王松，楊偉，吳時(shí)彬，任戈

(1.中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都610209；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

柔性光學(xué)聚酰亞胺薄膜折射率均勻性檢測(cè)方法

王松1,2，楊偉1，吳時(shí)彬1，任戈1

(1.中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都610209；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

針對(duì)空間應(yīng)用的柔性光學(xué)聚酰亞胺薄膜折射率均勻性檢測(cè)要求，本文提出以干涉測(cè)量法為基礎(chǔ)，采用光學(xué)聚酰亞胺薄膜制備所用基板的反射波前數(shù)據(jù)、薄膜未剝離成膜基板時(shí)上表面反射波前數(shù)據(jù)以及薄膜剝離基板后的透射波前數(shù)據(jù)有效測(cè)量此類柔性薄膜折射率均勻性。將棱鏡耦合儀逐點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)作為對(duì)比項(xiàng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法能高效可靠地對(duì)柔性薄膜全口徑進(jìn)行折射率均勻性檢測(cè)。

柔性光學(xué)聚酰亞胺薄膜；折射率均勻性；波面

0 引言

隨著輕量化光學(xué)元器件的發(fā)展，柔性自支撐聚合物光學(xué)薄膜材料逐漸應(yīng)用到光學(xué)系統(tǒng)中[1-2]，標(biāo)定這種柔性光學(xué)薄膜的光學(xué)材料均勻性是其應(yīng)用的前提?，F(xiàn)有文獻(xiàn)[3-5]報(bào)道的內(nèi)容大多涉及光學(xué)玻璃等剛性材料的光學(xué)材料均勻性檢測(cè)，其材料厚度在毫米量級(jí)以上；同時(shí)也有通過透過率光譜法[6-7]、棱鏡耦合法[8]等逐點(diǎn)掃描測(cè)量薄膜折射率和厚度，進(jìn)而擬合薄膜面內(nèi)折射率均勻性，但該類方法測(cè)量費(fèi)時(shí)，計(jì)算量大，且受擬合計(jì)算精度的限制。測(cè)量柔性光學(xué)薄膜的光學(xué)材料均勻性必須剔除薄膜兩表面的面形誤差，如若直接測(cè)量柔性薄膜兩表面的反射波面，則柔性薄膜需要高平整性支撐，工藝復(fù)雜。

本文基于干涉測(cè)量法，在光學(xué)聚酰亞胺薄膜成膜后未剝離基板時(shí)展開檢測(cè)，主要采用光學(xué)聚酰亞胺薄膜制備所用基板的反射波前、薄膜未剝離成膜基板時(shí)上表面反射波前以及薄膜剝離基板后的透射波前有效測(cè)量柔性薄膜的材料折射率均勻性，克服了柔性聚酰亞胺薄膜表面面形難以直接干涉測(cè)量的困難。同時(shí)，該方法測(cè)量原理上不包含薄膜的面形誤差及系統(tǒng)誤差，是一種可靠、高效的柔性聚酰亞胺薄膜折射率均勻性檢測(cè)方法。

1 測(cè)量原理

光學(xué)聚酰亞胺薄膜的透射波前綜合表征了薄膜的折射率不均勻性和厚度不均勻性，只要能高效精確地測(cè)量薄膜兩表面的面形誤差，分離出薄膜厚度不均勻性，就可以表征出薄膜折射率不均勻性。

圖1展示了柔性薄膜折射率均勻性檢測(cè)過程。在光學(xué)聚酰亞胺薄膜制備試驗(yàn)[9-10]中，首先將前驅(qū)體聚酰胺酸膠液涂布于高平整性成膜基板上，經(jīng)高溫酰亞胺化之后，在成膜基板上獲得光學(xué)聚酰亞胺薄膜樣品。在未剝離聚酰亞胺薄膜之前，薄膜上表面保持了可干涉測(cè)量的面形，此時(shí)測(cè)得柔性薄膜上表面面形的反射波前W1(x，y)，如圖1(a)所示；剝離薄膜后，可測(cè)量高平整性基板成膜表面面形的反射波前W2(x，y)，如圖1(b)所示，該面形等效于薄膜下表面面形；在干涉儀測(cè)量光路中加入標(biāo)準(zhǔn)反射鏡，組成薄膜透射波前測(cè)試光路，在空腔模式下測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的反射波前，并在測(cè)量軟件中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的反射波前為系統(tǒng)誤差，予以去除，如圖1(c)；在校正好的干涉測(cè)量光路中，測(cè)量聚酰亞胺薄膜的透射波前W3(x，y)，如圖1(d)。

