一种双层衍射元件及其压印母版的制作方法

1.本实用新型涉及光学元件领域，尤其涉及一种双层衍射元件及其压印母版。


背景技术：

2.随着技术的发展，在光学系统中的应用衍射元件的设计越来越普遍。这些衍射元件基本为单层衍射元件。但这种单层衍射元件只能在单一波长实现某一衍射级的高衍射效率，随着波长逐渐偏离设计波长，衍射效率逐渐下降。如含有单层衍射元件的折衍混合光学系统用在可见光波段成像，则降低了成像对比度，影响光学系统成像颜色的真实性，极大的影响光学系统成像质量。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种双层衍射元件及其压印母版。
4.为实现上述实用新型目的，本实用新型提供一种双层衍射元件，包括：基层，设置在所述基层上的第一衍射层，与所述第一衍射层嵌合设置的第二衍射层；
5.所述第一衍射层与所述第二衍射层的总厚度n满足：n≤40μm；
6.所述第一衍射层与所述第二衍射层之间的间隔小于或等于1μm。
7.根据本实用新型的一个方面，所述第一衍射层与所述第二衍射层的总厚度n满足：30μm≤n≤40μm。
8.根据本实用新型的一个方面，所述第一衍射层上设置有微结构；
9.所述微结构为纳米压印结构。
10.根据本实用新型的一个方面，在波段为470nm
‑
650nm的宽光谱范围内，衍射效率大于或等于85％。根据本实用新型的一个方面，所述第一衍射层的折射率n1满足：在波段为470nm
‑
650nm的宽光谱范围内，1.566＜n1＜1.586；
11.所述第一衍射层的凹陷深度d1满足：5μm＜d1＜30μm。
12.根据本实用新型的一个方面，所述第二衍射层的折射率n2满足：在波段为470nm
‑
650nm的宽光谱范围内，1.542＜n2＜1.562；
13.所述第二衍射层(13)的凹陷深度d2满足：5μm＜d2＜30μm。
14.为实现上述实用新型目的，本实用新型提供一种用于前述的双层衍射元件的压印母版，包括：母版本体，设置在所述母版本体上的压印区域；
15.所述压印区域在所述母版本体上阵列设置有多个；
16.所述压印区域上设置有与所述第一衍射层上的微结构相匹配的压印微结构。
17.根据本实用新型的一个方面，所述母版本体的平整度pv满足：pv<20μm。
18.根据本实用新型的一个方面，所述压印区域包括具有所述压印微结构的有效工作区域和环绕所述有效工作区域非工作区域；
19.所述非工作区域的宽度d满足：0.1≤d≤0.5mm。。
20.根据本实用新型的一个方面，采用pdms材料制成。
21.根据本实用新型的一种方案，本实用新型的双层衍射元件能够在具有优良的衍射效果的情况下，做的更薄使得其体积能够被有效降低，进而可适用于不同的光学产品中，适用范围广。
22.根据本实用新型的一种方案，本实用新型的双层衍射元件的衍射层的总厚度设置在上述范围内保证了整个衍射元件的优良使用效果，成品良率高且用料少成本体。
23.根据本实用新型的一种方案，实现了本实用新型的衍射元件能够在较宽的光谱范围内实现了衍射效率的最大化，使得本实用新型的衍射效率更优，性能更好。
24.根据本实用新型的一种方案，将第一衍射层和第二衍射层的折射率设置在上述范围内，使得本实用新型的衍射元件实现了在宽光谱范围内的高衍射率效果，且保证了衍射层的厚度能够被有效降低，使得本实用新型的衍射元件的厚度被整体降低，体积更小。
附图说明
25.图1示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的双层衍射元件的结构图；
26.图2示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的双层衍射元件的制备流程图；
27.图3示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的第一衍射层的折射率与波长关系图；
28.图4示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的第二衍射层的折射率与波长关系图；
29.图5示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的双层衍射元件的衍射效率与波长关系图；
