CN111929985A - 一种斜齿光栅的纳米压印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种斜齿光栅的纳米压印方法。装置包括包括压印腔体和位于压印腔体中的模版固定盘、基板托盘、上伺服电机、下伺服电机、导轨和金属臂；方法包括纳米压印、脱模工作、翻印准备、复制模具进行纳米压印和翻印脱模等过程。本发明方法处理能避免脱模过程对光栅结构的损坏，压印时压印胶的填充更完整，顺利脱模阻挡小，减少缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及了一种纳米光栅制作处理方法，尤其是涉及了一种斜齿光栅的纳米压印方法。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是以计算机系统为基础，将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。它将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。
实现增强现实效果有几种不同的光学方案，比如几何光波导、表面浮雕光栅波导、体光栅波导等。其中表面浮雕光栅方案可以将AR镜片做的最薄。因此，AR眼镜想要具备普通眼镜的外观，真正走向消费市场，表面浮雕光栅方案是最佳选择。
表面浮雕光栅也是目前市面上主流产品如Hololens等采取的方式，其中分三个光栅区域：入射光栅(input grating)、转折光栅(fold/turn grating)和出射光栅(outputgrating)。入射光栅(input grating)将光耦合入波导后，会进入一个转折光栅(fold/turngrating)的区域，这个区域内的光栅沟壑方向与入射光栅呈一定角度，它就像一个带有这个角度的镜子一样将X方向打来的光反射一下变成沿Y方向传播。并且在这个转向的过程中，由于全反射行进的光线会与转折光栅相遇好几次，每一次都将一部分光转90度，另一部分光继续横向前进，这就实现了在X方向的一维扩瞳，只不过扩瞳后的光并没有耦合出波导，而是继续沿Y方向前进进入第三个光栅区域–出射光栅(output grating)。
对于入射光栅来说，对称的矩形光栅结构衍射到左边的光并不会被收集传播到眼睛里，相当于浪费了一半的光。因此一般需要采用倾斜光栅(slanted grating)，使得往眼睛方向衍射的光耦合效率达到最高。然而倾斜光栅的加工比普通对称的矩形光栅结构难度大很多。
纳米压印是一种低成本高精度的纳米级光栅加工方式，非常适合于大规模生产AR光栅波导镜片。但用纳米压印加工斜齿光栅的脱模过程很容易损坏光栅结构，造成缺陷。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种新的适用于加工斜齿光栅的方法，是一种斜齿光栅的纳米压印方法，可以避免脱模过程对光栅结构的损坏，减少缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
步骤1：使用旋涂设备将聚合物胶体涂布于复制硬模具基板的顶面，形成一层胶层；
步骤2：将复制硬模具基板底面平置固定于基板托盘顶面；将纳米压印原始模版倒置，纳米压印原始模版底面平置固定于模版固定盘底面，且纳米压印原始模版位于复制硬模具基板正上方；
步骤3：将纳米压印原始模版和复制硬模具基板置于密封的压印腔体中，压印腔体抽真空；
步骤4：由下伺服电机带动基板托盘上升，由上伺服电机带动导轨下降移动，同时控制金属臂的伸缩配合带动模版固定盘在导轨上水平移动，调节基板托盘的上升速度、导轨下降速度以及模版固定盘的水平移动速度，使纳米压印原始模版和复制硬模具基板相对运动方向与斜齿光栅的斜齿倾斜方向一致；不断移动，基板托盘和模版固定盘之间相互靠拢，聚合物胶体在虹吸效应下充满填充纳米压印原始模版表面的斜齿光栅结构，继续上升基板托盘和下降导轨将基板托盘和模版固定盘之间相互压紧施加压力，完成压印；
步骤5：进行紫外光曝光，使聚合物胶体PDMS固化；
