CN205581335U - 一种具有涂镀层的光学元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种具有涂镀层的光学元件，所述光学元件具有凹形态的表面形貌特征，所述涂镀层的厚度不超过光学元件表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一。本实用新型针对具有凹形态的表面形貌特征的光学元件所设置的涂镀层厚度，能够提高带涂镀层的光学元件的光学性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学元件，特别是一种具有涂镀层的光学元件。
背景技术
微结构在越来越多的领域得到了广泛的应用，例如：传感器、光学系统和细胞工程等，人们对新的微结构的制作需求也日渐高涨。九十年代末一种新的微图形复制技术脱颖而出，通称为软光刻技术(soft lithography)。软光刻技术是相对于传统的光刻技术而言的，相比于传统的光刻技术，它可以突破100nm尺寸制作微细机构，可以制造复杂的三维结构并且能在曲面上应用，可以在不同化学性质表面上使用等优点。
软光刻技术中最常用的材料是PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)。PDMS-DC(PDMS double casting，基于PDMS的两次复制)技术是一种低成本的复制工艺，但是同时却能得到高保真度的复制品。PDMS-DC技术包括两个步骤：(1)使用PDMS复制一个表面具有微细的结构的母模，得到一个材料是PDMS的阴模；(2)以(1)中的PDMS阴模为母模，使用PDMS进行第二次复制得到一个与原始的母模表面结构一样的复制品。然而，由于PDMS材料本身固有相互之间粘连的特性使得上述步骤(2)中第二次复制后的脱模失败，所以必须对阴模的表面进行化学的或者物理的处理以使得第二次复制脱模成功。一种有效的处理方法是在PDMS阴模表面沉积一层派瑞林C材料。
光学元件表面涂覆薄膜的目的是多种多样的，如做保护膜，改性处理，还有前述的抗粘连作用；但是不管是用于什么目的，涂覆薄膜必然会对光学元件本来的形貌造成影响。对于光学元件，影响其表面形貌也就影响到其光学性能，例如对光栅而言，涂覆薄膜会对其衍射效率产生影响。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有涂镀层的光学元件，提高带涂镀层的光学元件的光学性能。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种具有涂镀层的光学元件，所述光学元件具有凹形态的表面形貌特征，所述涂镀层的厚度不超过光学元件表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一。
进一步地：
所述光学元件为光栅周期为1μm、槽深为250nm的矩形槽光栅，所述涂镀层的厚度不超过25nm。
所述涂镀层的厚度为10-25nm。
所述光学元件为圆环间距为100μm、槽深为17微米的菲涅尔透镜，所述涂镀层的厚度不超过1.7μm。
所述涂镀层为派瑞林材料。
所述涂镀层的厚度为600nm-1.7μm。
所述光学元件为圆环间距为100μm、槽深为17微米的菲涅尔透镜，所述涂镀层为采用高分子聚合物自组装在所示光学元件的表面形成的10nm厚的薄膜。
本实用新型的有益效果：
根据本实用新型的光学元件，在光学元件表面具有不超过光学元件表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一的涂镀层厚度，按此最佳厚度在具有凹形态的表面形貌特征的光学元件表面形成涂镀层，能够使涂镀层对光学元件的光学性能带来的不良影响降至最低，从而使具有涂镀层的光学元件能够获得最佳的光学性能。
附图说明
图1A至图1C为三种光学元件表面涂镀薄膜的示意图，三种光学元件分别是矩形槽、锯齿槽和菲涅尔透镜面型；
图2A至图2C以矩形槽光栅为例判断表面形貌凹凸性的方法示意图；
图3所示为光学元件涂覆薄膜前后的衍射效率对比图。
具体实施方式
以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
一种具有涂镀层的光学元件，所述光学元件具有凹形态的表面形貌特征，所述涂镀层的厚度不超过光学元件表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一。
如图1A所示，在一种优选的实施例中，所述光学元件1a为光栅周期为1μm、槽深为250nm的矩形槽光栅，所述涂镀层1b的厚度为不超过25nm。
在更优选的实施例中，所述涂镀层的厚度为10-25nm。
如图1C所示，在另一种优选的实施例中，所述光学元件为圆环间距为100μm、槽深为17微米的菲涅尔透镜，所述涂镀层3b的厚度为不超过1.7μm。
在一种具体实施例中，所述涂镀层为派瑞林材料，优选为采用化学气相沉积的方法涂覆的派瑞林材料。
在更优选的实施例中，所述涂镀层的厚度为600nm-1.7μm。
在一种优选的实施例中，所述光学元件为圆环间距为100μm、槽深为17微米的菲涅尔透镜，所述涂镀层为采用高分子聚合物自组装在所示光学元件的表面形成的10nm厚的薄膜。
一种在光学元件上制作涂镀层的方法，包括如下步骤：
鉴别光学元件的表面形貌特征，确定其凹凸形态；
对于表面形貌特征确定为凹形态的光学元件，通过PCGrate仿真分析重构光学元件在具有多种不同厚度的涂镀层时的表面形貌，仿真并比较不同涂镀层厚度时光学元件的性能，分析不同涂镀层厚度对于光学元件的性能的影响，以确定最佳涂镀层厚度；
基于所确定的最佳涂镀层厚度，在光学元件上制作涂镀层。
所述最佳涂镀层厚度为不超过光学元件表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一。
以下结合附图对本实用新型的具体制作例及其优点进行进一步说明。
根据具体实施例，在光学元件上制作涂镀层的方法可包括如下步骤：