圖1柔性光學(xué)薄膜檢測(cè)過程示意圖Fig.1Test procedures of the refractive-index homogeneity

圖1 中1為干涉儀，2為制備的聚酰亞胺薄膜檢測(cè)樣品，3為聚酰亞胺成膜基板，4為標(biāo)準(zhǔn)反射鏡。

假設(shè)薄膜的前表面面形為A(x,y)，后表面面形為B(x,y)，平均折射率為n0，折射率變化量為Δn(x,y)，也即折射率不均勻性，平均厚度為d，則

薄膜A面的波面分布為

薄膜B面的波面分布為

由光程公式作偏導(dǎo)取微分近似可得，薄膜的透射波前(光程差)為

根據(jù)式(1)～(3)可以解得：

其中：薄膜平均折射率n0、平均厚度d均為已測(cè)得量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，在具有一定平整性的玻璃基板上涂布制備了聚酰亞胺薄膜樣品，薄膜樣品尺寸為100 mm×100 mm×30 μm，面內(nèi)平均折射率為1.51。薄膜樣品兩表面有足夠的不平行度以避免自干涉影響。圖2展示了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，波前圖單位為波長λ(λ=632.8 nm)，用自編程序處理得聚酰亞胺薄膜折射率均勻性PV值約為0.033 6，RMS值約為0.009 2。

表1是通過Metricon 2010棱鏡耦合儀在632.8 nm處對(duì)同一薄膜樣品采用4×4均布取點(diǎn)模式測(cè)試的折射率值。由于棱鏡耦合逐點(diǎn)測(cè)試與干涉法測(cè)試的折射率值無法在對(duì)應(yīng)位置以及測(cè)試點(diǎn)光斑口徑上完全統(tǒng)一，所以不對(duì)逐點(diǎn)測(cè)試折射率值進(jìn)行逐一對(duì)比，僅從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果上對(duì)比驗(yàn)證本文所述方法的正確性與可靠性。

為了便于比較分析，同樣以平均折射率1.51為基準(zhǔn)，對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得通過逐點(diǎn)掃描測(cè)得的薄膜折射率均勻性分布值。同時(shí)可求得其折射率均勻性PV值為0.030 8，RMS值為0.009 8。表2列出了兩種方法的測(cè)量結(jié)果，薄膜折射率均勻性PV值與RMS基本一致，考慮到均布取點(diǎn)測(cè)量不能完全測(cè)得面內(nèi)折射率最大最小值的情況，則兩種方法測(cè)量結(jié)果將更接近。因此本文提出的柔性光學(xué)聚酰亞胺薄膜折射率

均勻性測(cè)量方法是可靠的，并且能更高效的對(duì)全口徑進(jìn)行測(cè)量。

圖2 檢測(cè)結(jié)果及折射率均勻性云圖Fig.2Test results of the refractive-index homogeneity

表1 采用棱鏡耦合儀測(cè)試得的薄膜上折射率分布Table 1Refractive index distribution measured by prism coupling system

表2 兩種方法測(cè)量結(jié)果對(duì)比Table 2Comparison of the results measured by the two methods