步骤6：由下伺服电机带动基板托盘下降，由上伺服电机带动导轨上升移动，同时控制金属臂的伸缩配合带动模版固定盘在导轨上水平移动，调节基板托盘的下降速度、导轨上升速度以及模版固定盘的水平移动速度，使模版固定盘和复制硬模具基板相对运动方向与斜齿光栅的斜齿倾斜方向一致；不断移动，复制硬模具基板和纳米压印原始模版之间远离完成脱模，得到复制硬模具基板上的斜齿光栅反结构，斜齿光栅反结构位于复制硬模具基板的顶面；
步骤7：取下纳米压印原始模版和复制硬模具基板，将模版固定盘与基板托盘复位；
这样使用复制硬模具能够可以反复使用，这样可以起到对原始模具的保护作用。并且复制硬模具的基材是较薄的玻璃或PC板，比原始模具材质(硅或厚玻璃板)的柔韧性更好，更利于脱模。
步骤8：通过旋涂设备将光学压印胶涂布于玻璃基板顶面，形成厚度为涂布层；
步骤9：将玻璃基板底面平置固定于基板托盘顶面；将复制硬模具基板倒置，复制硬模具基板顶面及其上的斜齿光栅反结构朝下，复制硬模具基板平置固定于模版固定盘底面，且复制硬模具基板位于玻璃基板正上方；
步骤10：将复制硬模具基板和玻璃基板置于密封的压印腔体中，压印腔体抽真空；
步骤11：由下伺服电机带动基板托盘上升，由上伺服电机带动导轨下降移动，同时控制金属臂的伸缩配合带动模版固定盘在导轨上水平移动，调节基板托盘的上升速度、导轨下降速度以及模版固定盘的水平移动速度，使玻璃基板和复制硬模具基板相对运动方向与斜齿光栅反结构的斜齿倾斜方向一致；不断移动，基板托盘和模版固定盘之间相互靠拢，涂布层中的光学压印胶会在虹吸效应下充满填充复制硬模具基板表面的斜齿光栅反结构，继续上升基板托盘和下降导轨将基板托盘和模版固定盘之间相互压紧施加压力，完成压印；
步骤12：紫外曝光，使光学压印胶固化；
步骤13：由下伺服电机带动基板托盘下降，由上伺服电机带动导轨上升移动，同时控制金属臂的伸缩配合带动模版固定盘在导轨上水平移动，调节基板托盘的下降速度、导轨上升速度以及模版固定盘的水平移动速度，使模版固定盘和复制硬模具基板相对运动方向与斜齿光栅反结构的斜齿倾斜方向一致；不断移动，玻璃基板和复制硬模具基板之间远离完成脱模，得到模版固定盘上的斜齿光栅反结构，斜齿光栅反结构位于复制硬模具基板的顶面；
步骤14：完成纳米压印，获得与原始的纳米压印原始模版斜齿光栅一致的斜齿光栅成品，取出复制硬模具基板及玻璃基板上压印完成的斜齿光栅成品，将模版固定盘与基板托盘复位。
所述的聚合物胶体为PDMS。
所述的复制硬模具基板、纳米压印原始模版均通过真空吸附分别固定于基板托盘、模版固定盘表面。
所述光学纳米压印胶和光学压印胶均采用可被紫外曝光固化的聚合物胶体，且聚合物胶体的粘稠度低于50mPa·s。
本发明在压印和脱模的过程中，模具与基底沿着斜齿的倾斜角度方向相对运动，优点是：1.压印时压印胶的填充更完整，减少缺陷。2.脱模时可以把固化的压印胶斜齿对模具斜齿的阻挡减少到最小，顺利脱模，减少缺陷。
本发明的优点和有益效果在于：
本发明在压印和脱模过程中，无论原始模板与复制硬模具之间，还是复制硬模具与玻璃基底之间的相对位移都保持与斜齿光栅的角度一致，避免了垂直脱模容易损伤固化好的斜齿光栅结构的问题。
另外，本发明中将压印过程中的环境真空进行控制，且控制在500Pa以下，可以实现虹吸效应增强效应，使液态的纳米压印材料自动填充纳米压印模版表面结构，避免了接触气泡、结构填充不均匀、填充慢、压印模版变形限制压印精度等缺点。
附图说明
图1是本发明的纳米压印装置示意图；
图2是纳米压印示意图；
图3是脱模工作示意图；
图4是翻印准备示意图；
图5是复制模具进行纳米压印工作的示意图；
图6是翻印脱模示意图。
图中，上伺服电机132、下伺服电机131、导轨151、金属臂141和142；纳米压印原始模版111、复制硬模具基板112、聚合物胶体113、光学纳米压印胶114、模版固定盘121、基板托盘122、玻璃基板211、光学压印胶212。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式描述斜齿光栅角度为50度的整个纳米压印过程。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，具体实施包括压印腔体和位于压印腔体中的模版固定盘121、基板托盘122、上伺服电机132、下伺服电机131、导轨151和金属臂141、142，上伺服电机132和下伺服电机131为直线电机。
