牺牲层的光刻胶及其配套去胶剂，必须不与光敏聚酰亚胺光刻胶产生互溶或化学反应；

步骤4：光敏聚酰亚胺光刻胶胶液配制，取光敏聚酰亚胺光刻胶，加入混合增感剂和二次精制处理干燥的感光树脂，进行磁力搅拌，然后密封避光冷置备用；

步骤5：在步骤3的牺牲层上涂敷步骤4准备的光敏聚酰亚胺光刻胶，对涂敷好的光敏聚酰亚胺光刻胶进行前烘，使用步骤1的掩模版进行曝光，再进行显影和后烘固化，形成光敏聚酰亚胺光刻胶衍射图形；

步骤6：使用作为牺牲层的光刻胶的配套去胶剂，去除牺牲层以及位于其下的硅片，制成柔性变角度阵列衍射光学器件。

进一步，所述步骤5中，涂敷厚度在10微米至30微米之间，曝光深度控制在350纳米至380纳米之间。

再进一步，所述柔性变角度阵列衍射光学器件制作在光敏聚酰亚胺材料上，由N组一维二元衍射光学结构首尾连接而成，所述一维二元衍射光学结构包括光栅结构和光学微结构，所述一维是指衍射光学结构为一维图案，所述二元是指因衍射光学结构深度所形成的光程差是二值化的。

更进一步，所述一维二元衍射光学结构图案由参数T表示，所述参数T为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用T的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用T₀表示；所述一维二元衍射光学结构的深度为h，所述一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角为θ₀。

所述光学微结构为基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构或基于Barker码的光学微结构。

所述N是正整数，表示柔性变角度阵列衍射光学器件中所包含的阵列个数，N＝1,2,3…∞，当N＝1时，所述用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件为单个衍射光学器件，即衍射光学器件单元，每一个衍射光学器件单元中包括m个周期的结构参数相同的一维二元衍射光学结构图案；当N≧2时，所述用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件为包含N个阵列的衍射光学器件；所述阵列中的N个衍射光学器件单元一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的N个衍射光学器件单元内部的一维二元衍射光学结构图案相同或不相同，所述N组一维二元衍射光学结构首尾连接，沿着Y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第N组衍射光学结构的尾相连。

阵列中的N个衍射光学器件单元与X轴所夹倾角不同，表示为θ_±i，其中θ_±i＝θ₀±(N-1)/2·Δθ±i·Δθ，Δθ表示相邻衍射光学器件单元与X轴所夹倾角的变化幅度。

二元衍射光学结构的深度h与柔性材料的折射率有关，其范围在350nm至380nm。

本发明的技术构思是：通过在单片柔性材料上制作变角度阵列衍射光学器件，利用运动的衍射光学微结构来改变激光光束的相位分布，破坏激光的空间相干性，从而达到抑制散斑的效果。

进一步地，利用柔性材料的弯折，使得N组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加；利用连续的履带式运动使得叠加的光学结构动态变化，以达到全波段激光散斑抑制的效果并提高激光散斑抑制率。

更进一步，由于履带式传送是周而复始的，有效避免了往复式机械运动过程中运动速度的变化，减小了机械运动冲击造成的系统损伤和运动速度变化造成的干扰噪声。

再进一步地，通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。

进一步，采用光敏聚酰亚胺材料，利用其光学透明性好，优异的热稳定性、耐化学腐蚀性和机械性能，以及高拉伸强度、大温度范围的特性，发明一套制作方法，制成一种无毒、疏水性、非易燃、高弹性、光学透明的柔性变角度阵列衍射光学器件。

本发明的有益效果主要表现在：(1)发明一种在柔性材料上制作用于散斑抑制的衍射光学器件的制作方法，因采用柔性材料，使得履带式连续运动成为可能。(2)单片材料上制作多组衍射光学微结构，尺寸小、效率高。(3)利用柔性材料的弯折和履带式连续运动，使得N组不同的一维二元衍射光学结构相互叠加和动态变化，实现了全波段激光散斑抑制。(4)通过发明变角度阵列结构，使得在仅需一维方向运动的情况下，实现了二维位移的技术效果。(5)采用履带式运动代替往复式机械运动，拥有更稳定的散斑抑制效果和更小的噪声干扰，也使得整个结构更加稳定。(6)整个散斑抑制系统结构简单、稳定、通用性好、功效高、能耗低。(7)可直接在现有激光投影仪上改装而不必重新购买。(8)与市场上现有的散斑抑制装置相比，制作简单，成本低廉，适合大批量生产。

