專利名稱：一種制造微型固體浸沒透鏡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造微型固體浸沒透鏡的方法，尤其是一種利用熱融法制造微型固體浸沒透鏡的方法。
背景技術(shù)：
固體浸沒透鏡(Solid Immersion Lens)即半球或超半球透鏡是一種基礎(chǔ)光學(xué)元件，在很多光學(xué)系統(tǒng)中有著關(guān)鍵的應(yīng)用。特別是在高密度光存儲(chǔ)技術(shù)以及光學(xué)顯微技術(shù)中，固體浸沒透鏡是用來獲得高分辨率的關(guān)鍵器件。但是，固體浸沒透鏡的制作比較困難。對(duì)于直徑較大(大于1mm)的固體浸沒透鏡，可以用現(xiàn)有的常規(guī)光學(xué)加工方法先制得所需尺寸的球透鏡，再去除半球或少半球加工得到。其中球透鏡的加工非常困難，無論是采用手工還是機(jī)械加工，對(duì)加工的工藝以及工人的操作技能和熟練程度要求高，而且加工時(shí)球面的面型、局部光圈及表面光潔度均不易保證，并且隨著加工尺寸的縮小加工的困難度迅速變大，以至于對(duì)直徑小于1mm的球透鏡根本就無法加工。同時(shí)，常規(guī)光學(xué)冷加工過程材料的消耗比較大，首先表現(xiàn)在制作球透鏡之前要先加工相應(yīng)尺寸的磨具，且對(duì)磨具的加工精度也有比較高的要求。其次，塊狀材料(玻璃、塑料)要先經(jīng)粗磨變?yōu)榻魄蛐我院蟛趴梢约庸?，該過程光學(xué)材料的利用率較低。第三，由于加工的難度大導(dǎo)致最終的成品率低。這些缺點(diǎn)使得常規(guī)的光學(xué)冷加工方法制作成本高，加工周期長，且無法加工小尺寸(直徑小于1mm)的固體浸沒透鏡。
為了加工直徑小于1mm的固體浸沒透鏡，國外目前已開發(fā)出了以下幾種加工方法1、模具法。該方法首先制造一半球形模具，再把軟化的光學(xué)塑料利用該模具模壓成形，待冷卻后倒模即可得到半球或超半球透鏡。該方法生產(chǎn)的過程比較簡單，但其模具的制造非常復(fù)雜。因?yàn)橛脗鹘y(tǒng)的冷加工工藝制作小尺寸凹球面模具會(huì)遇到冷加工制作球透鏡同樣的困難，因此在該技術(shù)中他們使用半導(dǎo)體濕法刻蝕工藝在Si片上制作了直徑0.25mm的模具。由于半導(dǎo)體濕法刻蝕工藝的特點(diǎn)使得該方法首先有制作工藝復(fù)雜，需有十幾道工序、所需設(shè)備多、消耗貴金屬及單晶半導(dǎo)體材料、周期長成本高的固有缺點(diǎn)。其次，在半導(dǎo)體材料上的定向刻蝕制作凹球面工藝可控性差，要刻蝕出球面，要求刻蝕氛圍與刻蝕時(shí)間嚴(yán)格匹配。環(huán)境溫度以及刻蝕液濃度的變化都將對(duì)刻蝕速度產(chǎn)生較大的影響，從而導(dǎo)致刻蝕的凹球面面型變差。第三，濕法刻蝕的鉆蝕等固有缺點(diǎn)使得這種刻蝕方法制作的模板表面光潔度差。第四，由于Si模具在較高溫度下(300℃以上)會(huì)氧化、炸裂，這種模具只可用于壓制軟化點(diǎn)低的光學(xué)塑料，無法制作玻璃材料(軟化點(diǎn)一般都高于500℃)的半球透鏡。