模版固定盘121位于基板托盘122上方，导轨151水平布置且固定在上伺服电机132下端的输出端上，模版固定盘121顶面嵌装于导轨151并可沿导轨151移动，由上伺服电机132带动导轨151和模版固定盘121沿靠近/远离基板托盘122的方向移动；基板托盘122底面固定在下伺服电机131上端的输出端上，由下伺服电机131带动基板托盘122沿靠近/远离模版固定盘121的方向移动；模版固定盘121的两侧设有金属臂141、142，两个金属臂141、142一端分别连接到模版固定盘121，另一端铰接连接到压印腔体上。
两个金属臂141、142为可伸缩的结构，例如气缸等，金属臂141、142端部铰接连接到模版固定盘121的侧部，
基板托盘122上布置有复制硬模具基板112或者玻璃基板211，模版固定盘121上布置有纳米压印原始模版111或者复制硬模具基板112。
本发明具体实施的实施例及其实施过程如下：
步骤1：准备斜齿光栅结构的纳米压印原始模版111、复制硬模具基板112(本实施例材料为5mm厚的硬PET板)、用于模具复制的聚合物胶体113(PDMS)和光学纳米压印胶114，其中纳米压印原始模版111的底面带有倾斜角度为50度的斜齿光栅；
步骤2：使用旋涂设备将聚合物胶体113涂布于复制硬模具基板112的顶面，转速为3000r/min，形成一层1微米厚的胶层；
步骤3：将复制硬模具基板112底面通过真空吸附平置固定于基板托盘122顶面；将纳米压印原始模版111倒置，纳米压印原始模版111底面通过真空吸附平置固定于模版固定盘121底面，且纳米压印原始模版111位于复制硬模具基板112正上方；
步骤4：将纳米压印原始模版111和复制硬模具基板112置于密封的压印腔体中，压印腔体抽真空，真空度达到500Pa以下，如图1；
步骤5：基板托盘122由下伺服电机131带动上升，直至纳米压印原始模版111表面与PDMS涂布层113间距为5mm；
步骤6：继续由下伺服电机131带动基板托盘122上升，由上伺服电机132带动导轨151下降移动，同时通过由伺服电机控制金属臂141,142的伸缩配合带动模版固定盘121在导轨151上水平移动，调节基板托盘122的上升速度、导轨151下降速度以及模版固定盘121的水平移动速度，使纳米压印原始模版111和复制硬模具基板112相对运动方向与斜齿光栅的斜齿倾斜方向一致，即沿纳米压印原始模版111与复制硬模具基板112之间的50度夹角角度；
不断移动，压印腔体内真空度足够低，基板托盘122和模版固定盘121之间相互靠拢，聚合物胶体113在虹吸效应下充满填充纳米压印原始模版111表面的斜齿光栅结构，继续上升基板托盘122和下降导轨151将基板托盘122和模版固定盘121之间相互压紧施加压力，完成压印，如图2；
步骤7：进行紫外光曝光60s，使聚合物胶体PDMS113固化；
步骤8：由下伺服电机131带动基板托盘122下降，由上伺服电机132带动导轨151上升移动，同时通过由伺服电机控制金属臂141,142的伸缩配合带动模版固定盘121在导轨151上水平移动，调节基板托盘122的下降速度、导轨151上升速度以及模版固定盘121的水平移动速度，使模版固定盘121和复制硬模具基板112相对运动方向与斜齿光栅的斜齿倾斜方向一致，即沿纳米压印原始模版111上斜齿光栅的斜齿倾斜方向与复制硬模具基板112表面之间的50度夹角角度；不断移动，复制硬模具基板112和纳米压印原始模版111之间远离完成脱模，完成复制硬模具的制作，得到复制硬模具基板112上的斜齿光栅反结构，斜齿光栅反结构位于复制硬模具基板112的顶面；
这样装置结构和控制能达到整个运动过程纳米压印原始模版111与复制硬模具基板112的角度一直与斜齿光栅角度为50度的目的，呈左底角为50度的平行四边形移动，如图3，以这种的方式完成脱模，避免了脱模时原始模具的斜齿损伤固化的聚合物胶体斜齿光栅结构的问题。
步骤9：取下纳米压印原始模版111和复制硬模具基板112，将模版固定盘121与基板托盘122复位；制作的复制硬模具基板112可以重复使用；
步骤10：通过旋涂设备将光学压印胶212涂布于玻璃基板211顶面，转速3000r/min，形成厚度为1微米的涂布层；
