一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，特別適合于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)高于200°C的耐高溫光學(xué)聚合物薄膜材料，在薄膜成型同時(shí)制備出菲涅爾透鏡，是一種高效、低成本、輪廓精度高的菲涅爾透鏡制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化成為可能。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，二元光學(xué)元器件的基底材料選擇也越來越多樣化，其中某些柔性高分子薄膜材料因其特有的耐高溫性能、高溫尺寸穩(wěn)定性、高透光性、耐候性等逐漸被發(fā)掘并應(yīng)用到該領(lǐng)域，如聚酰亞胺(PD、聚芳酯(PAR)、聚醚砜(PES)、耐高溫聚碳酸酯(HTPC)等薄膜材料。但要面臨并需解決在這類柔性高分子薄膜材料表面制備二元光學(xué)輪廓的難題。
[0003]以二元光學(xué)元器件應(yīng)用最為廣泛的菲涅爾薄膜透鏡為例，其制備工藝根據(jù)基底材料的不同以及菲涅爾結(jié)構(gòu)精度等因素發(fā)展為多種多樣，有離子刻蝕、激光直寫法、灰度掩模圖形轉(zhuǎn)印法、機(jī)械車削加工、熱壓印法、模具注塑成型等。其中非接觸光學(xué)刻蝕方法對(duì)于此類柔性高分子薄膜會(huì)產(chǎn)生灼傷效應(yīng)，影響輪廓精度且成本高；機(jī)械車削加工對(duì)于柔性材料的表面支撐要求太高且加工表面會(huì)產(chǎn)生蠕變；熱壓印法和模具注塑成型是現(xiàn)階段制備以高分子材料為基底的菲涅爾聚光透鏡和菲涅爾勻光板等最為成熟的方法，但基底材料限于低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg) —類聚合物，如硅橡膠等，此類方法難以實(shí)現(xiàn)于具有高Tg的聚合物材料上，尤其是新型耐高溫聚合物光學(xué)薄膜材料。一般而言，耐高溫聚合物光學(xué)薄膜指的是光學(xué)特性與傳統(tǒng)光學(xué)薄膜，如:聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂(PET)、聚碳酸酯(PC)薄膜相當(dāng)，但其Tg超過200°C或者更高，而且是具有相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)(CTE)的聚合物薄膜，如典型的聚酰亞胺(PD、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚醚酰亞胺(PEI)，甚至包括聚醚醚酮(PEEK)、聚芳酯(PAR)、聚醚砜(PES)、耐高溫聚碳酸酯(HTPC)等薄膜材料。
[0004]本發(fā)明主要涉及一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，結(jié)合薄膜的制備工藝，在制備高Tg光學(xué)級(jí)薄膜的同時(shí)在薄膜表面一步成型菲涅爾結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量人力物力，降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明結(jié)合光學(xué)薄膜制備工藝中所使用的成膜基板表面刻蝕有負(fù)向互補(bǔ)菲涅爾結(jié)構(gòu)，在制備高Tg光學(xué)級(jí)薄膜的同時(shí)，將菲涅爾圖案結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到薄膜表面，實(shí)現(xiàn)一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，大大簡(jiǎn)化了耐高溫光學(xué)薄膜表面加工工藝，節(jié)省大量人力物力，降低制作成本，輪廓精度高；特別適合于Tg超過200°C的耐高溫光學(xué)高分子薄膜材料(如圖4所列舉的一類高分子材料)，是一種溫和且能滿足精度的菲涅爾結(jié)構(gòu)成型方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:在設(shè)計(jì)了所需的菲涅爾圖案結(jié)構(gòu)后，將其負(fù)向互補(bǔ)結(jié)構(gòu)制作在成膜基板(一般為石英基片)上，接著將薄膜材料前驅(qū)體溶液涂布在此成膜基板上，化學(xué)或熱處理后，所需菲涅爾結(jié)構(gòu)以轉(zhuǎn)印在成型的薄膜表面，具體步驟如下:
[0007]步驟1:設(shè)計(jì)滿足光學(xué)參數(shù)的菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案以及負(fù)向菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案，并將負(fù)向互補(bǔ)菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案刻蝕在成膜基板上；
