專(zhuān)利名稱(chēng)：一種自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種光學(xué)微鏡陣列的制作方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)微鏡陣列包括微透鏡陣列和微反射鏡陣列。目前，關(guān)于光學(xué)微鏡陣列的研究主要以圓形單元球面微透鏡陣列為主，其主要功能包括光束調(diào)節(jié)、成像、光互聯(lián)、顯示等，在光束調(diào)節(jié)領(lǐng)域傳統(tǒng)圓形單元球面微透鏡陣列受到極大的局限，下面以在光電傳感器光敏陣列中的應(yīng)用的微透鏡陣列為例進(jìn)行說(shuō)明。光敏陣列是光電傳感器的核心部件，在光敏陣列中，受光面分“光敏區(qū)”和“間隔區(qū)”。其中光敏區(qū)接受光能量，產(chǎn)生光電效應(yīng)；間隔區(qū)作為讀出電路部分，不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。光敏單元為矩形結(jié)構(gòu)，直角排列方式，根據(jù)光敏區(qū)和間隔區(qū)比例(占空比)計(jì)算，光能有效利用率約為60%，光能損失大，影響光電傳感器的感光靈敏度和信噪比。如將微透鏡陣列置于光敏陣列前側(cè)，使透鏡單元與光敏單元一一對(duì)應(yīng)，把剩余 光能聚集在光敏面上，對(duì)于提高光電傳感器的應(yīng)用性能有很大幫助。但傳統(tǒng)圓形單元球面微透鏡陣列(如圖I)其最大占空比也僅為78. 5%，對(duì)于提高光敏陣列的光能利用率效果不是很明顯，而且聚焦后光能集于光敏區(qū)中一點(diǎn)，光照不均勻。自由曲面微鏡陣列是一類(lèi)特殊的具有非回轉(zhuǎn)面型和非球面面型結(jié)構(gòu)的陣列器件。其面型復(fù)雜無(wú)法用固定解析式來(lái)表達(dá)，一般用離散的列表值點(diǎn)來(lái)表示。在光束調(diào)節(jié)領(lǐng)域，除上述在傳感器光敏陣列中的應(yīng)用外，對(duì)于特殊照明配光的領(lǐng)域，如光敏陣列、汽車(chē)前照燈、景觀照明、投影儀等光學(xué)系統(tǒng)提供了一個(gè)新的選擇，應(yīng)用它不僅可以自由分配光強(qiáng)，也可以控制光線角度、光程差等物理量，從而在照明面上形成特定形狀的均勻光斑。同時(shí)，矩形單元減小了單元間距，其理論光能利用率可達(dá)95%以上(如圖2)。通過(guò)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)查閱，未發(fā)現(xiàn)研究單位及人員提及自由曲面微鏡陣列制作方法，大量關(guān)于自由曲面的研究只側(cè)重于單個(gè)自由曲面光學(xué)透鏡。當(dāng)前，單個(gè)自由曲面光學(xué)透鏡制作有兩種方法第一種，是采用計(jì)算機(jī)控制微小磨頭在材料表面成型技術(shù)；第二種，是采用多軸超精密金剛石刀具車(chē)削加工成型技術(shù)。計(jì)算機(jī)控制微小磨頭在材料表面成型技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制一個(gè)微小尺寸的磨頭作預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)，并且控制磨頭在工件上各點(diǎn)的駐留時(shí)間和壓力，獲得所需要的磨削量而形成曲面型面。它的缺點(diǎn)是精度低、廢品率高，尤其對(duì)于光學(xué)材料廢品率更高，而且光學(xué)器件尺寸受微小磨頭制作水平的限制。多軸超精密金剛石刀具車(chē)削加工成型技術(shù)是采用多自由度高精密車(chē)削設(shè)備對(duì)材料直接車(chē)削去除，從而形成預(yù)設(shè)曲面型面。它的缺點(diǎn)是加工脆性材料時(shí)材料表面存在大量亞微米至微米量級(jí)裂紋，會(huì)影響光波透過(guò)率，且專(zhuān)用車(chē)削加工設(shè)備昂貴。以上兩種方法都無(wú)法加工自由曲面光學(xué)陣列器件。本發(fā)明人于2012年在[紅外技術(shù)]第I期發(fā)表了題為“硅基自由曲面光學(xué)微透鏡陣列制作的光學(xué)性能研究”，提出了逐點(diǎn)變劑量曝光、顯影及離子刻蝕方式制作自由曲面微鏡的理論設(shè)想。但與實(shí)際加工尚存在一定差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的方案是采用如下工藝步驟完成的