步骤11：将玻璃基板211底面通过真空吸附平置固定于基板托盘122顶面；将复制硬模具基板112倒置，复制硬模具基板112顶面及其上的斜齿光栅反结构朝下，复制硬模具基板112通过真空吸附平置固定于模版固定盘121底面，且复制硬模具基板112位于玻璃基板211正上方，如图4；
步骤12：将复制硬模具基板112和玻璃基板211置于密封的压印腔体中，压印腔体抽真空，真空度达到500Pa以下；
步骤13：基板托盘122由下伺服电机131带动上升，直至复制硬模具基板112表面与光学压印胶212的涂布层间达到固定的一个很小的间距为5mm；
步骤14：继续由下伺服电机131带动基板托盘122上升，由上伺服电机132带动导轨151下降移动，同时通过由伺服电机控制金属臂141,142的伸缩配合带动模版固定盘121在导轨151上水平移动，调节基板托盘122的上升速度、导轨151下降速度以及模版固定盘121的水平移动速度，使玻璃基板211和复制硬模具基板112相对运动方向与斜齿光栅反结构的斜齿倾斜方向一致，即沿复制硬模具基板112上斜齿光栅凡结构的斜齿倾斜方向与玻璃基板211表面之间的50度夹角角度；
不断移动，压印腔体内真空度足够低，基板托盘122和模版固定盘121之间相互靠拢，涂布层中的光学压印胶212会在虹吸效应下充满填充复制硬模具基板112表面的斜齿光栅反结构，继续上升基板托盘122和下降导轨151将基板托盘122和模版固定盘121之间相互压紧施加压力，使光学压印胶212充分填充斜齿光栅反结构，完成压印，如图5；
步骤15：紫外曝光120s，使光学压印胶212固化；
步骤16：由下伺服电机131带动基板托盘122下降，由上伺服电机132带动导轨151上升移动，同时通过由伺服电机控制金属臂141,142的伸缩配合带动模版固定盘121在导轨151上水平移动，调节基板托盘122的下降速度、导轨151上升速度以及模版固定盘121的水平移动速度，使模版固定盘121和复制硬模具基板112相对运动方向与斜齿光栅反结构的斜齿倾斜方向一致，即沿纳米压印原始模版111与复制硬模具基板112之间的50度夹角角度；不断移动，玻璃基板211和复制硬模具基板112之间远离完成脱模，完成复制硬模具的制作，得到模版固定盘121上的斜齿光栅反结构，斜齿光栅反结构位于复制硬模具基板112的顶面；
这样装置结构和控制能达到整个运动过程复制硬模具基板112和玻璃基板211的角度一直与斜齿光栅角度为50度的目的，呈左底角为50度的平行四边形移动，如图6，以这种的方式完成脱模，避免了脱模时原始模具的斜齿损伤固化的聚合物胶体斜齿光栅结构的问题。
步骤17：完成纳米压印，获得与原始的纳米压印原始模版111斜齿光栅一致的带有50度倾斜角的斜齿光栅成品，取出复制硬模具基板112及玻璃基板211上压印完成的斜齿光栅成品，将模版固定盘121与基板托盘122复位。
Claims (4)
1.一种斜齿光栅的纳米压印方法，其特征在于，方法如下：
步骤1：使用旋涂设备将聚合物胶体(113)涂布于复制硬模具基板(112)的顶面，形成一层胶层；
步骤2：将复制硬模具基板(112)底面平置固定于基板托盘(122)顶面；将纳米压印原始模版(111)倒置，纳米压印原始模版(111)底面平置固定于模版固定盘(121)底面，且纳米压印原始模版(111)位于复制硬模具基板(112)正上方；
步骤3：将纳米压印原始模版(111)和复制硬模具基板(112)置于密封的压印腔体中，压印腔体抽真空；
步骤4：由下伺服电机(131)带动基板托盘(122)上升，由上伺服电机(132)带动导轨(151)下降移动，同时控制金属臂(141、142)的伸缩配合带动模版固定盘(121)在导轨(151)上水平移动，调节基板托盘(122)的上升速度、导轨(151)下降速度以及模版固定盘(121)的水平移动速度，使纳米压印原始模版(111)和复制硬模具基板(112)相对运动方向与斜齿光栅的斜齿倾斜方向一致；不断移动，基板托盘(122)和模版固定盘(121)之间相互靠拢，聚合物胶体(113)在虹吸效应下充满填充纳米压印原始模版(111)表面的斜齿光栅结构，继续上升基板托盘(122)和下降导轨(151)将基板托盘(122)和模版固定盘(121)之间相互压紧施加压力，完成压印；