3 相關(guān)因素分析

由式(4)可知，若聚酰亞胺薄膜表面面形檢測(cè)可靠，則只有薄膜的平均厚度偏差和平均折射率偏差會(huì)給最終處理數(shù)據(jù)帶來影響。

3.1 薄膜平均厚度偏差的影響

對(duì)聚酰亞胺薄膜厚度的檢測(cè)通常是游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微儀，精度最高可達(dá)1μm。對(duì)大口徑的薄膜通常是采取多點(diǎn)取樣檢測(cè)的平均值作為薄膜的平均厚度，這樣薄膜平均厚度存在一定隨機(jī)偏差。分析中設(shè)定平均厚度偏差范圍在-1μm～1μm，即平均厚度變化范圍為29μm～31μm，平均折射率為1.51，帶入式(4)計(jì)算可得，平均厚度偏差對(duì)薄膜折射率均勻性檢測(cè)結(jié)果的影響如圖3所示。

由圖3可知，薄膜平均厚度偏差變化±1μm時(shí)，折射率均勻性PV值變化±0.0011，RMS值變化±0.0003，相對(duì)折射率均勻性測(cè)量結(jié)果而言低一個(gè)數(shù)量級(jí)，完全可忽略。

圖3 薄膜厚度偏差對(duì)折射率均勻性檢測(cè)結(jié)果的影響Fig.3Influence of thickness deviation on refractive-index homogeneity

3.2 薄膜平均折射率偏差的影響

實(shí)驗(yàn)中，薄膜平均折射率值一般參考同組分商品聚酰亞胺薄膜數(shù)據(jù)。不同工藝制備的薄膜折射率存在一定偏差，若實(shí)驗(yàn)制備的聚酰亞胺薄膜平均折射率偏差為±0.03，即平均折射率變化范圍為1.48～1.54，平均厚度為30 μm，帶入式(4)計(jì)算可得，平均折射率偏差對(duì)薄膜樣品折射率均勻性檢測(cè)結(jié)果影響如圖4。

由圖4可知，平均折射率n0偏差為±0.03時(shí)，折射率均勻性PV值變化±0.003 3，RMS值變化±0.0020，

相對(duì)折射率均勻性檢測(cè)結(jié)果而言，平均折射率n0偏差對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響可以忽略。

圖4 薄膜平均折射率偏差對(duì)折射率均勻性檢測(cè)結(jié)果的影響Fig.4Influence of refractive-index deviation on refractive-index homogeneity

4 結(jié)論

在本文中，提出了柔性光學(xué)聚酰亞胺薄膜折射率均勻性的檢測(cè)方法，檢測(cè)結(jié)果不受薄膜兩表面面形及系統(tǒng)波面誤差影響，且有效克服了幾十微米量級(jí)柔性薄膜表面面形的干涉檢測(cè)難題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與逐點(diǎn)掃描方式測(cè)量的折射率均勻性相比，該方法能更高效的對(duì)全口徑進(jìn)行測(cè)量，獲得可靠且精度高的測(cè)量結(jié)果。同時(shí)也分析了檢測(cè)中光學(xué)聚酰亞胺薄膜平均厚度偏差和平均折射率偏差對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響完全可以忽略，進(jìn)一步闡述了該檢測(cè)方法的可靠性。

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Refractive Index Homogeneity Measure Method of Flexible Optical Polyimide Film

WANG Song1,2，YANG Wei1，WU Shibin1，REN Ge1
(1.Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu610209,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

Aiming at refractive index homogeneity of space flexible optical polyimide membrane,it can be measured through reflected wavefront of the substrate for preparation of polyimide optical membrane,reflected wavefront of up-surface of the membrane before being released from substrate and the transmission wavefront after the membrane released from substrate.Compared with data measured by the prism coupling,the results show that the proposed method is efficient and reliable for refractive index homogeneity measurement of flexible membrane in fully-aperture.

flexible optical polyimide film;refractive index homogeneity;wavefront

TN247

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.07.014

1003-501X(2016)07-0085-04

2016-01-26；

2016-03-24

國家863高技術(shù)項(xiàng)目支持課題

王松(1988-)，男(回族)，湖北洪湖人。博士研究生，主要研究工作是空間光學(xué)薄膜性能研究。E-mail:wangsong_0603@126.com。