一種具有涂鍍層的光學(xué)元件的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有涂鍍層的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件具有凹形態(tài)的表面形貌特征，所述涂鍍層的厚度不超過光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一。本實用新型針對具有凹形態(tài)的表面形貌特征的光學(xué)元件所設(shè)置的涂鍍層厚度，能夠提高帶涂鍍層的光學(xué)元件的光學(xué)性能。
【專利說明】
一種具有涂鍍層的光學(xué)元件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及光學(xué)元件，特別是一種具有涂鍍層的光學(xué)元件。
【背景技術(shù)】
[0002]微結(jié)構(gòu)在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如:傳感器、光學(xué)系統(tǒng)和細胞工程等，人們對新的微結(jié)構(gòu)的制作需求也日漸高漲。九十年代末一種新的微圖形復(fù)制技術(shù)脫穎而出，通稱為軟光刻技術(shù)(soft lithography)。軟光刻技術(shù)是相對于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)而言的，相比于傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，它可以突破10nm尺寸制作微細機構(gòu)，可以制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)并且能在曲面上應(yīng)用，可以在不同化學(xué)性質(zhì)表面上使用等優(yōu)點。
[0003]軟光刻技術(shù)中最常用的材料是PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基娃氧燒)。PDMS-DC(PDMS double casting，基于PDMS的兩次復(fù)制)技術(shù)是一種低成本的復(fù)制工藝，但是同時卻能得到高保真度的復(fù)制品。PDMS-DC技術(shù)包括兩個步驟:(I)使用PDMS復(fù)制一個表面具有微細的結(jié)構(gòu)的母模，得到一個材料是PDMS的陰模；(2)以(I)中的PDMS陰模為母模，使用PDMS進行第二次復(fù)制得到一個與原始的母模表面結(jié)構(gòu)一樣的復(fù)制品。然而，由于I3DMS材料本身固有相互之間粘連的特性使得上述步驟(2)中第二次復(fù)制后的脫模失敗，所以必須對陰模的表面進行化學(xué)的或者物理的處理以使得第二次復(fù)制脫模成功。一種有效的處理方法是在PDMS陰模表面沉積一層派瑞林C材料。
[0004]光學(xué)元件表面涂覆薄膜的目的是多種多樣的，如做保護膜，改性處理，還有前述的抗粘連作用;但是不管是用于什么目的，涂覆薄膜必然會對光學(xué)元件本來的形貌造成影響。對于光學(xué)元件，影響其表面形貌也就影響到其光學(xué)性能，例如對光柵而言，涂覆薄膜會對其衍射效率產(chǎn)生影響。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有涂鍍層的光學(xué)元件，提高帶涂鍍層的光學(xué)元件的光學(xué)性能。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種具有涂鍍層的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件具有凹形態(tài)的表面形貌特征，所述涂鍍層的厚度不超過光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一。
[0008]進一步地:
[0009]所述光學(xué)元件為光柵周期為Ιμπι、槽深為250nm的矩形槽光柵，所述涂鍍層的厚度不超過25nm。
[0010]所述涂鍍層的厚度為10-25nmo
[0011]所述光學(xué)元件為圓環(huán)間距為ΙΟΟμπι、槽深為17微米的菲涅爾透鏡，所述涂鍍層的厚度不超過1.7μηι。
[0012]所述涂鍍層為派瑞林材料。
[0013]所述涂鍍層的厚度為600nm-1.7ymo
[0014]所述光學(xué)元件為圓環(huán)間距為ΙΟΟμπι、槽深為17微米的菲涅爾透鏡，所述涂鍍層為采用高分子聚合物自組裝在所示光學(xué)元件的表面形成的1nm厚的薄膜。
[0015]本實用新型的有益效果:
[0016]根據(jù)本實用新型的光學(xué)元件，在光學(xué)元件表面具有不超過光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一的涂鍍層厚度，按此最佳厚度在具有凹形態(tài)的表面形貌特征的光學(xué)元件表面形成涂鍍層，能夠使涂鍍層對光學(xué)元件的光學(xué)性能帶來的不良影響降至最低，從而使具有涂鍍層的光學(xué)元件能夠獲得最佳的光學(xué)性能。
【附圖說明】
[0017]圖1A至圖1C為三種光學(xué)元件表面涂鍍薄膜的示意圖，三種光學(xué)元件分別是矩形槽、鋸齒槽和菲涅爾透鏡面型；
