一种大口径的薄膜成像器件及其制备方法

本发明光学，具体涉及一种大口径的薄膜成像器件及其制备方法。

背景技术：

1、光学成像技术相对其他成像技术具有较多优势，比如对目标观测的几何分辨率高、可获取目标的光谱信息，凭借这些优势，空间光学成像技术成为航空航天技术的重要发展方向，并广泛应用于天文观测、对地观测、国防安全等领域

2、鉴于发展空间光学成像技术的重要意义，各应用领域对大口径、高分辨率光学成像系统的需求不断提高，尤其是空间望远镜，增大光学系统的口径能够显著提升其应用价值，天文观测的发展趋势就是望远镜口径不断增大的历程，大口径主镜可以帮助空间望远镜收集更多的光线从而缩短观测时间，同时更大的数值孔径可以帮助提高分辨率，能更清楚地分辨宇宙天体；在对地观测方面，利用光波段的成像系统搭载于航天器上，对地球表面的地理形貌、农业状况、土地资源、气象信息等提供重要资料，增大光学成像系统的口径可以极大程度的提高对地观测能力，提高分辨率，增大观测距离。

3、反射式光学系统的重量和尺寸较大，大口径反射式空间光学系统的成本过高，在制造、发射、使用维护等各环节都在挑战工程技术的极限；

4、通过聚酰亚胺(pi)薄膜成像器件构建的薄膜光学系统，可以克服反射式光学系统所面临的口径和重量两大难题。聚酰亚胺薄膜成像器件通过浮雕微纳结构来实现，制备流程涉及重复曝光、显影、蚀刻转移等工艺步骤。一方面，浮雕微纳结构需要通过多次上述操作才能转移到聚酰亚胺薄膜，会导致微纳结构精度下降，对成像效果造成影响。另一方面，聚酰亚胺薄膜成像器件需要300℃高温固化，薄膜冷却后的热应力，进一步导致微纳结构变形，成像效果下降；

5、聚酰亚胺材料自身呈淡黄色，在可见光波段的透过率低于石英材料和紫外固化胶，这会降低系统光能利用率。并且，聚酰亚胺对湿度的敏感程度较高，在地面加工时的湿度必然高于空间环境使用时的湿度，使用时透镜会发生收缩，这也对加工和使用环境提出了的苛刻的要求。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出了一种大口径的薄膜成像器件及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明公开一种大口径的薄膜成像器件，薄膜成像器件包括：液晶聚合物层，液晶聚合物层内的液晶分子给波前附加渐变的抛物线型的位相分布，通过液晶几何相位原理实现波前相位调控，波前相位ψ＝2θ，其中θ为液晶分子在面内的方位角，通过液晶分子在面内0-pi指向排布，实现任意0-2pi相位操控。