[0008]步驟2:制備薄膜材料前驅(qū)體膠液；
[0009]步驟3:根據(jù)成膜基板上菲涅爾結(jié)構(gòu)尺寸的大小，適當(dāng)降低膠液粘度，以助膠液填滿成膜基板結(jié)構(gòu)溝槽；
[0010]步驟4:將步驟3中的膠液流平涂布在步驟I中的成膜基板上；
[0011]步驟5:將步驟4中的成膜基板放置在真空箱內(nèi)，抽真空到l*10_3pa以上，真空除泡2h以上，包括膠液中的氣泡和未填滿的溝槽氣泡；
[0012]步驟6:根據(jù)所用材料的成膜原理，化學(xué)或熱處理步驟5中的成膜基板；
[0013]步驟7:在適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施下脫膜，如40?60°C超聲水浴中，即得以該種高Tg高分子薄膜為基底的菲涅爾透鏡。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):現(xiàn)有非接觸光學(xué)刻蝕方法對(duì)于此類柔性高Tg高分子薄膜會(huì)產(chǎn)生灼傷效應(yīng)，影響輪廓精度且成本高；機(jī)械車削加工對(duì)于柔性材料的表面支撐要求太高且加工表面會(huì)產(chǎn)生蠕變；熱壓印法和模具注塑成型是現(xiàn)階段制備高分子材料基底菲涅爾聚光透鏡和菲涅爾勻光板等最為成熟的方法，但基底材料限于Tg不超過100C的材料，如娃橡膠等，但此類方法難以實(shí)現(xiàn)于耐高溫的高Tg薄膜材料上。本發(fā)明以一種相對(duì)柔和的方式結(jié)合光學(xué)薄膜制備工藝中所使用的成膜基板表面刻蝕有負(fù)向互補(bǔ)菲涅爾結(jié)構(gòu)，在制備高Tg光學(xué)級(jí)薄膜的同時(shí)，將菲涅爾圖案結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到薄膜表面，實(shí)現(xiàn)一種以耐高溫高分子薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，大大簡(jiǎn)化了該類薄膜表面菲涅爾結(jié)構(gòu)加工工藝，節(jié)省大量人力物力，降低制作成本；輪廓精度高；特別適合于一類耐高溫的高Tg聚合物光學(xué)薄膜材料。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明設(shè)計(jì)薄膜菲涅爾結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明所用基板上負(fù)向菲涅爾結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3為本發(fā)明一體制備帶有菲涅爾結(jié)構(gòu)薄膜的流程示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明所涉及的常見的耐高溫光學(xué)聚合物薄膜化學(xué)結(jié)構(gòu)舉例。圖4(a)，(b):P1:聚酰亞胺；圖4(c):PE1:聚醚酰亞胺;圖4(d):PA1:聚酰胺酰亞胺;圖4(e):PES:聚醚砜；圖4(f):PAR:聚芳酯；圖4(g):HTPC:耐高溫聚碳酸酯；圖4(h):COC:環(huán)狀聚烯烴。
[0019]圖5本實(shí)施例以聚酰亞胺薄膜為基底制備的位相型菲涅爾透鏡表面結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]圖3為本發(fā)明一體制備帶有菲涅爾結(jié)構(gòu)薄膜的流程示意圖，首先根據(jù)所需菲涅爾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在成膜基板上制作負(fù)向菲涅爾結(jié)構(gòu)，如圖2，利用高分子材料成膜前驅(qū)體為膠液的特性，在圖2所示基板上涂布膠液并處理成膜，后續(xù)脫膜即為所得帶有完整的菲涅爾結(jié)構(gòu)的薄膜基底。本發(fā)明涉及一種以耐高溫高分子薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，下面以聚酰亞胺薄膜材料為例，參照附圖予以詳細(xì)說明，具體步驟包括:
[0022]步驟1:設(shè)計(jì)滿足光學(xué)參數(shù)的菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案以及負(fù)向菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案，并在成膜基板上刻蝕負(fù)向菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案(如附圖2);
[0023]步驟2:制備聚酰胺酸膠液；
[0024]步驟3:根據(jù)基板上菲涅爾結(jié)構(gòu)尺寸的大小，適當(dāng)降低膠液粘度，以助聚酰胺酸膠液填滿基板結(jié)構(gòu)溝槽；