附图说明

图1是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件中衍射器件单元的示意图(光学微结构以M序列为例)。

图2是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的阵列排布示意图。

图3是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件实现激光散斑抑制的系统示意图，其中，1是激光器；2是平凸透镜；3是光阑；4是本发明柔性变角度阵列衍射光学器件及其履带式传动装置；5是成像透镜；6是投影屏幕；7是CCD相机及其计算机处理系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制备好包含N组一维二元衍射光学结构的柔性变角度阵列衍射光学器件掩模版备用；

步骤2：选择硅片作为基底材料，并进行清洗；

步骤3：在经过步骤2的清洁硅片上涂敷一层光刻胶，并进行加热固化作为牺牲层，所述作为牺牲层的光刻胶及其配套去胶剂，必须不与光敏聚酰亚胺光刻胶产生互溶或化学反应；

步骤4：光敏聚酰亚胺光刻胶胶液配制，取光敏聚酰亚胺光刻胶，加入混合增感剂和二次精制处理干燥的感光树脂，进行磁力搅拌，然后密封避光冷置备用；

步骤5：在步骤3的牺牲层上涂敷步骤4准备的光敏聚酰亚胺光刻胶，涂敷厚度在10微米至30微米之间，对涂敷好的光敏聚酰亚胺光刻胶进行前烘，使用步骤1的掩模版进行曝光，曝光深度控制在350纳米至380纳米之间，再进行显影和后烘固化，形成光敏聚酰亚胺光刻胶衍射图形；

步骤6：使用作为牺牲层的光刻胶的配套去胶剂，去除牺牲层以及位于其下的硅片，制成本发明柔性变角度阵列衍射光学器件。

本发明的制作方法制备的柔性变角度阵列衍射光学器件，由N组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构包括但不限于光栅结构、基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构、基于Barker码的光学微结构。所述一维是指衍射光学结构为一维图案、所述二元是指因衍射光学结构深度所形成的光程差是二值化的。所述一维二元衍射光学结构图案由参数T表示(参见附图1，基于M序列的光学微结构示意图)，所述参数T为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用T的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用T₀表示。所述一维二元衍射光学结构的深度为h、所述一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角为θ₀。

进一步，所述N是正整数，N＝1,2,3…∞，当N＝1时，所述一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，退化为单个衍射光学器件(以下称衍射光学器件单元)；当N≧2时，为阵列衍射光学器件。所述每一个衍射光学器件单元中包括m个周期的结构参数相同的一维二元衍射光学结构图案。所述阵列中的N个衍射光学器件单元，一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的N个衍射光学器件单元内部的一维二元衍射光学结构图案可以相同、也可以不相同。所述N组一维二元衍射光学结构首尾连接，可以但不限于采用胶粘剂粘结、或热压等方法，沿着Y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第N组衍射光学结构的尾相连。

所述一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，阵列中的N个衍射光学器件单元与X轴所夹倾角不同，表示为θ_±i，其中θ_±i＝θ₀±(N-1)/2·Δθ±i·Δθ，Δθ表示相邻衍射光学器件单元与X轴所夹倾角的变化幅度。

所述柔性变角度阵列衍射光学器件，其二元衍射光学结构的深度h在350纳米至380纳米之间。

所述柔性变角度阵列衍射光学器件抑制激光散斑的原理如下：

1)散斑对比度SC计算公式：

其中，σ是光强分布的标准差，

是平均光强分布。大部分散斑抑制方法出发点都是使光强分布平均。

2)本发明一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，所述柔性变角度阵列衍射光学器件由N组一维二元衍射光学结构首尾连接，形成履带式结构。所述N组一维二元衍射光学结构包括但不限于光栅结构、基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构、基于Barker码的光学微结构。当本发明柔性变角度阵列衍射光学器件进行履带式运动时，N组一维二元衍射光学结构相互叠加并动态变化，实现了激光衍射光场叠加、破坏了激光的相干特性，因此达到抑制激光散斑的效果。同时，所述N组一维二元衍射光学结构的相互叠加，实现了双面一维光学微结构编码的技术效果，因此可以进行全波段的激光散斑抑制。

