一种带有实时测温功能的透镜的加工方法

1.本发明涉及透射式光学系统领域，尤其涉及透镜实时测温技术。


背景技术：

2.透射式光学系统广泛应用于我国的民用、军用与航空航天领域，其成像质量受环境温度变化的影响较大。例如星敏感器，环境温度变化会引起透镜材料折射率的变化，导致光学系统离焦；还会使其外连接法兰、探测器以及镜片姿态漂移，导致其光轴指向偏移和波前畸变，产生附加像差，进而影响搭载卫星航向偏移。针对以上问题，若能够获得对透镜的实时工作温度，就可以作为透镜温度场恢复或成像调整的参考，大大提升透射式光学系统成像质量。因此，对光学系统中透镜工作温度的实时测量，是透射式光学系统领域一直渴望解决的问题。
3.目前，针对光学系统的实时测温单元按其与被测对象的关系可分为非接触式与接触式两种。非接触式测温方法一方面更易受介质及环境噪声的影响，因此其测温的精确度不高，响应时间较长，还受限于其测试端体积、重量和功耗较大等因素；另一方面，如热电偶等测温单元，所需的冷端补偿在航天器在轨运行时难以实现，一般在地面实验使用，无法直接用于具有较高要求的光学系统的测温应用。而接触式测温方法中测温单元的安装方式目前主要有两种，即嵌入式和表面粘贴式。嵌入式安装方式并不适用于透射式光学系统的温度测量，表面粘贴式是将测温模块粘贴于反射镜背面进行实时测温工作，相应时间长，测温效果不佳。综上，现有技术中，针对反射镜的实时测温技术有所研究，但是一直在没有获得很好的效果，即：仍没有有效解决光学元件实时测温的问题。并且，在没有技术中一直没有研究针对透镜的测温技术手段，该技术仍处于空白状态。


技术实现要素：

4.为了实现对透镜的接触式实时测温，本发明提出了一种透镜实时测温单元及其引线结构的制备方法。
5.本发明的技术方案：
6.一种带有实时测温功能的透镜的加工方法，优选地，包括如下步骤：
7.s1、对透镜进行预处理；
8.s2、涂覆光致抗蚀剂并前烘，再运用紫外套刻和磁控溅射技术镀制一层金属膜，作为引线层；
9.s3、将镀制好引线层的透镜在丙酮溶液中浸泡30s～90s脱膜，得到带有测温引线结构的透镜；
10.s4、对带有测温引线结构的透镜进行预处理；
11.s5、涂覆光致抗蚀剂并前烘，再运用紫外套刻和磁控溅射技术镀制一层 pt膜，作为测温单元层；
12.s6、测温单元层脱模：将镀制好测温单元层的透镜在丙酮溶液中浸泡 30s～90s脱
膜，得到带有实时测温功能的透镜。
13.优选地，步骤s1和步骤s4中所述预处理的具体操作方法如下：在超声波清洗机中分别用清洗液和去离子水对所述透镜清洗20min～30min，再用干燥且纯净的高压氮气吹干。
14.优选地，所述步骤s2包括如下步骤：
15.s21、紫外套刻：采用测温引线结构的柔性掩模或图形补偿后的平面掩模对准透镜，在紫外光下曝光40s～90s，进行紫外套刻；
16.s22、充分显影并进行后烘：将紫外套刻后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，得到由光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃～140℃，恒温20～30min；
17.s23、镀制引线层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属靶材，加热透镜至100℃～300℃，同时，预抽真空到2
×
10-4
pa～5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压1
×
100pa～3
×
100pa，溅射电流40ma～120ma，溅射时间15min ～45min，样品架以20r/min～40r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层100nm 的金属膜作为引线层。
18.优选地，所述步骤s2包括如下步骤：
19.s21、紫外套刻：采用测温引线结构的图形补偿后的平面掩模对准透镜，在紫外光下曝光60s，进行紫外套刻；
20.s22、充分显影并进行后烘：将紫外套刻后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，得到由光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃，恒温30min；
21.s23、镀制引线层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属靶材，加热透镜至200℃，同时，预抽真空到5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压3
×
100pa，溅射电流20ma，溅射时间15min，样品架以20r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层100nm的金属膜作为引线层。
22.优选地，步骤s23中所述高纯金属靶材为高纯金属ag靶材或高纯金属 cu靶材或高纯金属au靶材。
23.优选地，所述步骤s5包括如下步骤：
24.s51、紫外套刻：将测温单元的柔性掩模或图形补偿后的平面掩模与透镜对准，在紫外光下曝光40s-90s，进行紫外套刻；