A、鉴别光学元件表面形貌特征，确定凹凸形态。光学元件表面的微细结构相对于其本身是无限小的，所以可以认为光学元件本身是一个闭合的几何形状，然后利用判断凹凸多边形的方法判断其凹凸形态，即：把一个多边形的所有边中，有一条边向两方无限延长成为一直线时，其他各边都在此直线的同旁，则该多边形为凹多边形，否则为凸多边形。
B、对于表面形貌特征为凹形态的光学元件，利用PCGrate软件仿真分析和计算，按照不同厚度的涂镀层重构其表面形貌。对判断为外凸形态的光学元件，涂镀层在理论上不会影响其表面特征，可以理解为表面形貌向外平移；但是对于判断为凹形态的光学元件，涂镀层必然会影响其本来的形貌特征，需要理论分析及计算，并在PCGrate软件重构其表面形貌特征。
C、比较不同涂镀层厚度对于光学元件性能的影响，确定最佳涂镀层厚度。在PCGrate软件中分别仿真涂镀薄膜前后的光学元件光学性能，并对比分析，结合实际涂镀薄膜工艺，确定最佳的涂镀层厚度。
以下实例说明基于PCGrate软件仿真分析确定光学元件最佳涂镀层厚度的方法，具体如下：
首先根据判断凹凸多边形的方法来判断光学元件表面微细结构的凹凸性。虽然例如像光栅表面上的栅线不是封闭的图形，但是相对元件的尺寸，光栅的周期和槽深等参数的尺寸是无限小的，所以可以认为光学元件本身是一个无限大的闭合的几何形状，然后根据判断凹凸多边形的方法来判断光学元件表面微细结构的凹凸性，即：把一个多边形的所有边中，有一条边向两方无限延长成为一直线时，其他各边都在此直线的异侧，则该多边形为凹多边形，否则为凸多边形。
根据这个原理，我们可以判断光学元件表面的微细结构的凹凸性，以图1A的矩形槽光栅的表面微细结构为例，我们截取其一个周期(对于一个25mm*25mm大小的光栅，其周期为1μm，即该光栅上有25000周期)，如图2A所示，但它不是一个闭合图形，为了能使用判断凹凸性的定理，我们将这一个周期的矩形槽的起止点按照凸面型结构连接如图2B所示，形成一个闭合的图形如图2C所示，此时，运用判断闭合图形凹凸性的定理易于判断其是凹的。
图1B所示是带有涂镀层2b的锯齿型表面2a的微细结构，同理可以判断该结构是凸的。
图1C所示是带有涂镀层3b的菲涅尔透镜面型，同理可判断其中心圆环的部分3a是凹的，其他的同心圆环3c的凸的。
对于表面形貌为凹形态的，如图1A所示的矩形槽型的光栅，涂镀薄膜必然会影响其本身的特征，虽然槽深和光栅周期不变，但是占空比显然是发生改变。假定一个矩形槽的光栅周期为1μm，槽深250nm，初始占空比(凸起部分与光栅周期的比值)为50％，当涂层的厚度变化时，它的占空比也随之发生变化，随之对于光栅的衍射效率产生影响。假定涂层的厚度时25nm(表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一)，则其占空比变成了55％，根据这个变化规律在PCGrate软件重构其表面特征以模拟涂镀薄膜之后的元件表面特征。
在PCGrate软件中分别仿真涂镀薄膜前后的光学元件光学性能，并对比分析，结合实际涂镀薄膜工艺，确定最佳的涂镀层厚度。如图3所示，当涂镀层厚度分别是表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一以下时，矩形槽光栅涂镀膜前后的衍射效率基本一致，而实际工艺中这个厚度值又可以实现，所以我们可以确定涂镀层的厚度为表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一以下是最佳的。给出一个科学的量化的指标，实际的涂覆厚度应该是从无限小到十分之一(即大于十分之一时是不可取的)，更优选的取值根据涂覆薄膜的工艺可行性和成本来选取，具体来说：(a)对于矩形槽光栅(槽深最小几何尺寸是250nm)，采用高分子聚合物自组装自然在元件表面薄膜，优选大概在10nm左右的厚度；(b)对于菲涅尔透镜，圆环间距(槽宽)为100μm，槽深为17微米(最小几何尺寸)，既可以采用高分子聚合物自组装的方法涂覆薄膜，厚度10nm，远小于十分之一的标准；也可以采用化学气相沉积的方法涂覆派瑞林材料，涂覆薄膜厚度在1.7μm以下，更优选600nm以上，即此时最佳选择范围为600nm-1.7μm。
对于一些应用，光学元件涂覆的薄膜在本实用新型提出的最小凹形态尺寸的十分之一以下的限度内越厚越好(保护作用越好，抗粘连效果最佳等)。
本实用新型所确定的光学元件表面涂镀薄膜层的最佳厚度范围为不超过其表面形貌特征中最小几何尺寸的十分之一，实验结果表明其效果对具有凹形态的表面形貌特征的光学元件具有普适性。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种具有涂镀层的光学元件，所述光学元件具有凹形态的表面形貌特征，其特征在于,所述涂镀层的厚度不超过光学元件表面微细结构的最小凹形态尺寸的十分之一。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于,所述光学元件为光栅周期为1μm、槽深为250nm的矩形槽光栅，所述涂镀层的厚度不超过25nm。
3.如权利要求2所述的光学元件，其特征在于,所述涂镀层的厚度为10-25nm。
4.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于,所述光学元件为圆环间距为100μm、槽深为17微米的菲涅尔透镜，所述涂镀层的厚度不超过1.7μm。
5.如权利要求4所述的光学元件，其特征在于,所述涂镀层为派瑞林材料。
6.如权利要求4或5所述的光学元件，其特征在于,所述涂镀层的厚度为600nm-1.7μm。
7.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于,所述光学元件为圆环间距为100μm、槽深为17微米的菲涅尔透镜，所述涂镀层为采用高分子聚合物自组装在所示光学元件的表面形成的10nm厚的薄膜。
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