30.图6示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的压印母版的结构图；
31.图7示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的压印区域的结构图；
32.图8示意性表示根据本实用新型的另一种实施方式的压印区域的结构图；
33.图9示意性表示根据本实用新型的一种实施方式的压印母版的制备流程图。
具体实施方式
34.为了更清楚地说明本实用新型实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.在针对本实用新型的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。
36.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
37.如图1所示，根据本实用新型的一种实施方式，本实用新型的一种双层衍射元件，包括：基层11，设置在基层11上的第一衍射层12，与第一衍射层12嵌合设置的第二衍射层
13。在本实施方式中，第一衍射层12与第二衍射层13的总厚度n满足：n≤40μm。在本实施方式中，基层11可采用玻璃基材制成。通过上述设置，本实用新型的双层衍射元件能够在具有优良的衍射效果的情况下，做的更薄使得其体积能够被有效降低，进而可适用于不同的光学产品中，适用范围广。
38.如图1所示，根据本实用新型的一种实施方式，第一衍射层12与第二衍射层13的总厚度n满足：30μm≤n≤40μm。通过上述设置，本实用新型的双层衍射元件的衍射层的总厚度设置在上述范围内保证了整个衍射元件的优良使用效果，成品良率高且用料少成本体。
39.结合图1和图2所示，根据本实用新型的一种实施方式，第一衍射层12上设置有微结构121。在本实施方式中，微结构121为纳米压印结构(纳米压印是指通过光刻胶辅助，将模板上的微纳结构转移到待加工材料上)。通过设置的微结构121实现了衍射作用。在本实施方式中，在第一衍射层12的中间位置设置有球面状结构，而在球面状结构的周围设置有横截面呈规则形状且规则排布的凸起结构，且沿远离球面状结构的方向凸起结构的截面尺寸逐渐减小或者沿远离球面状结构的方向凸起结构的截面尺寸逐渐减小且在减小到预定大小后截面尺寸不再变化(即保持一致)。
40.根据本实用新型的一种实施方式，在波段为470nm
‑
650nm的宽光谱范围内，衍射效率大于或等于85％。
41.通过上述设置，实现了本实用新型的衍射元件能够在较宽的光谱范围内实现了衍射效率的最大化，使得本实用新型的衍射效率更优，性能更好。
42.根据本实用新型的一种实施方式，第一衍射层12与第二衍射层13之间的间隔小于或等于1μm。
43.通过上述设置，实现了本实用新型的衍射元件厚度更为轻薄的情况下，且同时能够在较宽的光谱范围内实现了衍射效率的最大化，使得本实用新型的衍射效率更优，性能更好。
44.根据本实用新型的一种实施方式，第一衍射层12采用胶水压印形成，且在压印后进行固化定型。在本实施方式中，第一衍射层12的折射率n1满足：在波段为470nm
‑
650nm的宽光谱范围内，1.566＜n1＜1.586。在本实施方式中，第一衍射层12的凹陷深度d1满足：5μm＜d1＜30μm
45.根据本实用新型的一种实施方式，第二衍射层13采用胶水覆盖在第一衍射层12上形成，且通过固化定型。在本实施方式中，第二衍射层13的折射率n2满足：在波段为470nm
‑
650nm的宽光谱范围内，1.542＜n2＜1.562。在本实施方式中，第二衍射层(13)的凹陷深度d2满足：5μm＜d2＜30μm。
46.通过上述设置，将第一衍射层和第二衍射层的折射率设置在上述范围内，使得本实用新型的衍射元件实现了在宽光谱范围内的高衍射率效果，且保证了衍射层的厚度能够被有效降低，使得本实用新型的衍射元件的厚度被整体降低，体积更小。
47.为进一步说明本实用新型，对本实用新型的双层衍射元件的制备方法做进一步阐述。
48.step1.获取满足要求的基层11，并在基层11上旋涂纳米压印胶水(参见图2)。在本实施方式中，纳米压印胶水的厚度在30μm至35μm之间；
