柔性光学聚酰亚胺薄膜折射率均匀性检测方法

王松，杨伟，吴时彬，任戈

(1.中国科学院光电技术研究所，成都610209；2.中国科学院大学，北京100049)

柔性光学聚酰亚胺薄膜折射率均匀性检测方法

王松1,2，杨伟1，吴时彬1，任戈1

(1.中国科学院光电技术研究所，成都610209；2.中国科学院大学，北京100049)

针对空间应用的柔性光学聚酰亚胺薄膜折射率均匀性检测要求，本文提出以干涉测量法为基础，采用光学聚酰亚胺薄膜制备所用基板的反射波前数据、薄膜未剥离成膜基板时上表面反射波前数据以及薄膜剥离基板后的透射波前数据有效测量此类柔性薄膜折射率均匀性。将棱镜耦合仪逐点测量数据作为对比项，实验结果表明，所提出的方法能高效可靠地对柔性薄膜全口径进行折射率均匀性检测。

柔性光学聚酰亚胺薄膜；折射率均匀性；波面

0 引言

随着轻量化光学元器件的发展，柔性自支撑聚合物光学薄膜材料逐渐应用到光学系统中[1-2]，标定这种柔性光学薄膜的光学材料均匀性是其应用的前提。现有文献[3-5]报道的内容大多涉及光学玻璃等刚性材料的光学材料均匀性检测，其材料厚度在毫米量级以上；同时也有通过透过率光谱法[6-7]、棱镜耦合法[8]等逐点扫描测量薄膜折射率和厚度，进而拟合薄膜面内折射率均匀性，但该类方法测量费时，计算量大，且受拟合计算精度的限制。测量柔性光学薄膜的光学材料均匀性必须剔除薄膜两表面的面形误差，如若直接测量柔性薄膜两表面的反射波面，则柔性薄膜需要高平整性支撑，工艺复杂。

本文基于干涉测量法，在光学聚酰亚胺薄膜成膜后未剥离基板时展开检测，主要采用光学聚酰亚胺薄膜制备所用基板的反射波前、薄膜未剥离成膜基板时上表面反射波前以及薄膜剥离基板后的透射波前有效测量柔性薄膜的材料折射率均匀性，克服了柔性聚酰亚胺薄膜表面面形难以直接干涉测量的困难。同时，该方法测量原理上不包含薄膜的面形误差及系统误差，是一种可靠、高效的柔性聚酰亚胺薄膜折射率均匀性检测方法。

1 测量原理

光学聚酰亚胺薄膜的透射波前综合表征了薄膜的折射率不均匀性和厚度不均匀性，只要能高效精确地测量薄膜两表面的面形误差，分离出薄膜厚度不均匀性，就可以表征出薄膜折射率不均匀性。

图1展示了柔性薄膜折射率均匀性检测过程。在光学聚酰亚胺薄膜制备试验[9-10]中，首先将前驱体聚酰胺酸胶液涂布于高平整性成膜基板上，经高温酰亚胺化之后，在成膜基板上获得光学聚酰亚胺薄膜样品。在未剥离聚酰亚胺薄膜之前，薄膜上表面保持了可干涉测量的面形，此时测得柔性薄膜上表面面形的反射波前W1(x，y)，如图1(a)所示；剥离薄膜后，可测量高平整性基板成膜表面面形的反射波前W2(x，y)，如图1(b)所示，该面形等效于薄膜下表面面形；在干涉仪测量光路中加入标准反射镜，组成薄膜透射波前测试光路，在空腔模式下测量标准反射镜的反射波前，并在测量软件中设置标准反射镜的反射波前为系统误差，予以去除，如图1(c)；在校正好的干涉测量光路中，测量聚酰亚胺薄膜的透射波前W3(x，y)，如图1(d)。

图1柔性光学薄膜检测过程示意图Fig.1Test procedures of the refractive-index homogeneity

图1 中1为干涉仪，2为制备的聚酰亚胺薄膜检测样品，3为聚酰亚胺成膜基板，4为标准反射镜。

假设薄膜的前表面面形为A(x,y)，后表面面形为B(x,y)，平均折射率为n0，折射率变化量为Δn(x,y)，也即折射率不均匀性，平均厚度为d，则

薄膜A面的波面分布为

薄膜B面的波面分布为

由光程公式作偏导取微分近似可得，薄膜的透射波前(光程差)为

根据式(1)～(3)可以解得：

其中：薄膜平均折射率n0、平均厚度d均为已测得量。

2 实验结果

实验过程中，在具有一定平整性的玻璃基板上涂布制备了聚酰亚胺薄膜样品，薄膜样品尺寸为100 mm×100 mm×30 μm，面内平均折射率为1.51。薄膜样品两表面有足够的不平行度以避免自干涉影响。图2展示了检测实验结果，波前图单位为波长λ(λ=632.8 nm)，用自编程序处理得聚酰亚胺薄膜折射率均匀性PV值约为0.033 6，RMS值约为0.009 2。