[0025]步驟4:將步驟3中的聚酰胺酸膠液涂布在步驟I中的基板上；
[0026]步驟5:將步驟4中的基板放置在真空箱內(nèi)，抽真空到l*10_3pa以上，真空除泡預(yù)處理2h以上，包括聚酰胺酸膠液中的氣泡和未填滿的溝槽氣泡；
[0027]步驟6:真空熱酰亞胺化處理步驟5中的基板；
[0028]步驟7:在40?60°C超聲水浴中脫膜，即得以聚酰亞胺薄膜為基底的菲涅爾透鏡(如圖1)。
[0029]圖5為本實(shí)施例以聚酰亞胺薄膜為基底制備的位相型菲涅爾透鏡表面結(jié)構(gòu)電鏡掃描圖。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，其特征在于:結(jié)合光學(xué)薄膜制備工藝中所使用的成膜基板表面刻蝕有負(fù)向互補(bǔ)菲涅爾結(jié)構(gòu)，在制備高Tg光學(xué)級(jí)薄膜的同時(shí)，將菲涅爾圖案結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到薄膜表面，實(shí)現(xiàn)一種以耐高溫高分子薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，其特征在于:所述的耐高溫高分子的基底材料為一類玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg超過200°C的耐高溫光學(xué)高分子薄膜材料，包括有聚酰亞胺(PD、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚芳酯(PAR)、聚醚砜(PES)、耐高溫聚碳酸酯(HTPC)之一的薄膜材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，其特征在于:在制備耐高溫光學(xué)級(jí)薄膜的同時(shí)，以一體成型方式在薄膜表面制作菲涅爾結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，其特征在于:菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)包括振幅型和位相型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，其特征在于:所述制作方法具體包括以下步驟: 步驟1:設(shè)計(jì)滿足光學(xué)參數(shù)的菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案以及負(fù)向菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案，并將負(fù)向互補(bǔ)菲涅爾結(jié)構(gòu)圖案刻蝕在成膜基板上； 步驟2:制備薄膜材料前驅(qū)體膠液； 步驟3:根據(jù)成膜基板上菲涅爾結(jié)構(gòu)尺寸的大小，適當(dāng)降低膠液粘度，以助膠液填滿成膜基板結(jié)構(gòu)溝槽； 步驟4:將步驟3中的膠液流平涂布在步驟I中的成膜基板上； 步驟5:將步驟4中的成膜基板放置在真空箱內(nèi)，抽真空到l*10_3pa以上，真空除泡2h以上，包括膠液中的氣泡和未填滿的溝槽氣泡； 步驟6:根據(jù)所用材料的成膜原理，化學(xué)或熱處理步驟5中的成膜基板； 步驟7:在一定的保護(hù)措施下脫膜，即得以該種高Tg高分子薄膜為基底的菲涅爾透鏡，所述保護(hù)措施為40?60°C超聲水浴中。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種以耐高溫聚合物薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，結(jié)合光學(xué)薄膜制備工藝中所使用的成膜基板表面刻蝕有負(fù)向互補(bǔ)菲涅爾結(jié)構(gòu)，在制備高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)光學(xué)級(jí)薄膜的同時(shí)，將菲涅爾圖案結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到薄膜表面，實(shí)現(xiàn)一種以耐高溫高分子薄膜為基底的菲涅爾透鏡制作方法，大大簡(jiǎn)化了該類薄膜表面菲涅爾結(jié)構(gòu)加工工藝，節(jié)省大量人力物力，降低制作成本；輪廓精度高；特別適合于一類耐高溫的高Tg聚合物光學(xué)薄膜材料，是一種溫和的菲涅爾結(jié)構(gòu)成型方法。
【IPC分類】C08J7-04, C08J7-12, C08L79-08, G02B3-08
【公開號(hào)】CN104650376
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510108830
【發(fā)明人】王松, 楊偉, 劉習(xí)奎, 吳時(shí)彬, 任戈
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2015年3月12日