CN113933922A - 用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜及其制备方法，该超薄复合材料衍射透镜由高强度的超薄玻璃支撑层(1)、导电膜温度控制层(2)、柔性高分子聚合物防爆层(3)、基板面形补偿层(4)、衍射功能层(5)五层结构组成。本发明的显著特点是该超薄复合材料衍射透镜质量轻薄，强度高，光学性能良好，通电可温控，稳定性和可靠性高，可应用于大口径、轻量化、高分辨率的衍射成像系统。
Description
技术领域
本发明属于衍射成像技术和微纳米加工技术领域，具体涉及一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜及其制备方法。
背景技术
超薄基底衍射透镜具有质量和体积极其轻薄的显著优势，在天基轻量化对地观测成像、机载高分辨率探测、新型衍射光学成像系统等领域具有广阔的应用前景，近年来成为国内外科研人员的研究热点。
近年来，一些中小口径的聚酰亚胺薄膜基底菲涅尔衍射透镜相继被研制出来。虽然这些衍射透镜的镜面区域面密度很低，看似符合研制的初衷，但仍存在以下重要问题亟待解决：一是由于镜框需要抵抗薄膜的拉应力而不变形，其体积和重量都很大，降低了超薄基底衍射透镜在质量轻薄方面的优势；二是聚酰亚胺薄膜材料的强度和基频都很低，不耐冲击和震动，在实际应用中稳定性和可靠性不足；三是聚酰亚胺材料的环境适应不好，如：不耐潮湿、不耐原子氧，极大地限制了其应用场景。上述问题的存在导致现有的超薄基底衍射透镜无法实际应用。
超薄钢化玻璃的质量轻薄、强度高、抗冲击和抗弯能力强，这些优势正是轻量化衍射透镜所急需的。但是，利用超薄钢化玻璃制作衍射透镜仍然面临一些无法回避的关键性问题：①钢化玻璃表面具有预应力，易发生爆裂；②相比常用的聚酰亚胺和熔融石英材料，钢化玻璃的热膨胀系数较大，在温度发生大幅度变化时，钢化玻璃会产生形变，导致系统成像质量变差；③钢化玻璃的透射波前误差RMS通常在几个到几十个波长之间，面形精度无法满足高分辨率成像的实际需求，同时由于材料本身的性质和内应力的存在，也无法直接通过光学加工技术进行面形修正；④钢化玻璃与半导体加工技术的工艺兼容性不好，即无法直接进行微纳米结构的制作。上述问题限制了超薄钢化玻璃在超薄基底衍射透镜领域的使用。因此，迫切需要发展一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜及其制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜及其制备方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜，该超薄复合材料衍射透镜由超薄玻璃支撑层、导电膜温度控制层、柔性高分子聚合物防爆层、基板面形补偿层和衍射功能层五层结构组成，其中：
所述超薄玻璃支撑层厚度不超过2mm；
所述导电膜温度控制层设置于所述超薄玻璃支撑层下面，具有面体发热能力，厚度不超过100nm；
所述柔性高分子聚合物防爆层设置于所述导电膜温度控制层下面，其厚度不超过20μm，杨氏模量不低于2GPa；
所述基板面形补偿层设置于所述超薄玻璃支撑层上面，可进行光学加工；
所述衍射功能层设置于所述基板面形补偿层上面，可直接进行微纳米结构加工。
进一步的，所述超薄玻璃支撑层的材料为超薄钢化玻璃；
所述导电膜温度控制层为透明导电氧化物薄膜，所述导电膜温度控制层通电后能为透镜提供温控功能；
所述柔性高分子聚合物防爆层的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷；
所述基板面形补偿层的材料为熔融石英，为应用上述超薄复合材料制作所述衍射透镜提供面形基础；
所述衍射功能层为表面覆盖微纳米结构的熔融石英、光刻胶或紫外压印胶材料，所述微纳米结构具有相位调控功能，为所述衍射透镜提供聚焦成像功能。