1.在光學(xué)材料基片表面涂布一層感光膠；
2.將涂好感光膠的基片放入高溫烘箱中加熱至90 100°C，恒溫15 25分鐘；
3.以列表形式描述出所要制作自由曲面光學(xué)微鏡陣列的坐標(biāo)值點(diǎn)；
4.變劑量曝光。采用激光直寫(xiě)設(shè)備，在激光束能量不變的情況下，通過(guò)曝光和顯影實(shí)驗(yàn)建立感光膠曝光深度與曝光時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該模型與自由曲面光學(xué)微鏡陣列的坐標(biāo)值點(diǎn)擬合，編制激光直寫(xiě)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)速度控制程序；然后工作臺(tái)帶動(dòng)涂膠工件 按編制的程序運(yùn)動(dòng)，激光束在感光膠表面逐行、逐點(diǎn)掃描，由于運(yùn)動(dòng)速度不同而實(shí)現(xiàn)變劑量曝光，又由于曝光量不同使光刻膠曝光深度不同，曝光深度與陣列中每一坐標(biāo)值點(diǎn)呈對(duì)應(yīng)關(guān)系;
5.將曝光后的基片浸入顯影液2 5分鐘取出，曝光深度不同則顯影深度不同，顯影后得到由感光膠構(gòu)成的自由曲面面型結(jié)構(gòu)；
6.將顯影后的基片放入溫度均勻性高于1%的高溫加熱器中，加熱至180 270°C，恒溫5 10分鐘進(jìn)行表面均勻化處理，而后自然冷卻至室溫取出；
7.基片置于離子刻蝕機(jī)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)離子束刻蝕,刻蝕速率5nm/s-15nm/s，刻蝕時(shí)間由光刻膠厚度決定，刻蝕也稱(chēng)為面型轉(zhuǎn)移，是將感光膠自由曲面陣列結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基片上，由此制得光學(xué)微鏡陣列；
8.將刻蝕后得到的光學(xué)微鏡陣列進(jìn)行高速流體拋光，流體運(yùn)動(dòng)速度可根據(jù)材料選擇3m/ s 6m/ s ；
9.用去離子水沖洗I 2分鐘；
10.最后用干燥純凈氮?dú)獯蹈桑?br> 11.檢測(cè)。上述工藝步驟I中，
所用光學(xué)材料應(yīng)根據(jù)自由曲面器件應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)選擇，紅外系統(tǒng)中可選用Si、Ge、ZnS、MgF2等，可見(jiàn)光學(xué)系統(tǒng)可選用光學(xué)玻璃、石英玻璃等，紫外光學(xué)系統(tǒng)中可選用紫外石英、CaF2等；感光膠厚度由微鏡單元矢高決定。上述工藝步驟3中，自由曲面光學(xué)微鏡陣列的每一坐標(biāo)值點(diǎn)由(X、Y、Z)三點(diǎn)確定，(Χ、Υ)代表坐標(biāo)位置，Z代表豎直方向的高度；
上述工藝步驟4中感光膠曝光深度與時(shí)間的關(guān)系式為
權(quán)利要求
1.一種自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于包括如下工藝步驟完成 (1)在光學(xué)材料基片表面涂布一層感光膠； (2)將涂好感光膠的基片放入高溫烘箱中加熱至90 100°C，恒溫15 25分鐘； (3)以列表形式描述出所要制作自由曲面光學(xué)微鏡陣列的坐標(biāo)值點(diǎn)； (4)變劑量曝光，采用激光直寫(xiě)設(shè)備，在激光束能量不變的情況下，通過(guò)曝光和顯影實(shí)驗(yàn)建立感光膠曝光深度與曝光時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該模型與自由曲面光學(xué)微鏡陣列的坐標(biāo)值點(diǎn)擬合，編制激光直寫(xiě)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)速度控制程序；然后工作臺(tái)帶動(dòng)涂膠工件按編制的程序運(yùn)動(dòng)，激光束在感光膠表面逐行、逐點(diǎn)掃描，曝光深度與陣列中每一坐標(biāo)值點(diǎn)呈對(duì)應(yīng)關(guān)系； (5)將曝光后的基片浸入顯影液2 5分鐘取出，顯影后得到由感光膠構(gòu)成的自由曲面面型結(jié)構(gòu)；· (6)將顯影后的基片放入溫度均勻性高于1%的高溫加熱器中，加熱至180 