2、半導(dǎo)體微加工方法。該方法完全采用半導(dǎo)體刻蝕工藝將掩模圖形復(fù)制到Si晶片上，通過多次的掩?？涛g過程最終用Si單晶材料制得直徑100μm左右的固體浸沒透鏡。半導(dǎo)體刻蝕工藝的復(fù)雜性與困難度自不必說，單其制作的半球的球面度就很難保證。因?yàn)樵摲椒ㄊ褂脠D形轉(zhuǎn)移法，即首先在晶片上表面用光刻膠制作一半球，再干法刻蝕，在光刻膠圖形的遮蔽作用下最終在上表面經(jīng)刻蝕形成半球。首先，用光刻膠制作半球難度很大，雖然軟化的光刻膠在表面張力作用下可以收縮為球面，但其下半部分和硅片是接觸的，由于二者有很好的浸潤性，因此最終形成的球面面型肯定和半球面相差很遠(yuǎn)。其次，該方法只可在單晶半導(dǎo)體材料上制作，而半導(dǎo)體材料在可見光波段吸收很大，因此該方法制作的透鏡光能透過濾低。
3、自由落體法。將充分軟化的玻璃態(tài)物質(zhì)由噴嘴中噴入自由落體管道，在下落過程中小液滴在表面張力作用下變?yōu)榍蛐尾⒗鋮s，再加工可制得半球透鏡。該方法需要建自由下落管道，管道的高度不低于10米，直徑不小于0.5米，且為了防止液滴在噴出后因快速冷卻而不能充分變?yōu)榍蛐危诠艿赖纳习氩糠忠ǜ邷丶訜嵫b置，為防止空氣阻力的影響還需要大型抽真空設(shè)備。因此其設(shè)備龐大，制作成本高，且制作的球透鏡直徑不一，要嚴(yán)格分選。同時(shí)，由于液滴在噴出時(shí)可能高速旋轉(zhuǎn)，離心力的作用使得其形狀可能為橢球形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，而提供一種利用熱融法制造微型固體浸沒透鏡的方法，利用該方法可以低成本地制造出現(xiàn)有光學(xué)冷加工方法無法制造的小尺寸固體浸沒透鏡。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明為一種制造微型固體浸沒透鏡的方法，其特殊之處在于該方法包括下列步驟1)制備黏附懸掛裝置。該黏附懸掛裝置具有一突出的端部，端部的形狀可以是棒狀或錐狀。該裝置要選取軟化點(diǎn)溫度比待加工原材料軟化點(diǎn)溫度高且相互不溶的材料。
2)制備原材料絲。將原材料拉制成直徑均勻的細(xì)絲，并將該細(xì)絲切成小段。
3)融制球透鏡。將加熱爐的溫度調(diào)到材料的軟化點(diǎn)溫度附近，將步驟2)中準(zhǔn)備好的小段細(xì)絲夾到爐口烘烤，待其初步軟化后粘在懸掛裝置的端部。用懸掛裝置將其送入加熱爐的內(nèi)部均勻受熱，待其充分軟化并變?yōu)榍蛐魏笕〕?。待球形材料冷卻后從懸掛裝置的端部取下。
4)測(cè)量、拋光。融制好的球透鏡通過光學(xué)冷加工的方法去除少半或半球面，制得合格的半球或超半球固體浸沒透鏡。
上述步驟1)中的黏附懸掛裝置的材料采用石英棒，將石英棒軟化拉絲，并在末端形成一針尖狀尖端。
上述步驟1)中的黏附懸掛裝置的材料采用鋼絲，將其一端磨平拋光。
上述步驟2)中的原材料采用光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料。
上述步驟3)與步驟4)間還包括有退火步驟，對(duì)融制好的球透鏡進(jìn)行精密退火。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、熱融法制作浸沒透鏡工藝簡單，制作速度快。
由于利用了軟化狀態(tài)下材料的表面張力的作用，軟化的材料液滴可以自然縮為球形，且球面不用拋光就可達(dá)到光學(xué)級(jí)。這與傳統(tǒng)冷加工相比制作速度快、效果好。
2、制作成品率高，成本低。
由于熱融法制作固體浸沒透鏡不需要制坯，無需粗磨，且工藝簡單，能很容易制作出合格的球面，因此其制作原材料利用率很高。