步骤5：进行紫外光曝光，使聚合物胶体PDMS(113)固化；
步骤6：由下伺服电机(131)带动基板托盘(122)下降，由上伺服电机(132)带动导轨(151)上升移动，同时控制金属臂(141、142)的伸缩配合带动模版固定盘(121)在导轨(151)上水平移动，调节基板托盘(122)的下降速度、导轨(151)上升速度以及模版固定盘(121)的水平移动速度，使模版固定盘(121)和复制硬模具基板(112)相对运动方向与斜齿光栅的斜齿倾斜方向一致；不断移动，复制硬模具基板(112)和纳米压印原始模版(111)之间远离完成脱模，得到复制硬模具基板(112)上的斜齿光栅反结构，斜齿光栅反结构位于复制硬模具基板(112)的顶面；
步骤7：取下纳米压印原始模版(111)和复制硬模具基板(112)，将模版固定盘(121)与基板托盘(122)复位；
步骤8：通过旋涂设备将光学压印胶(212)涂布于玻璃基板(211)顶面，形成厚度为涂布层；
步骤9：将玻璃基板(211)底面平置固定于基板托盘(122)顶面；将复制硬模具基板(112)倒置，复制硬模具基板(112)顶面及其上的斜齿光栅反结构朝下，复制硬模具基板(112)平置固定于模版固定盘(121)底面，且复制硬模具基板(112)位于玻璃基板(211)正上方；
步骤10：将复制硬模具基板(112)和玻璃基板(211)置于密封的压印腔体中，压印腔体抽真空；
步骤11：由下伺服电机(131)带动基板托盘(122)上升，由上伺服电机(132)带动导轨(151)下降移动，同时控制金属臂(141、142)的伸缩配合带动模版固定盘(121)在导轨(151)上水平移动，调节基板托盘(122)的上升速度、导轨(151)下降速度以及模版固定盘(121)的水平移动速度，使玻璃基板(211)和复制硬模具基板(112)相对运动方向与斜齿光栅反结构的斜齿倾斜方向一致；不断移动，基板托盘(122)和模版固定盘(121)之间相互靠拢，涂布层中的光学压印胶(212)会在虹吸效应下充满填充复制硬模具基板(112)表面的斜齿光栅反结构，继续上升基板托盘(122)和下降导轨(151)将基板托盘(122)和模版固定盘(121)之间相互压紧施加压力，完成压印；
步骤12：紫外曝光，使光学压印胶(212)固化；
步骤13：由下伺服电机(131)带动基板托盘(122)下降，由上伺服电机(132)带动导轨(151)上升移动，同时控制金属臂(141、142)的伸缩配合带动模版固定盘(121)在导轨(151)上水平移动，调节基板托盘(122)的下降速度、导轨(151)上升速度以及模版固定盘(121)的水平移动速度，使模版固定盘(121)和复制硬模具基板(112)相对运动方向与斜齿光栅反结构的斜齿倾斜方向一致；不断移动，玻璃基板(211)和复制硬模具基板(112)之间远离完成脱模，得到模版固定盘(121)上的斜齿光栅反结构，斜齿光栅反结构位于复制硬模具基板(112)的顶面；
步骤14：完成纳米压印，获得与原始的纳米压印原始模版(111)斜齿光栅一致的斜齿光栅成品，取出复制硬模具基板(112)及玻璃基板(211)上压印完成的斜齿光栅成品，将模版固定盘(121)与基板托盘(122)复位。
2.根据权利要求1所述的一种斜齿光栅的纳米压印方法，其特征在于：
所述的聚合物胶体(113)为PDMS。
3.根据权利要求1所述的一种斜齿光栅的纳米压印方法，其特征在于：
所述的复制硬模具基板(112)、纳米压印原始模版(111)均通过真空吸附分别固定于基板托盘(122)、模版固定盘(121)表面。
4.根据权利要求1所述的一种斜齿光栅的纳米压印方法，其特征在于：
所述光学纳米压印胶(114)和光学压印胶(212)均采用可被紫外曝光固化的聚合物胶体，且聚合物胶体的粘稠度低于50mPa·s。
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2020
- 2020-08-13 CN CN202010812334.4A patent/CN111929985A/zh active Pending
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