影响激光散斑抑制效果的基本因素有两个：运动过程中的运动方向和运动速度。用X轴方向和Y轴方向的线性位移来确定运动方向和运动速度对散斑抑制效果的影响，理论计算公式如下：

其中，D是人眼分辨率单元在屏幕上的投影宽度，x₁,x₂,y₁,y₂是激光束通过两块沿不同轴运动的二元衍射光学结构投影到屏幕上的坐标，H(x₁,x₂,y₁,y₂)和H(x₁,x₁,y₁,y₁)是由M序列二元光学衍射元件调制的屏幕平面处的激光束的自相关函数：

其中，Δt是人眼的曝光时间；V₁是二元光学衍射元件图像在屏幕上沿Y轴方向的运动速度，V₂是沿X轴方向的运动速度；T₀是二元光学衍射元件一个周期内的最小单位长度；M是非零整数；T(x,y,V,t)是二元光学衍射元件的透射系数函数。

实施例1：

一种用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件，制作在光敏聚酰亚胺材料上，由3组一维二元衍射光学结构首尾连接而成。所述一维二元衍射光学结构为基于M序列的光学微结构(参见附图1和附图2)，其一维二元衍射光学结构图案由参数T表示，所述参数T为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用T的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用T₀表示。所述一维二元衍射光学结构的深度为h、所述一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角为θ₀。

所述T参数为4微米，一维二元衍射光学结构深度h为370纳米，M序列编码为31位编码，即1111100110100100001010111011000。所述3组一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角分别为44.4°、45°、45.6°，采用胶粘剂粘结的方法，沿着Y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第3组衍射光学结构的尾相连。

制作光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件，具体步骤如下：

步骤1：制备好包含所述3组31位M序列衍射光学结构的柔性变角度阵列衍射光学器件掩模版备用；

步骤2：选择硅片作为基底材料，并进行清洗；

步骤3：在经过步骤2的清洁硅片上涂敷一层AZ5214光刻胶，并进行加热固化作为牺牲层；

步骤4：浓度30％光敏聚酰亚胺光刻胶胶液配制，并加入混合增感剂和二次精制处理干燥的感光树脂，进行磁力搅拌，然后密封避光冷置备用；

步骤5：在步骤3的牺牲层上涂敷步骤4准备的光敏聚酰亚胺光刻胶，涂敷厚度10微米，对涂敷好的光敏聚酰亚胺光刻胶进行前烘，使用步骤1的掩模版进行曝光，曝光深度控制在370纳米，再进行显影和后烘固化，形成光敏聚酰亚胺光刻胶衍射图形；

步骤6：使用AZ5214光刻胶配套去胶剂，去除牺牲层以及位于其下的硅片，制成本发明柔性变角度阵列衍射光学器件。

参见附图3，将所述制成的柔性变角度阵列衍射光学器件两端用胶粘剂粘结起来，形成履带式并放入激光散斑抑制系统中。所述激光散斑抑制系统，包括激光器、调制透镜组件、本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件、成像透镜、投影屏幕、CCD相机及其计算机处理系统。所述调制透镜组件包括一个平凸透镜和一个光阑。所述激光器、调制透镜组件、本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件和成像透镜位于同一光轴上，激光器射出的激光光束通过所述调制透镜组件进行扩束、整形和校准，正入射到本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件上，本发明一种柔性变角度阵列衍射光学器件安装在由步进电机驱动的履带式传送装置上进行履带式运动。所述投影屏幕记录激光投影成像并直接进行目视观察。所述CCD相机记录投影屏幕上的激光投影成像并输入计算机进行后续数据处理。

由于采用履带式运动，当激光照射到其中一块衍射光学器件区域上时，光束透过该区域也同时照射到柔性变角度阵列衍射光学器件的另一块微光学结构倾角不同的区域上，由此形成双面一维的衍射光学叠加结构。由于在激光照射部分前后两块器件区域向着相反方向匀速运动，且不同器件区域微光学结构倾斜角度不同，以此来达到产生相当于Y轴方向的位移。至于安装着本发明柔性变角度阵列衍射光学器件的履带式运动装置的运动速度，则由电学控制模块控制。