[0018]圖2Α至圖2C以矩形槽光柵為例判斷表面形貌凹凸性的方法示意圖；
[0019]圖3所示為光學(xué)元件涂覆薄膜前后的衍射效率對比圖。
【具體實施方式】
[0020]以下對本實用新型的實施方式作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實用新型的范圍及其應(yīng)用。
[0021]一種具有涂鍍層的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件具有凹形態(tài)的表面形貌特征，所述涂鍍層的厚度不超過光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一。
[0022]如圖1A所示，在一種優(yōu)選的實施例中，所述光學(xué)元件Ia為光柵周期為Ιμπι、槽深為250nm的矩形槽光柵，所述涂鍍層Ib的厚度為不超過25nm。
[0023]在更優(yōu)選的實施例中，所述涂鍍層的厚度為10_25nm。
[0024]如圖1C所示，在另一種優(yōu)選的實施例中，所述光學(xué)元件為圓環(huán)間距為ΙΟΟμπι、槽深為17微米的菲涅爾透鏡，所述涂鍍層3b的厚度為不超過1.7μπι。
[0025]在一種具體實施例中，所述涂鍍層為派瑞林材料，優(yōu)選為采用化學(xué)氣相沉積的方法涂覆的派瑞林材料。
[0026]在更優(yōu)選的實施例中，所述涂鍍層的厚度為600nm_l.7μπι。
[0027]在一種優(yōu)選的實施例中，所述光學(xué)元件為圓環(huán)間距為ΙΟΟμπι、槽深為17微米的菲涅爾透鏡，所述涂鍍層為采用高分子聚合物自組裝在所示光學(xué)元件的表面形成的1nm厚的薄膜。
[0028]—種在光學(xué)元件上制作涂鍍層的方法，包括如下步驟:
[0029]鑒別光學(xué)元件的表面形貌特征，確定其凹凸形態(tài)；
[°03°] 對于表面形貌特征確定為凹形態(tài)的光學(xué)元件，通過PCGrate仿真分析重構(gòu)光學(xué)元件在具有多種不同厚度的涂鍍層時的表面形貌，仿真并比較不同涂鍍層厚度時光學(xué)元件的性能，分析不同涂鍍層厚度對于光學(xué)元件的性能的影響，以確定最佳涂鍍層厚度；
[0031]基于所確定的最佳涂鍍層厚度，在光學(xué)元件上制作涂鍍層。
[0032]所述最佳涂鍍層厚度為不超過光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一O
[0033]以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體制作例及其優(yōu)點進行進一步說明。
[0034]根據(jù)具體實施例，在光學(xué)元件上制作涂鍍層的方法可包括如下步驟:
[0035]A、鑒別光學(xué)元件表面形貌特征，確定凹凸形態(tài)。光學(xué)元件表面的微細結(jié)構(gòu)相對于其本身是無限小的，所以可以認為光學(xué)元件本身是一個閉合的幾何形狀，然后利用判斷凹凸多邊形的方法判斷其凹凸形態(tài)，即:把一個多邊形的所有邊中，有一條邊向兩方無限延長成為一直線時，其他各邊都在此直線的同旁，則該多邊形為凹多邊形，否則為凸多邊形。
[0036]B、對于表面形貌特征為凹形態(tài)的光學(xué)元件，利用PCGrate軟件仿真分析和計算，按照不同厚度的涂鍍層重構(gòu)其表面形貌。對判斷為外凸形態(tài)的光學(xué)元件，涂鍍層在理論上不會影響其表面特征，可以理解為表面形貌向外平移;但是對于判斷為凹形態(tài)的光學(xué)元件，涂鍍層必然會影響其本來的形貌特征，需要理論分析及計算，并在PCGrate軟件重構(gòu)其表面形貌特征。
[0037]C、比較不同涂鍍層厚度對于光學(xué)元件性能的影響，確定最佳涂鍍層厚度。在PCGrate軟件中分別仿真涂鍍薄膜前后的光學(xué)元件光學(xué)性能，并對比分析，結(jié)合實際涂鍍薄膜工藝，確定最佳的涂鍍層厚度。
[0038]以下實例說明基于PCGrate軟件仿真分析確定光學(xué)元件最佳涂鍍層厚度的方法，具體如下:
[0039]首先根據(jù)判斷凹凸多邊形的方法來判斷光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的凹凸性。雖然例如像光柵表面上的柵線不是封閉的圖形，但是相對元件的尺寸，光柵的周期和槽深等參數(shù)的尺寸是無限小的，所以可以認為光學(xué)元件本身是一個無限大的閉合的幾何形狀，然后根據(jù)判斷凹凸多邊形的方法來判斷光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的凹凸性，即:把一個多邊形的所有邊中，有一條邊向兩方無限延長成為一直線時，其他各邊都在此直線的異側(cè)，則該多邊形為凹多邊形，否則為凸多邊形。
[0040]根據(jù)這個原理，我們可以判斷光學(xué)元件表面的微細結(jié)構(gòu)的凹凸性，以圖1A的矩形槽光柵的表面微細結(jié)構(gòu)為例，我們截取其一個周期(對于一個25mm*25mm大小的光柵，其周期為lwii，即該光柵上有25000周期)，如圖2A所示，但它不是一個閉合圖形，為了能使用判斷凹凸性的定理，我們將這一個周期的矩形槽的起止點按照凸面型結(jié)構(gòu)連接如圖2B所示，形成一個閉合的圖形如圖2C所示，此時，運用判斷閉合圖形凹凸性的定理易于判斷其是凹的。