进一步的，所述导电膜温度控制层材料为氧化铟锡薄膜或其衍生物。
进一步的，所述超薄复合材料衍射透镜的总厚度不超过2.5mm；在可见光波段的综合光学透过率优于80％，综合透射波前RMS误差优于0.05λ；能通过温度控制保持透镜恒温、无变形，从而实现高分辨率成像。
本发明中，高强度的超薄玻璃支撑层具有高强度、抗冲击和抗弯能力强、厚度薄、光学透过率高的特点；导电膜温度控制层具有面体发热能力、光学透过率高的特点；柔性高分子聚合物防爆层的柔性较好、杨氏模量较高、光学透过率高的特点；基板面形补偿层具有可进行光学加工、光学透过率高的特点；衍射功能层具有与半导体加工技术的工艺兼容性良好、可直接进行微纳米结构加工的特点。
高强度的超薄玻璃支撑层厚度的减薄使得材料内部的缺陷大大减少，同时经过物理或化学钢化处理后，该支撑层具有厚度薄、光学透过率高、抗冲击和抗弯能力强的特点，为超薄复合材料衍射透镜提供高强度的基底支撑。
导电膜温度控制层通电后，该温度控制层将为透镜提供温控功能，可防止因环境温度变化导致的镜体变形、成像质量下降问题。
柔性高分子聚合物防爆层具有柔性较好、杨氏模量较高、光学透过率高的特点，该防爆层具有较好的柔性和较高的杨氏模量，可降低导电膜发生脱落和超薄玻璃发生爆裂的风险，并避免特殊情况下玻璃发生爆裂时散落在仪器内部，减小风险损失。
基板面形补偿层为熔融石英材料，在可见光及近红外波段的光学透过率高，且经过光学加工面形修正后，可用于补偿支撑层、温控层和防爆层的透射波前面形，弥补了钢化玻璃因材料本身和内应力限制而无法进行高精度面形抛光的缺陷，为应用上述超薄复合材料制作用于高分辨率成像的衍射透镜提供面形基础。
本发明所述用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的质量轻薄，耐冲击和抗弯强度高，在可见光波段的综合光学透过率可优于80％，综合透射波前误差RMS可优于0.05λ，光学性能良好，可以通过温度控制保持透镜恒温、无变形。因此，该超薄复合材料衍射透镜可实现高分辨率的衍射成像。
本发明还提供了用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，该制备方法可通过两种工艺流程实现。
第一种工艺流程，包括以下步骤：
首先，取一块超薄钢化玻璃，作为高强度的超薄玻璃支撑层；
其次，利用薄膜沉积技术在所述超薄玻璃支撑层的其中一面镀制一层透明氧化铟锡薄膜，作为导电膜温度控制层；
然后，通过旋转涂覆成膜技术在所述导电膜温度控制层的表面覆盖一层聚合物材料，作为柔性高分子聚合物防爆层；
之后，利用薄膜沉积技术在所述超薄玻璃支撑层的另一面镀制一层二氧化硅，并通过光学加工技术对其进行面形修正，作为基板面形补偿层补偿所述超薄玻璃支撑层、导电膜温度控制层和柔性高分子聚合物防爆层的综合透射波前面形误差；
最后，直接在基板面形补偿层残余的二氧化硅材料表面，通过光刻技术制备覆盖具有相位调制功能的微纳米结构，作为衍射功能层，进而获得由五层结构组成的超薄复合材料衍射透镜。
第二种工艺流程，包括以下步骤：
首先，取一块超薄钢化玻璃，作为高强度的超薄玻璃支撑层；
其次，利用薄膜沉积技术在所述超薄玻璃支撑层的其中一面镀制一层透明氧化铟锡薄膜，作为导电膜温度控制层；
然后，通过旋转涂覆成膜技术在所述导电膜温度控制层的表面覆盖一层聚合物材料，作为柔性高分子聚合物防爆层；
之后，利用薄膜沉积技术在超薄玻璃支撑层的另一面镀制一层二氧化硅，并通过光学加工技术对其进行面形修正，作为基板面形补偿层补偿超薄玻璃支撑层、导电膜温度控制层和柔性高分子聚合物防爆层的综合透射波前面形误差；
最后，在基板面形补偿层的表面涂覆一层压印胶，并取一块压印模板，利用压印技术将具有相位调制功能的微纳米结构复制在基板面形补偿层表面，作为衍射功能层，进而获得由五层结构组成的超薄复合材料衍射透镜。