270°C，恒溫5 10分鐘進(jìn)行表面均勻化處理，而后自然冷卻至室溫取出； (7)基片置于離子刻蝕機(jī)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)離子束刻蝕，刻蝕速率5nm/s-15nm/s，刻蝕時(shí)間由光刻膠厚度決定，由此制得光學(xué)微鏡陣列； (8)將刻蝕后得到的光學(xué)微鏡陣列進(jìn)行高速流體拋光，流體運(yùn)動(dòng)速度為3m/s 6m/s； (9)用去離子水沖洗I 2分鐘； (10)最后用干燥純凈氮?dú)獯蹈桑? (11)檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于光學(xué)材料根據(jù)自由曲面器件應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)選擇，其中紅外系統(tǒng)中選用Si、Ge、ZnS、MgF2 ;可見(jiàn)光學(xué)系統(tǒng)選用光學(xué)玻璃、石英玻璃；紫外光學(xué)系統(tǒng)中選用紫外石英、CaF2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于步驟3需米用列表的方法描述出自由曲面表面上每一點(diǎn)坐標(biāo)值X、Y、Z。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于感光膠厚度由微鏡單元矢高決定。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于步驟(4)中感光膠曝光深度與時(shí)間的關(guān)系式為 = ^ exp [-OS (ζ, )] -Ij- BE(ζ, O 式中A、B是光吸收系數(shù)，C是所用感光膠靈敏度參數(shù)，E為曝光量，t為時(shí)間，ζ為垂直基片表面方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于 變劑量曝光是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制曝光設(shè)備的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)激光束在感光膠上各點(diǎn)駐留時(shí)間實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于 步驟6中連續(xù)均勻化處理是將感光膠加熱至微軟狀態(tài)，使膠面由于張力自動(dòng)消除逐行掃描帶來(lái)的不連續(xù)誤差。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于步驟7中采用離子刻蝕技術(shù)將感光膠結(jié)構(gòu)等比例轉(zhuǎn)移到基片材料表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，其特征在于 步驟8中的高速流體拋光液應(yīng)選擇不與基片材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，只通過(guò)沖擊與摩擦進(jìn)行物理拋光。
全文摘要
一種自由曲面光學(xué)微鏡陣列的制作方法，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，步驟是在基片表面涂布感光膠，加熱后烘膠厚，根據(jù)自由曲面表面的坐標(biāo)值點(diǎn)進(jìn)行變劑量曝光，通過(guò)顯影后得到感光膠自由曲面面型結(jié)構(gòu)，對(duì)基片進(jìn)行均勻化處理、動(dòng)態(tài)離子束刻蝕和流體拋光，制得光學(xué)微鏡陣列。本發(fā)明制得的光學(xué)微鏡陣列光能利用率高，光照均勻，光斑形狀可控。其制作方法簡(jiǎn)單易行，通過(guò)改變曝光系統(tǒng)光刻物鏡得到亞微米直徑曝光光斑，通過(guò)控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度實(shí)現(xiàn)變劑量曝光。
文檔編號(hào)G03F7/00GK102902156SQ20121017154
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者孫艷軍, 董連和, 冷雁冰, 陳哲 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)