3、設(shè)備簡單。
熱融法特有的設(shè)備是小型的軟化加熱裝置，這和其他制作方法的設(shè)備相比非常簡單。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的具體流程如下
1、制備黏附懸掛裝置。
該裝置制作一突出的端部，端部的形狀可以是棒狀、錐狀或其他合適的形狀。軟化的材料液滴通過接觸該端部，由于軟化材料的黏附性使得液滴被懸掛在該端部。該裝置的材料要選取軟化點(diǎn)溫度比待加工材料軟化點(diǎn)溫度高且相互不溶的材料。其末端的接觸面的尺寸相對(duì)于軟化后球的直徑要有合適的比例，以防止接觸點(diǎn)過大對(duì)球面面型的影響或者因過小而沒有足夠的黏附力導(dǎo)致液滴的掉落。
2、準(zhǔn)備要加工的材料。
要加工的材料受熱軟化后在表面張力的作用下變?yōu)榍蛐?，該變化過程材料的重量不會(huì)發(fā)生變化，對(duì)軟化前的形狀也沒有要求，因此要加工材料的準(zhǔn)備也很簡單，只要將其分為預(yù)計(jì)質(zhì)量的小塊即可。
3、融制球透鏡。
加熱爐的溫度調(diào)到材料的軟化點(diǎn)溫度附近，將前面準(zhǔn)備好的材料小塊夾到爐口烘烤，待其初步軟化后粘在懸掛裝置的端部。用懸掛裝置將其送入加熱爐的內(nèi)部均勻受熱，待其充分軟化并變?yōu)榍蛐魏笕〕觥４蛐尾牧侠鋮s后從懸掛裝置的端部取下。
4、測(cè)量、拋光。
融制好的球透鏡通過光學(xué)冷加工的方法去除少半或半球面即可最終制得合格的半球或超半球固體浸沒透鏡。注意去除時(shí)應(yīng)從和懸掛裝置的端部相接觸的部位開始。
如果要提高最終制得的球透鏡的光學(xué)質(zhì)量可以在步驟3和4之間增加一步“退火過程”。因?yàn)檫@種軟化再冷卻的加工方式容易在工件中引入內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致像質(zhì)的下降。
本發(fā)明的具體實(shí)施例一如下1、石英棒經(jīng)軟化拉絲在末端形成一針尖狀尖端。
2、光學(xué)玻璃軟化后拉制成直徑均勻的細(xì)絲，再將光學(xué)玻璃絲切成等長小段，小段的長度應(yīng)由要加工的球透鏡的重量確定。
3、加熱爐的溫度調(diào)到光學(xué)玻璃的軟化點(diǎn)溫度附近，將前面準(zhǔn)備好的玻璃絲小段夾到加熱爐口烘烤，待前端軟化后粘在石英絲的尖端。用石英絲將玻璃絲送入加熱爐內(nèi)均勻受熱，待其充分軟化并變?yōu)榍蛐魏笕〕觥４Ａ蚶鋮s后從石英絲的尖端取下。
4、精密退火。將熔制好的玻璃球進(jìn)行精密退火。
5、將退火后的玻璃球經(jīng)放大檢測(cè)，挑選面型合格的測(cè)量直徑，確定拋磨去除量，再上盤拋磨即可制得合格的固體浸沒透鏡。
本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)實(shí)例二如下1、取一段直徑0.5mm左右的鋼絲，將其一端磨平拋光。
2、光學(xué)塑料軟化后拉制成直徑為0.3mm左右的細(xì)絲，再將塑料絲切成等5mm長小段。
3、加熱爐的溫度調(diào)到光學(xué)塑料的玻璃化溫度附近，將前面準(zhǔn)備好的塑料絲小段夾到加熱爐口烘烤，待前端軟化后粘在鋼絲的尖端。用鋼絲將塑料絲送入加熱爐內(nèi)均勻受熱，待其充分軟化并變?yōu)榍蛐魏笕〕觥４芰锨蚶鋮s后從鋼絲的尖端取下。