其中，用于制作透明氧化铟锡薄膜温控层的薄膜沉积技术，具体为等离子体溅射薄膜沉积技术；用于制作二氧化硅面形补偿层的薄膜沉积技术，具体为电子束蒸发沉积技术、等离子体溅射沉积技术或化学气相沉积技术；用于面形修正的光学加工技术，具体为研磨抛光技术、磁流变抛光技术或等离子体修正技术；用于形成衍射功能层的光刻技术，具体为接触式曝光技术、激光直写技术或电子束直写技术；用于形成衍射功能层的压印技术，具体为热压印技术或紫外压印技术。
本发明具有以下优点：与现有的聚酰亚胺薄膜基底衍射透镜相比，该超薄复合材料衍射透镜的强度高、抗冲击和抗弯能力强、通电可温控、光学性能良好、稳定性和可靠性高，应用该超薄复合材料衍射透镜可实现大口径、轻量化、高分辨率的衍射成像。
附图说明
图1是一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的组成结构示意图；
其中：1-高强度的超薄玻璃支撑层，2-导电膜温度控制层、3-柔性高分子聚合物防爆层、4-基板面形补偿层、5-衍射功能层。
图2是第一实施例的工艺流程示意图，其中图2-1至图2-5为相应的流程步骤；
其中：1-超薄钢化玻璃，2-透明氧化铟锡薄膜，3-聚酰亚胺薄膜，4-二氧化硅薄膜，5-二氧化硅材料的衍射结构。
图3是第二实施例的工艺流程示意图，其中图3-1至图3-5为相应的流程步骤；
其中：1-超薄钢化玻璃，2-透明氧化铟锡薄膜，31-聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，4-二氧化硅薄膜，51-紫外压印胶材料的衍射结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
通过以下实施例，本领域技术人员即可实现本发明的技术方案。
如图1所示，一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜，由超薄玻璃支撑层1、导电膜温度控制层2、柔性高分子聚合物防爆层3、基板面形补偿层4和衍射功能层5五层结构组成，其中：
所述超薄玻璃支撑层1厚度不超过2mm；
所述导电膜温度控制层2设置于所述超薄玻璃支撑层1下面，具有面体发热能力，厚度不超过100nm；
所述柔性高分子聚合物防爆层3设置于所述导电膜温度控制层2下面，其厚度不超过20μm，杨氏模量不低于2GPa；
所述基板面形补偿层4设置于所述超薄玻璃支撑层1上面，可进行光学加工；
所述衍射功能层5设置于所述基板面形补偿层4上面，可直接进行微纳米结构加工。
其中，所述超薄玻璃支撑层1)的材料为超薄钢化玻璃；
所述导电膜温度控制层2为透明导电氧化物薄膜，具体为氧化铟锡薄膜或其衍生物。所述导电膜温度控制层2通电后能为透镜提供温控功能；
所述柔性高分子聚合物防爆层3的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷；
所述基板面形补偿层4的材料为熔融石英，为应用上述超薄复合材料制作所述衍射透镜提供面形基础；
所述衍射功能层5为表面覆盖微纳米结构的熔融石英、光刻胶或紫外压印胶材料，所述微纳米结构具有相位调控功能，为所述衍射透镜提供聚焦成像功能。
所述超薄复合材料衍射透镜的总厚度不超过2.5mm；在可见光波段的综合光学透过率优于80％，综合透射波前RMS误差优于0.05λ；能通过温度控制保持透镜恒温、无变形，从而实现高分辨率成像。
如图2所示，所述用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，其第一实施例采用第一种工艺流程，包括以下步骤：
(1)如图2-1所示，取一块厚度1.5mm的超薄钢化玻璃1；
(2)如图2-2所示，利用磁控溅射沉积技术在超薄钢化玻璃1的其中一面镀制一层厚度100nm的透明氧化铟锡薄膜2；
(3)如图2-3所示，通过旋转涂覆成膜技术在透明氧化铟锡薄膜2的表面覆盖一层厚度5μm的聚酰亚胺薄膜3；