表1是通过Metricon 2010棱镜耦合仪在632.8 nm处对同一薄膜样品采用4×4均布取点模式测试的折射率值。由于棱镜耦合逐点测试与干涉法测试的折射率值无法在对应位置以及测试点光斑口径上完全统一，所以不对逐点测试折射率值进行逐一对比，仅从统计分析结果上对比验证本文所述方法的正确性与可靠性。

为了便于比较分析，同样以平均折射率1.51为基准，对表中数据进行处理，获得通过逐点扫描测得的薄膜折射率均匀性分布值。同时可求得其折射率均匀性PV值为0.030 8，RMS值为0.009 8。表2列出了两种方法的测量结果，薄膜折射率均匀性PV值与RMS基本一致，考虑到均布取点测量不能完全测得面内折射率最大最小值的情况，则两种方法测量结果将更接近。因此本文提出的柔性光学聚酰亚胺薄膜折射率

均匀性测量方法是可靠的，并且能更高效的对全口径进行测量。

图2 检测结果及折射率均匀性云图Fig.2Test results of the refractive-index homogeneity

表1 采用棱镜耦合仪测试得的薄膜上折射率分布Table 1Refractive index distribution measured by prism coupling system

表2 两种方法测量结果对比Table 2Comparison of the results measured by the two methods

3 相关因素分析

由式(4)可知，若聚酰亚胺薄膜表面面形检测可靠，则只有薄膜的平均厚度偏差和平均折射率偏差会给最终处理数据带来影响。

3.1 薄膜平均厚度偏差的影响

对聚酰亚胺薄膜厚度的检测通常是游标卡尺或螺旋测微仪，精度最高可达1μm。对大口径的薄膜通常是采取多点取样检测的平均值作为薄膜的平均厚度，这样薄膜平均厚度存在一定随机偏差。分析中设定平均厚度偏差范围在-1μm～1μm，即平均厚度变化范围为29μm～31μm，平均折射率为1.51，带入式(4)计算可得，平均厚度偏差对薄膜折射率均匀性检测结果的影响如图3所示。

由图3可知，薄膜平均厚度偏差变化±1μm时，折射率均匀性PV值变化±0.0011，RMS值变化±0.0003，相对折射率均匀性测量结果而言低一个数量级，完全可忽略。

图3 薄膜厚度偏差对折射率均匀性检测结果的影响Fig.3Influence of thickness deviation on refractive-index homogeneity

3.2 薄膜平均折射率偏差的影响

实验中，薄膜平均折射率值一般参考同组分商品聚酰亚胺薄膜数据。不同工艺制备的薄膜折射率存在一定偏差，若实验制备的聚酰亚胺薄膜平均折射率偏差为±0.03，即平均折射率变化范围为1.48～1.54，平均厚度为30 μm，带入式(4)计算可得，平均折射率偏差对薄膜样品折射率均匀性检测结果影响如图4。

由图4可知，平均折射率n0偏差为±0.03时，折射率均匀性PV值变化±0.003 3，RMS值变化±0.0020，

相对折射率均匀性检测结果而言，平均折射率n0偏差对检测结果影响可以忽略。

图4 薄膜平均折射率偏差对折射率均匀性检测结果的影响Fig.4Influence of refractive-index deviation on refractive-index homogeneity

4 结论

在本文中，提出了柔性光学聚酰亚胺薄膜折射率均匀性的检测方法，检测结果不受薄膜两表面面形及系统波面误差影响，且有效克服了几十微米量级柔性薄膜表面面形的干涉检测难题。实验结果表明，与逐点扫描方式测量的折射率均匀性相比，该方法能更高效的对全口径进行测量，获得可靠且精度高的测量结果。同时也分析了检测中光学聚酰亚胺薄膜平均厚度偏差和平均折射率偏差对检测结果的影响完全可以忽略，进一步阐述了该检测方法的可靠性。

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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

国家863高技术项目支持课题

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