[0041]圖1B所示是帶有涂鍍層2b的鋸齒型表面2a的微細結(jié)構(gòu)，同理可以判斷該結(jié)構(gòu)是凸的。
[0042]圖1C所示是帶有涂鍍層3b的菲涅爾透鏡面型，同理可判斷其中心圓環(huán)的部分3a是凹的，其他的同心圓環(huán)3c的凸的。
[0043]對于表面形貌為凹形態(tài)的，如圖1A所示的矩形槽型的光柵，涂鍍薄膜必然會影響其本身的特征，雖然槽深和光柵周期不變，但是占空比顯然是發(fā)生改變。假定一個矩形槽的光柵周期為Ιμπι，槽深250nm，初始占空比(凸起部分與光柵周期的比值)為50%，當(dāng)涂層的厚度變化時，它的占空比也隨之發(fā)生變化，隨之對于光柵的衍射效率產(chǎn)生影響。假定涂層的厚度時25nm(表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一)，則其占空比變成了 55%，根據(jù)這個變化規(guī)律在PCGrate軟件重構(gòu)其表面特征以模擬涂鍍薄膜之后的元件表面特征。
[0044]在PCGrate軟件中分別仿真涂鍍薄膜前后的光學(xué)元件光學(xué)性能，并對比分析，結(jié)合實際涂鍍薄膜工藝，確定最佳的涂鍍層厚度。如圖3所示，當(dāng)涂鍍層厚度分別是表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一以下時，矩形槽光柵涂鍍膜前后的衍射效率基本一致，而實際工藝中這個厚度值又可以實現(xiàn)，所以我們可以確定涂鍍層的厚度為表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一以下是最佳的。給出一個科學(xué)的量化的指標(biāo)，實際的涂覆厚度應(yīng)該是從無限小到十分之一(即大于十分之一時是不可取的)，更優(yōu)選的取值根據(jù)涂覆薄膜的工藝可行性和成本來選取，具體來說:(a)對于矩形槽光柵(槽深最小幾何尺寸是250nm)，采用高分子聚合物自組裝自然在元件表面薄膜，優(yōu)選大概在1nm左右的厚度；(b)對于菲涅爾透鏡，圓環(huán)間距(槽寬)為ΙΟΟμπι，槽深為17微米(最小幾何尺寸)，既可以采用高分子聚合物自組裝的方法涂覆薄膜，厚度10nm，遠小于十分之一的標(biāo)準(zhǔn);也可以采用化學(xué)氣相沉積的方法涂覆派瑞林材料，涂覆薄膜厚度在1以下，更優(yōu)選600nm以上，即此時最佳選擇范圍為600nm_l.7um0
[0045]對于一些應(yīng)用，光學(xué)元件涂覆的薄膜在本實用新型提出的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一以下的限度內(nèi)越厚越好(保護作用越好，抗粘連效果最佳等)。
[0046]本實用新型所確定的光學(xué)元件表面涂鍍薄膜層的最佳厚度范圍為不超過其表面形貌特征中最小幾何尺寸的十分之一，實驗結(jié)果表明其效果對具有凹形態(tài)的表面形貌特征的光學(xué)元件具有普適性。
[0047]以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種具有涂鍍層的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件具有凹形態(tài)的表面形貌特征，其特征在于，所述涂鍍層的厚度不超過光學(xué)元件表面微細結(jié)構(gòu)的最小凹形態(tài)尺寸的十分之一。2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述光學(xué)元件為光柵周期為Ιμπι、槽深為250nm的矩形槽光柵，所述涂鍍層的厚度不超過25nm。3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述涂鍍層的厚度為10-25nm。4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述光學(xué)元件為圓環(huán)間距為ΙΟΟμπι、槽深為17微米的菲涅爾透鏡，所述涂鍍層的厚度不超過1.7μπι。5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述涂鍍層為派瑞林材料。6.如權(quán)利要求4或5所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述涂鍍層的厚度為600nm-l.7μηι。7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述光學(xué)元件為圓環(huán)間距為ΙΟΟμπι、槽深為17微米的菲涅爾透鏡，所述涂鍍層為采用高分子聚合物自組裝在所示光學(xué)元件的表面形成的1nm厚的薄膜。
【文檔編號】G02B1/14GK205581335SQ201620311316
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】王曉浩, 周倩, 胡海飛, 李星輝, 倪凱, 燕鵬, 張錦超, 逄錦超
【申請人】清華大學(xué)深圳研究生院