4、在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

5、作为优选的方案，液晶聚合物层通过交联聚合作用永久固定成液晶相的液晶材料制备而成。

6、作为优选的方案，液晶聚合物层的双折射率δn为0.05～0.25之间。

7、作为优选的方案，薄膜成像器件的成像口径大于0.5m。

8、作为优选的方案，波前的位相分布为菲涅尔环带、消色差成像、复用成像中的一种或多种位相分布结构。

9、作为优选的方案，当波前的位相分布为菲涅尔环带时，薄膜成像器件的边缘结构线宽△r＝λf，其中：λ为工作波长，f＝f/d，f为焦距，d为液晶聚合物层的厚度。

10、作为优选的方案，液晶聚合物层的厚度d通过下式得到：

11、2△nd＝(2k+1)λ；

12、其中：

13、△n为液晶的双折射系数；

14、λ为工作波长；

15、k为系数，k为整数。

16、作为优选的方案，薄膜成像器件还包括：用于对液晶聚合物层进行支撑的柔性衬底层。

17、另一方面，本发明还公开一种大口径的薄膜成像器件的制备方法，用于制备上述任一种薄膜成像器件，具体包括以下步骤：

18、s1：在基底的表面涂布光偏振敏感材料；

19、s2：对光偏振敏感材料进行特定偏振方向光取向；

20、s3：涂布液晶材料，形成液晶聚合物层；

21、s4：紫外光固化，剥离。

22、作为优选的方案，s3中，通过调整液晶材料浓度、旋涂转速及旋涂层数使得液晶聚合物层达到预定厚度d。

23、本发明一种大口径的薄膜成像器件及其制备方法具有以下有益效果：

24、第一，薄膜成像器件基于几何相位原理，通过液晶分子排列改变入射偏振光的相位，以实现正焦距或负焦距的效果。

25、第二，液晶材料在可见到近红外之间，基本没有吸收，光能利用率高。

26、第三，液晶聚合物层的交联程度高，因此抗高温抗辐射抗湿度，满足空间成像苛刻要求。

27、第四，薄膜成像器件的厚度在微米量级，光学元件的重量相较同口径的反射、折射元件呈数量级减小趋势。

28、第五，大口径透射式光学元件的成像质量对面形误差不敏感，对于制备加工误差容忍度高，更有利于光学系统在空间保持稳定的面形。

29、第六，薄膜成像器件的制备简单，仅需在基底上均匀涂布光偏振敏感材料，形成光取向层，然后进行光取向，最后涂布液晶材料固化即可，无需对准、刻蚀、转印等复杂步骤，因此加工误差低、成像像质好。

30、第七，液晶材料可自支撑成膜从基底上剥离，给大口径薄膜成像器件加工带来便利，且上述步骤均在常温环境下在同一基底上实现，无需担心薄膜受温湿度或机械拉扯造成膨胀收缩等形变。

技术特征：

1.一种大口径的薄膜成像器件，其特征在于，所述薄膜成像器件包括：液晶聚合物层，所述液晶聚合物层内的液晶分子给波前附加渐变的抛物线型的位相分布，通过液晶几何相位原理实现波前相位调控，波前相位ψ＝2θ，其中θ为液晶分子在面内的方位角，通过液晶分子在面内0-pi指向排布，实现任意0-2pi相位操控。

2.根据权利要求1所述的薄膜成像器件，其特征在于，所述液晶聚合物层通过交联聚合作用永久固定成液晶相的液晶材料制备而成。

3.根据权利要求1所述的薄膜成像器件，其特征在于，所述液晶聚合物层的双折射率δn为0.05～0.25之间。

4.根据权利要求1所述的薄膜成像器件，其特征在于，所述薄膜成像器件的成像口径大于0.5m。

5.根据权利要求1所述的薄膜成像器件，其特征在于，波前的位相分布为菲涅尔环带、消色差成像、复用成像中的一种或多种位相分布结构。

6.根据权利要求1所述的薄膜成像器件，其特征在于，当波前的位相分布为菲涅尔环带时，所述薄膜成像器件的边缘结构线宽△r＝λf，其中：λ为工作波长，f＝f/d，f为焦距，d为液晶聚合物层的厚度。

7.根据权利要求1所述的薄膜成像器件，其特征在于，所述液晶聚合物层的厚度d通过下式得到：

8.根据权利要求1所述的薄膜成像器件，其特征在于，所述薄膜成像器件还包括：用于对所述液晶聚合物层进行支撑的柔性衬底层。

9.一种大口径的薄膜成像器件的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-8任一项所述的薄膜成像器件，具体包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，s3中，通过调整液晶材料浓度、旋涂转速及旋涂层数使得液晶聚合物层达到预定厚度d。

技术总结
本发明公开一种大口径的薄膜成像器件及其制备方法，薄膜成像器件包括：液晶聚合物层，液晶聚合物层内的液晶分子给波前附加渐变的抛物线型的位相分布，通过液晶几何相位原理实现波前相位调控，波前相位ψ＝2θ，其中θ为液晶分子在面内的方位角，通过液晶分子在面内0‑pi指向排布，实现任意0‑2pi相位操控。本发明基于几何相位原理，通过液晶分子排列改变入射偏振光的相位，以实现正焦距或负焦距的效果，液晶材料在可见到近红外之间，基本没有吸收，光能利用率高。薄膜成像器件的制备简单，仅需在基底上均匀涂布光偏振敏感材料，形成光取向层，然后进行光取向，最后涂布液晶材料固化即可，无需对准、刻蚀、转印等复杂步骤，因此加工误差低、成像像质好。

技术研发人员：黄文彬,杨子星,孟志,寿乾龙,陈林森
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15