(4)如图2-4所示，使用干涉仪测量1/2/3三层结构的综合透射波前面形误差RMS为4λ，利用电子束蒸发沉积技术在超薄钢化玻璃1的另一面镀制一层厚度6μm(薄膜厚度根据前面测得的面形误差来估计)的二氧化硅薄膜4，并通过磁流变抛光技术对其进行面形修正，补偿支撑层、温控层和防爆层的综合透射波前面形误差，使1/2/3/4层结构的综合透射波前面形误差RMS优于0.03λ(给后续微纳米结构加工留一部分面形误差余量)；
(5)如图2-5所示，直接在残余的二氧化硅薄膜4表面，通过激光直写技术和反应离子刻蚀技术制备衍射功能微纳米结构即制备二氧化硅材料的衍射结构5，制备获得由1/2/3/4/5五层结构组成的超薄复合材料衍射透镜，该衍射透镜在可见光波段的综合光学透过率优于80％，综合透射波前RMS误差优于0.05λ。
如图3所示，所述用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，其第二实施例采用第二种工艺流程，包括以下步骤：
(1)如图3-1所示，取一块厚度1.5mm的超薄钢化玻璃1；
(2)如图3-2所示，利用磁控溅射沉积技术在超薄钢化玻璃1的其中一面镀制一层厚度100nm的透明氧化铟锡薄膜2；
(3)如图3-3所示，通过旋转涂覆成膜技术在透明氧化铟锡薄膜2的表面覆盖一层厚度5um的聚酰亚胺薄膜31；
(4)如图3-4所示，使用干涉仪测量1/2/31三层结构的综合透射波前面形误差RMS为4λ，利用电子束蒸发沉积技术在超薄钢化玻璃1的另一面镀制一层厚度4um(薄膜厚度根据前面测得的面形误差来估计)的二氧化硅薄膜4，并通过磁流变抛光技术对其进行面形修正，补偿支撑层、温控层和防爆层的透射波前面形误差，使1/2/31/4四层结构的综合透射波前面形误差RMS优于0.03λ(给后续微纳米结构加工留一部分面形误差余量)；
(5)如图3-5所示，在残余的二氧化硅薄膜4表面涂覆紫外压印胶NOA61，并取一块压印模板，利用紫外压印技术将具有相位调制功能的微纳米结构即紫外压印胶材料的衍射结构51复制在4的表面，制备获得由1/2/31/4/51五层结构组成的超薄复合材料衍射透镜，该衍射透镜在可见光波段的综合光学透过率优于80％，综合透射波前RMS误差优于0.05λ。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
Claims (9)
1.一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜，其特征在于：该超薄复合材料衍射透镜由超薄玻璃支撑层(1)、导电膜温度控制层(2)、柔性高分子聚合物防爆层(3)、基板面形补偿层(4)和衍射功能层(5)五层结构组成，其中：
所述超薄玻璃支撑层(1)厚度不超过2mm；
所述导电膜温度控制层(2)设置于所述超薄玻璃支撑层(1)下面，具有面体发热能力，厚度不超过100nm；
所述柔性高分子聚合物防爆层(3)设置于所述导电膜温度控制层(2)下面，其厚度不超过20μm，杨氏模量不低于2GPa；
所述基板面形补偿层(4)设置于所述超薄玻璃支撑层(1)上面，可进行光学加工；
所述衍射功能层(5)设置于所述基板面形补偿层(4)上面，可直接进行微纳米结构加工。
2.如权利要求1所述的一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜，其特征在于：
所述超薄玻璃支撑层(1)的材料为超薄钢化玻璃；
所述导电膜温度控制层(2)为透明导电氧化物薄膜，所述导电膜温度控制层(2)通电后能为透镜提供温控功能；
所述柔性高分子聚合物防爆层(3)的材料为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷；
所述基板面形补偿层(4)的材料为熔融石英，为制作所述衍射透镜提供面形基础；