4、將塑料球經(jīng)放大檢測(cè)，挑選面型合格的測(cè)量直徑，確定拋磨去除量，再上盤拋磨即可制得合格的塑料固體浸沒透鏡。
權(quán)利要求
1.一種制造微型固體浸沒透鏡的方法，其特征在于該方法包括下列步驟1)制備黏附懸掛裝置，該黏附懸掛裝置具有一突出的端部，端部的形狀可以是棒狀或錐狀該裝置，要選取軟化點(diǎn)溫度比待加工原材料軟化點(diǎn)溫度高且相互不溶的材料；2)制備原材料絲，將原材料拉制成直徑均勻的細(xì)絲，并將該細(xì)絲切成小段；3)融制球透鏡，將加熱爐的溫度調(diào)到材料的軟化點(diǎn)溫度附近，將步驟2)中準(zhǔn)備好的小段細(xì)絲夾到爐口烘烤，待其初步軟化后粘在懸掛裝置的端部，用懸掛裝置將其送入加熱爐的內(nèi)部均勻受熱，待其充分軟化并變?yōu)榍蛐魏笕〕觥４蛐尾牧侠鋮s后從懸掛裝置的端部取下；4)測(cè)量、拋光，融制好的球透鏡通過光學(xué)冷加工的方法去除少半或半球面，制得半球或超半球固體浸沒透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造微型固體浸沒透鏡的方法，其特征在于所述步驟1)中的黏附懸掛裝置的材料采用石英棒，將石英棒軟化拉絲，并在末端形成一針尖狀尖端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造微型固體浸沒透鏡的方法，其特征在于所述步驟1)中的黏附懸掛裝置的材料采用鋼絲，將其一端磨平拋光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造微型固體浸沒透鏡的方法，其特征在于所述步驟2)中的原材料采用光學(xué)玻璃或光學(xué)塑料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造微型固體浸沒透鏡的方法，其特征在于所述步驟3)與步驟4)間還包括有退火步驟，對(duì)融制好的球透鏡進(jìn)行精密退火。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造微型固體浸沒透鏡的方法。其包括下列步驟1)制備黏附懸掛裝置，該黏附懸掛裝置具有一突出的端部，端部的形狀可以是棒狀或錐狀，該裝置要選取軟化點(diǎn)溫度比待加工原材料軟化點(diǎn)溫度高且相互不溶的材料；2)制備原材料絲。將原材料拉制成直徑均勻的細(xì)絲，并將該細(xì)絲切成小段；3)融制球透鏡。將加熱爐的溫度調(diào)到材料的軟化點(diǎn)溫度附近，將步驟2)中準(zhǔn)備好的小段細(xì)絲夾到爐口烘烤，待其初步軟化后粘在懸掛裝置的端部，用懸掛裝置將其送入加熱爐的內(nèi)部均勻受熱，待其充分軟化并變?yōu)榍蛐魏笕〕?，待球形材料冷卻后從懸掛裝置的端部取下；4)測(cè)量、拋光，融制好的球透鏡通過光學(xué)冷加工的方法去除少半或半球面，制得合格的半球或超半球固體浸沒透鏡。本發(fā)明工藝簡單、制作速度快、設(shè)備簡單、成本低且制作成品率高。
文檔編號(hào)G02B3/00GK1532564SQ03114559
公開日2004年9月29日 申請(qǐng)日期2003年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月21日
發(fā)明者白永林, 侯洵 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所