25.s52、充分显影并进行后烘：将二次曝光后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，得到部分引线结构上覆盖有光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃～140℃，恒温20min～30min；
26.s53、镀制测温单元层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属pt靶材，加热透镜至100℃～300℃，同时，预抽真空到2
×
10-4
pa～5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压1
×
100pa～3
×
100pa，溅射电流100ma～150ma，溅射时间 15min～45min，样品架以20r/min～40r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层 200nm的pt薄膜作为测温单元层。
27.优选地，所述步骤s5包括如下步骤：
28.s51、紫外套刻：将柔性掩模或图形补偿后的平面掩模与透镜对准，在紫外光下曝光60s，进行紫外套刻；
29.s52、充分显影并进行后烘：将二次曝光后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显
影后取出，得到部分引线结构上覆盖有光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃，恒温30min；
30.s53、镀制测温单元层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属pt靶材，加热透镜至200℃，同时，预抽真空到5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压3
×
100pa，溅射电流150ma，溅射时间20min，样品架以20r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层200nm的pt薄膜作为测温单元层。
31.优选地，步骤s2和s5中所述涂覆光致抗蚀剂是采用提拉涂覆法实现的；所述前烘的操作条件为：将所述透镜置入恒温干燥箱中加热至90℃～105℃，恒温15min～25min。
32.本发明还提供了一种带有测温功能的透镜，所述透镜包括透镜本体、附着在所述透镜本体表面上的金属引线结构以及pt测温单元。优选地，所述透镜是按照上述技术方案中的加工方法加工而成。
33.本发明解决了光学系统中一直渴望解决的对透镜实时测温的问题，具体的有益效果为：
34.1、本发明提出带有实时测温功能的透镜，其制备过程简单、制备周期短、成本较低；
35.2、本发明使用紫外套刻结合磁控溅射技术，基片温度低，成膜速率快，制备的引线和测温单元与透镜的结合牢固度高，可以直接在透镜工作表面进行测温单元与引线结构的高精度制备，保证光学系统透镜的有效通光面积，本发明的技术参数使得到的pt测温单元电阻稳定，以保证测量结果准确；
36.3.本发明填补了透镜接触式实时测温工作的空白，且测温结果准确度高，获得的温度参数可作为镜片温度场恢复或者成像调整的重要参考，有效避免温度变化对透镜工作的影响，这对提升透射式光学系统成像质量、引领光学系统发展进步有着重要意义。
37.本发明公开的带有实时测温功能的透镜的加工方法，适用于航天器在轨运行和地面实验中对透射式光学系统中各透镜的实时测温工作。
附图说明
38.图1为本发明提供的带有实时测温功能的透镜的加工方法流程图；
39.图2为实施例10中测温引线结构的图形补偿后的平面掩模示意图；
40.图3为实施例10中测温单元的图形补偿后的平面掩模示意图；
41.图4为实施例11中所述升温过程中透镜实时测温结果与实际温度对比示意图。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步阐述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明技术方案，而不应理解为对本发明保护范围的限制。
43.图1为本发明提供的带有实时测温功能的透镜的加工方法流程图，结合该图可以更好理解本发明的以下具体实施例。
44.实施例1.
45.本实施例提供了一种带有实时测温功能的透镜的加工方法，具体包括如下步骤：
46.s1、对透镜进行预处理；
47.s2、涂覆光致抗蚀剂并前烘，再运用紫外套刻和磁控溅射技术镀制一层金属膜，作为引线层；
48.s3、将镀制好引线层的透镜在丙酮溶液中浸泡30s～90s脱膜，得到带有测温引线结构的透镜；
49.s4、对带有测温引线结构的透镜进行预处理；
50.s5、涂覆光致抗蚀剂并前烘，再运用紫外套刻和磁控溅射技术镀制一层 pt膜，作为测温单元层；
51.s6、测温单元层脱模：将镀制好测温单元层的透镜在丙酮溶液中浸泡 30s～90s脱膜，得到带有实时测温功能的透镜。
52.金属在温度变化时自身电阻值也随之改变，其中本实施例使用的金属pt 的测量精确度是最高的，测温时显示仪表将会指示出pt膜测温单元的电阻值所对应的温度值。本实施例提出了一种透镜实时测温单元及其引线结构的制备过程，弥补了针对透镜接触式实时测温技术的空白，对透镜的实时测温工作，对指导镜片温度场复原、确保透射式光学系统的工作精度有着重要意义。
53.实施例2.