49.step2使用压印母版对纳米压印胶水进行压印并进行固化，在纳米压印胶水形成
微纳结构131，进而具有微纳结构且固化后的纳米压印胶水成为了第一衍射层12，参见图2所示。
50.step3.在step2得到的第一衍射层12上旋涂第二层纳米压印胶水并进行固化后形成与第一衍射层12相嵌合的第二衍射层13，进而得到最终的双层衍射元件(双层doe)，参见图2所示；在本实施方式中，第一衍射层和第二衍射层的整体厚度在30um
‑
40um之间。
51.为进一步说明本实用新型，通过具体的实施例对本技术方案作进一步说明
52.参见图3、图4和图5所示，在本实施方式中，根据前述的设置方式，选择生成第一衍射层的胶水采用delo om625型号胶水，选择生成第二衍射层的胶水为inkron iqc
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114型号胶水。通过使用上述两种胶水对本实用新型的双层doe进行设计。在本实施方式中，设计适用的光谱波长为555nm，设计适用的光谱波段为470nm
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650nm，进而本实用新型的双层doe的第一衍射层上凸起的高度(即生成凸起所需要的深度)可由以下公式计算出来h＝λ/(n1
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n2)＝23μm，其中，n1是第一衍射层的胶水的折射率，n2是第二衍射层的胶水的折射率，设计波段内的衍射效率和波长的关系如图5、图6、图7所示。
53.如图6所示，根据本实用新型的一种实施方式，本实用新型的一种用于前述的双层衍射元件的压印母版，包括：母版本体21，设置在母版本体21上的压印区域22。在本实施方式中，压印区域22在母版本体21上阵列设置有多个。进一步的，压印区域22上设置有与第一衍射层12上的微结构121相匹配的压印微结构。
54.根据本实用新型的一种实施方式，母版本体21的平整度pv满足：pv<20μm。
55.如图7所示，根据本实用新型的一种实施方式，压印区域22包括具有压印微结构的有效工作区域221和环绕有效工作区域非工作区域222。在本实施方式中，非工作区域的宽度d满足：0.1≤d≤0.5mm。
56.在本实施方式中，非工作区域222可设置为圆形环状(参见图7)或者正多边形的环状。
57.如图1所示，根据本实用新型的一种实施方式，本实用新型的压印母版采用pdms材料制成。
58.为进一步说明本实用新型，对本实用新型的压印母版的制备方法做进一步说明。
59.结合图6、图7、图8、图9所示，根据本实用新型的一种实施方式，在压印母版的母版本体21上矩形阵列设置有多个压印区域22。压印区域的设置数量可根据需要进行调整。在本实施方式中，母版本体21采用6
‑
12英寸母版。其上设置的压印区域22的外形可以为圆形或正多边形。其中，多个压印区域的形成方式均为一致的，进而以其中一个压印区域进行详细说明。
60.①
获取基底，并在基底材料上旋涂光刻胶(参见图9)。在本实施方式中，基底的厚度为1mm至5mm。基底的平整度pv<20μm。在本实施方式中，光刻胶的厚度在5um
‑
50um之间，基底的材料可以选择熔石英、纳钙玻璃。
61.②
使用灰度曝光的方法在光刻胶表面进行曝光，根据设计深度的不同控制不同区域的曝光能量，在光刻胶表面形成连续型轮廓，连续轮廓主要为了提高压印所形成的第一衍射层的衍射效率,显影后在光刻胶表面得到连续的衍射结构(参见图9)。
62.③
使用电铸工艺将
②
中得到的结构转移到金属镍上，得到金属母版(参见图9)。
63.④
使用
③
中所形成的金属母版进一步转移结构到压印区域22上得到压印区域上
的压印微结构即有效工作区域221，可作为最终纳米压印的压印母版(参见图9)。
64.上述内容仅为本实用新型的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
65.以上所述仅为本实用新型的一个方案而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。