光源发出的激光束通过所述平凸透镜2进行准直和扩束，再经过光阑改变其光圈大小，将激光束正入射到本发明柔性变角度阵列衍射光学器件上。所述的柔性变角度阵列衍射光学器件固定在履带式传动装置上，当激光束照射到其表面时，启动电学控制模块控制该柔性变角度阵列衍射光学器件进行匀速履带式传送运动。所述运动的柔性变角度阵列衍射光学器件在人眼或CCD相机的曝光时间内改变了衍射级数的相位，进而破坏了激光束的空间相干性，达到了散斑抑制的效果。

实施例2：

所述一维二元衍射光学结构深度h为350纳米，制作过程步骤5中光敏聚酰亚胺光刻胶涂敷厚度20微米，其他实施参数和过程与实施例1相同。

实施例3：

所述一维二元衍射光学结构深度h为380纳米，制作过程步骤5中光敏聚酰亚胺光刻胶涂敷厚度30微米，其他实施参数和过程与实施例1相同。

Claims (8)

1.一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括以下步骤：

步骤1：制备好包含N组一维二元衍射光学结构的柔性变角度阵列衍射光学器件掩模版备用；

步骤2：选择硅片作为基底材料，并进行清洗；

步骤3：在经过步骤2的清洁硅片上涂敷一层光刻胶，并进行加热固化作为牺牲层，所述作为牺牲层的光刻胶及其配套去胶剂，必须不与光敏聚酰亚胺光刻胶产生互溶或化学反应；

步骤4：光敏聚酰亚胺光刻胶胶液配制，取光敏聚酰亚胺光刻胶，加入混合增感剂和二次精制处理干燥的感光树脂，进行磁力搅拌，然后密封避光冷置备用；

步骤5：在步骤3的牺牲层上涂敷步骤4准备的光敏聚酰亚胺光刻胶，对涂敷好的光敏聚酰亚胺光刻胶进行前烘，使用步骤1的掩模版进行曝光，再进行显影和后烘固化，形成光敏聚酰亚胺光刻胶衍射图形；

步骤6：使用作为牺牲层的光刻胶的配套去胶剂，去除牺牲层以及位于其下的硅片，制成柔性变角度阵列衍射光学器件，所述柔性变角度阵列衍射光学器件由N个衍射光学器件单元组成，N是正整数，N≧2，阵列中的N个衍射光学器件单元与X轴所夹倾角不同。

2.如权利要求1所述的一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：所述步骤5中，涂敷厚度在10微米至30微米之间，曝光深度控制在350纳米至380纳米之间。

3.如权利要求1所述的一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：所述柔性变角度阵列衍射光学器件制作在光敏聚酰亚胺材料上，由N组一维二元衍射光学结构首尾连接而成，所述一维二元衍射光学结构包括光栅结构和光学微结构，所述一维是指衍射光学结构为一维图案，所述二元是指因衍射光学结构深度所形成的光程差是二值化的。

4.如权利要求3所述的一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：所述一维二元衍射光学结构图案由参数T表示，所述参数T为光学微结构的最小单元宽度，所有光学微结构的宽度均用T的整数倍来表示，所述一维二元衍射光学结构图案的总宽度用T₀表示；所述一维二元衍射光学结构的深度为h，所述一维二元衍射光学结构与X轴所夹倾角为θ₀。

5.如权利要求3所述的一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：所述光学微结构为基于伪随机序列的光学微结构、基于M序列的光学微结构或基于Barker码的光学微结构。

6.如权利要求3～5之一所述的一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：所述N是正整数，表示柔性变角度阵列衍射光学器件中所包含的单元个数，N＝1,2,3…∞；N≧2，用于激光散斑抑制的柔性变角度阵列衍射光学器件为包含N个阵列的衍射光学器件；所述阵列中的N个衍射光学器件单元一次性制作在单片柔性材料上，其阵列中的N个衍射光学器件单元内部的一维二元衍射光学结构图案相同或不相同，所述N组一维二元衍射光学结构首尾连接，沿着Y轴方向将第1组衍射光学结构的头与第N组衍射光学结构的尾相连。

7.如权利要求6所述的一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：阵列中的N个衍射光学器件单元与X轴所夹倾角不同，表示为θ_±i，其中θ_±i＝θ₀±(N-1)/2·Δθ±i·Δθ，Δθ表示相邻衍射光学器件单元与X轴所夹倾角的变化幅度。

8.如权利要求3～5之一所述的一种光敏聚酰亚胺材料柔性变角度阵列衍射光学器件的制作方法，其特征在于：二元衍射光学结构的深度h与柔性材料的折射率有关，其范围在350nm至380nm。

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