54.本实施例为对实施例1中步骤s1、s4所述预处理的举例说明，所述预处理的具体操作方法为：在超声波清洗机中分别用清洗液和去离子水对所述透镜清洗20min～30min，再用干燥且纯净的高压氮气吹干。
55.透镜的预处理直接关系到镀膜的结合强度和膜层质量，本实施例再镀膜前对透镜进行清洁和烘干，保证了引线结构和测温单元与透镜间的结合牢固度。
56.实施例3.
57.本实施例为对实施例1中步骤s2的一个举例说明，所述步骤“s2、镀制一层金属膜作为测温引线层”的具体操作流程为；
58.s21、紫外套刻：采用测温引线结构的柔性掩模或图形补偿后的平面掩模对准透镜，在紫外光下曝光40s～90s，进行紫外套刻；
59.s22、充分显影并进行后烘：将紫外套刻后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，得到由光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃～140℃，恒温20～30min；
60.s23、镀制引线层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属靶材，加热透镜至100℃～300℃，同时，预抽真空到2
×
10-4
pa～5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压1
×
100pa～3
×
100pa，溅射电流40ma～120ma，溅射时间15min ～45min，样品架以20r/min～40r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层100nm 的金属膜作为引线层。
61.实施例4.
62.本实施例为对实施例1中步骤s2的又一个举例说明，所述步骤“s2、镀制一层金属膜作为测温引线层”的具体操作流程为；
63.s21、紫外套刻：采用测温引线结构的图形补偿后的平面掩模对准透镜，在紫外光下曝光60s，进行紫外套刻；
64.s22、充分显影并进行后烘：将紫外套刻后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，得到由光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃，
恒温30min；
65.s23、镀制引线层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属靶材，加热透镜至200℃，同时，预抽真空到5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压3
×
100pa，溅射电流20ma，溅射时间15min，样品架以20r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层100nm的金属膜作为引线层。
66.紫外套刻可以采用柔性掩模或图形补偿后的平面掩模。柔性掩模与透镜表面贴合度好，但容易因变形而导致曝光结果产生误差；使用掩模在曝光过程中也容易衍射等原因出现误差，因此，最优选使用图形补偿后的平面掩模进行紫外套刻。
67.本实施例使用紫外套刻结合磁控溅射技术，可以直接在透镜工作表面进行引线结构的高精度制备，保证光学系统透镜的有效通光面积，且制备的引线结构与透镜的结合牢固度高。
68.实施例5.
69.本实施例为对实施例3和实施例4中步骤s3的进一步说明，步骤s23 中所述高纯金属靶材为高纯金属ag靶材或高纯金属cu靶材或高纯金属au 靶材。
70.由于测温单元的引线结构需要具备良好的导电性能，且不应与测温单元层的pt膜引起阻抗，结合性良好，因此，本实施例使用高纯金属ag靶材或高纯金属cu靶材或高纯金属au靶材镀制引线层。
71.实施例6.
72.本实施例为对实施例1中步骤s5的一个举例说明，所述步骤“s5、镀制一层pt膜作为测温单元层”的具体操作流程为：
73.s51、紫外套刻：将测温单元的柔性掩模或图形补偿后的平面掩模与透镜对准，在紫外光下曝光40s-90s，进行紫外套刻；
74.s52、充分显影并进行后烘：将二次曝光后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，得到部分引线结构上覆盖有光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃～140℃，恒温20min～30min；
75.s53、镀制测温单元层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属pt靶材，加热透镜至100℃～300℃，同时，预抽真空到2
×
10-4
pa～5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压1
×
100pa～3
×
100pa，溅射电流100ma～150ma，溅射时间 15min～45min，样品架以20r/min～40r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层 200nm的pt薄膜作为测温单元层。
76.实施例7.