所述衍射功能层(5)为表面覆盖微纳米结构的熔融石英、光刻胶或紫外压印胶材料，所述微纳米结构具有相位调控功能，为所述衍射透镜提供聚焦成像功能。
3.如权利要求2所述的一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜，其特征在于：
所述导电膜温度控制层(2)材料为氧化铟锡薄膜或其衍生物。
4.如权利要求1所述的一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜，其特征在于：
所述超薄复合材料衍射透镜的总厚度不超过2.5mm；在可见光波段的综合光学透过率优于80％，综合透射波前RMS误差优于0.05λ；能通过温度控制保持透镜恒温、无变形，从而实现高分辨率成像。
5.一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，其特征在于：该方法通过以下工艺流程实现：
首先，取一块超薄钢化玻璃，作为高强度的超薄玻璃支撑层(1)；
其次，利用薄膜沉积技术在所述超薄玻璃支撑层(1)的其中一面镀制一层透明氧化铟锡薄膜，作为导电膜温度控制层(2)；
然后，通过旋转涂覆成膜技术在所述导电膜温度控制层(2)的表面覆盖一层聚合物材料，作为柔性高分子聚合物防爆层(3)；
之后，利用薄膜沉积技术在所述超薄玻璃支撑层(1)的另一面镀制一层二氧化硅，并通过光学加工技术对其进行面形修正，作为基板面形补偿层(4)补偿所述超薄玻璃支撑层(1)、导电膜温度控制层(2)和柔性高分子聚合物防爆层(3)的综合透射波前面形误差；
最后，直接在基板面形补偿层(4)残余的二氧化硅材料表面，通过光刻技术制备覆盖具有相位调制功能的微纳米结构，作为衍射功能层(5)，进而获得由五层结构组成的超薄复合材料衍射透镜。
6.如权利要求5所述的一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，其特征在于：所述用于形成衍射功能层的光刻技术，具体为接触式曝光技术、激光直写技术或电子束直写技术。
7.一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，其特征在于：该方法通过以下工艺流程实现：
首先，取一块超薄钢化玻璃，作为高强度的超薄玻璃支撑层(1)；
其次，利用薄膜沉积技术在所述超薄玻璃支撑层(1)的其中一面镀制一层透明氧化铟锡薄膜，作为导电膜温度控制层(2)；
然后，通过旋转涂覆成膜技术在所述导电膜温度控制层(2)的表面覆盖一层聚合物材料，作为柔性高分子聚合物防爆层(3)；
之后，利用薄膜沉积技术在超薄玻璃支撑层(1)的另一面镀制一层二氧化硅，并通过光学加工技术对其进行面形修正，作为基板面形补偿层(4)补偿超薄玻璃支撑层(1)、导电膜温度控制层(2)和柔性高分子聚合物防爆层(3)的综合透射波前面形误差；
最后，在基板面形补偿层(4)的表面涂覆一层压印胶，并取一块压印模板，利用压印技术将具有相位调制功能的微纳米结构复制在基板面形补偿层(4)表面，作为衍射功能层(5)，进而获得由五层结构组成的超薄复合材料衍射透镜。
8.如权利要求7所述的一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，其特征在于：所述用于形成衍射功能层的压印技术，具体为热压印技术或紫外压印技术。
9.如权利要求5或7所述的一种用于高分辨率成像的超薄复合材料衍射透镜的制备方法，其特征在于：所述用于制作导电膜温度控制层的薄膜沉积技术，具体为等离子体溅射薄膜沉积技术；所述用于制作基板面形补偿层(4)的薄膜沉积技术，具体为电子束蒸发沉积技术、等离子体溅射沉积技术或化学气相沉积技术；所述用于面形修正的光学加工技术，具体为研磨抛光技术、磁流变抛光技术或等离子体修正技术。
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