77.本实施例为对实施例1中步骤s5的又一个举例说明，所述步骤“s5、镀制一层pt膜作为测温单元层”的具体操作流程为：
78.s51、紫外套刻：将柔性掩模或图形补偿后的平面掩模与透镜对准，在紫外光下曝光60s，进行紫外套刻；
79.s52、充分显影并进行后烘：将二次曝光后的透镜浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，得到部分引线结构上覆盖有光致抗蚀剂构成的图形结构，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃，恒温30min；
80.s53、镀制测温单元层：透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属pt靶材，加热透镜至200℃，同时，预抽真空到5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压3
×
100pa，溅射电流150ma，溅射时间20min，样品架以20r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层200nm的pt薄膜作为测温单
元层。
81.紫外套刻可以采用柔性掩模或图形补偿后的平面掩模。柔性掩模与透镜表面贴合度好，但容易因变形而导致曝光结果产生误差；使用掩模在曝光过程中也容易衍射等原因出现误差，因此，最优选使用图形补偿后的平面掩模进行紫外套刻。
82.本实施例使用紫外套刻结合磁控溅射技术，可以直接在透镜工作表面进行测温单元的高精度制备，保证光学系统透镜的有效通光面积，且制备的测温单元与透镜的结合牢固度高。并且本实施例不仅能够制作单一的测温单元，也可根据透镜的尺寸大小及所需的测试精度要求，制作阵列排布的多组测温单元和对应的引线结构。
83.实施例8.
84.本实施例为对实施例1中步骤s2和s5的进一步举例说明，其中所述涂覆光致抗蚀剂是采用提拉涂覆法实现的；所述前烘的操作条件为：将所述透镜置入恒温干燥箱中加热至90℃～105℃，恒温15min～25min。
85.本实施例采用提拉涂覆法实现透镜表面光致抗蚀剂的涂覆，通过预设浸渍时间和提拉速度可以控制涂覆的膜层厚度，且该方法对透镜形状无特殊要求，运行稳定、工作时液面无振动，可提高涂覆精度与效率。
86.实施例9.
87.本实施例提供了一种实时测温功能的透镜，包括透镜本体、附着在所述透镜本体表面上的金属引线结构以及pt测温单元。
88.实施例10.
89.本实施例为对实施例9的进一步举例说明，所述带有实时测温功能的透镜，是按照实施例1-8的加工方法加工而成。
90.实施例11.
91.在透镜表面制备ag引线结构：在超声波清洗机中分别用清洗液和去离子水对透镜进行清洗20分钟，再用干燥且纯净的高压氮气吹干；在透镜表面涂覆一层正型光致抗蚀剂，然后将其放置入恒温干燥箱中加热至95℃，恒温 20min，采用测温引线结构的图形补偿后的平面掩模对准透镜，图2为所述测温引线结构的图形补偿后的平面掩模示意图，在紫外光下曝光60s，再浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃，恒温30min，透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯ag金属靶材，加热透镜至200℃，同时，预抽真空到5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压 3
×
100pa，溅射电流20ma，溅射时间15min，样品架以20r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层100nm的ag膜作为引线层，在丙酮溶液中浸泡60s脱膜，得到测温单元银引线结构；
92.制备pt膜测温单元：在超声波清洗机中分别用清洗液和去离子水对带有测温单元银引线结构的透镜进行清洗20分钟，再用干燥且纯净的高压氮气吹干，再次向透镜表面涂覆一层正型光致抗蚀剂，然后将其放入恒温干燥箱中加热至95℃，恒温20min；将测温单元的图形补偿后的平面掩模与透镜对准，图3为所述测温单元的图形补偿后的平面掩模示意图，在紫外光下曝光60s，再浸入5
‰
的naoh显影液中充分显影后取出，然后将其放入恒温干燥箱中加热至120℃，恒温30min，透镜置于磁控溅射设备中，采用高纯金属pt靶材，加热透镜至200℃，同时，预抽真空到5
×
10-4
pa后，充入氩气，溅射气压3
×
100pa，溅射电流150ma，溅射时间20min，样品架以20r/min的速度旋转，在透镜上镀制一层200nm的pt薄膜作为测温
单元层，在丙酮溶液中将镀制好测温单元层的透镜浸泡60s脱膜，形成pt膜测温单元。
93.将透镜上的引线结构与电源和显示仪表连接好，置于数显鼓风干燥箱中，在20℃下恒温30min后，将目标温度设为50℃，升温过程中对该透镜进行实时测温，测试结果见图4，从图中可以看出，应用本实施例制备的引线结构和测温单元测试得到的温度结果，与数显鼓风干燥箱的显示的实际温度拟合性良好，本实施例使用的数显鼓风干燥箱为韩国daihan-wof数显鼓风干燥箱，70℃以下时设备温度控制精度为
±
0.3℃。以上可以证明本实施例方法加工而成的带有测温功能的透镜，其测温准确度高，可以应用于需要进行实时测温的光学系统中。