專利名稱：非球面微透鏡的激光三維加工制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微制造領(lǐng)域的制備方法，具體地說是涉及一種利用激光三維加工 制備非球面微透鏡及微透鏡陣列制備方法。
背景技術(shù)：
微光學(xué)一詞是由日本電氣公司內(nèi)田禎二于1981年首先提出的，當時主要指 變折射率透鏡和微透鏡。經(jīng)過近30年的發(fā)展，微光學(xué)已經(jīng)變成現(xiàn)代光學(xué)的一個 活躍分支。處于微光學(xué)研究核心地位的微光學(xué)元件涵蓋折射型和衍射型兩大類， 前者主要包括梯度折射率微透鏡及陣列和普通微透鏡及陣列；后者主要包括最佳 相位元件、二元光學(xué)元件、菲涅爾透鏡和光柵結(jié)構(gòu)等。無論是設(shè)計理論或加工方 法，微光學(xué)已經(jīng)完全不同于傳統(tǒng)的宏觀光學(xué)，成為光學(xué)、微電子學(xué)、光電子學(xué)和 微機械技術(shù)相互滲透、交叉、融合的一門新科學(xué)。而微光學(xué)元件已經(jīng)成為小型光 電子系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成元件，它具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、易于陣列化等優(yōu)點， 并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學(xué)元件難以實現(xiàn)的微小、陣列、集成、成像和波面轉(zhuǎn)換等功 能。在幾乎所有工程應(yīng)用領(lǐng)域中，如光纖通信、信息處理、航天航空、生物醫(yī)學(xué)、 激光加工、光計算、光存儲等，微光學(xué)元件都顯示出越來越重要的價值和廣闊的 應(yīng)用前景。
微光學(xué)研究和應(yīng)用以微加工技術(shù)為依托。以微光學(xué)系統(tǒng)中最基本的元件一微
透鏡及其陣列為例，目前已經(jīng)采用的制備方法包括(1)對于折射型元件有平 面工藝離子交換法、光敏玻璃法、全息法、菲涅耳波帶透鏡法、溶膠一凝膠法、 光刻膠熔融法、PMMAX光照射及熔融法等。微小透鏡的二次成形制作法有反應(yīng) 離子刻蝕法、電子束刻蝕，以及激光刻蝕法；(2)對于衍射型微透鏡，其制作 技術(shù)主要有:基于平面光刻的二元光學(xué)技術(shù)、束能直寫技術(shù)以及灰度掩模技術(shù)等。 這些技術(shù)的進步，已經(jīng)大幅度促進了光學(xué)系統(tǒng)和光電儀器的小型化、陣列化和集 成化。與此同時，從醫(yī)學(xué)健康到航天國防等各個領(lǐng)域的工程應(yīng)用又反過來對微制 備技術(shù)提出了一系列更高的要求，其中需求最迫切，而現(xiàn)有技術(shù)又難以解決的一 個問題就是，如何實現(xiàn)非球面微透鏡及陣列。
人們對于非球面透鏡的認識可以追溯到1638年笛卡兒首次提出由凸橢球面 和凹球面構(gòu)成的無球差齊明透鏡。隨后1663年格利高證明了圓錐截面可以矯正 球差，1671年牛頓的拋物面望遠鏡和1732年肖特用拋物面和橢球面制作了格 利高望遠鏡。自此，非球面光學(xué)元件在望遠鏡中開始得到應(yīng)用。直到20世紀60年代，由于航天、航空、天文、電子、通訊和激光等技術(shù)的出現(xiàn)，對于非球面透 鏡的需求驟然增加。在光學(xué)系統(tǒng)中采用非球面光學(xué)元件，具有球面光學(xué)元件無法 比擬的優(yōu)點，如可以校正球差、彗差、像散和畸變；可以使用單一透鏡代替多個 球面鏡組成的透鏡組，減少光能損失，增加作用距，獲得高質(zhì)量的圖像效果和高 品質(zhì)的光學(xué)特性；使用非球面光學(xué)元件還可以大幅度簡化結(jié)構(gòu)，降低光學(xué)系統(tǒng)的 尺寸和重量。例如，KH-11衛(wèi)星中的空間遙感相機使用非平面離軸三反消像散系 統(tǒng)，地面分辨率GSD達0.15米；目前美國偵察衛(wèi)星甚至達到了 0.0125米； 軍品中的激光裝置、熱成像裝置、掃描儀、夜視儀、火控系統(tǒng)均使用了大量非平 面光學(xué)元件，美國陸軍的一項調(diào)查報告表明，1980年-1990年美國軍用激光和 熱成像產(chǎn)品所消耗了非球面光學(xué)元件23.46萬塊。民品中使用的大量光學(xué)元件 中，如數(shù)碼相機(3.5億片/年)、投影儀(1200萬片/年)和光學(xué)讀取頭(10 億片/年)，都含有大量的非球面光學(xué)元件。但必須指出的是，上述應(yīng)用中的非 球面光學(xué)元件，都是大尺寸或者通常尺寸的元件，而非微光學(xué)元件。由于加工困 難，光學(xué)系統(tǒng)對于非球面微光學(xué)元件的大量需求尚無法滿足。
非球面光學(xué)元件的加工是國內(nèi)外公認的難題。為了解決非球面光學(xué)元件的加 工難、成本高的問題，目前研究出的加工方法已經(jīng)有幾十種，從發(fā)展歷史看，大 體上是從手工加工方法發(fā)展到軌跡成型的機械加工方法，再到目前的數(shù)控加工 (如金剛石車床的非球面銑磨)。然而由于顯而易見的原因，這些方法難以適用 于尺寸極小的微光學(xué)元件制備。
激光微納加工是一種非線性加工技術(shù)，用于制備微光學(xué)元件、微機械等微結(jié) 構(gòu)，具有的如下顯著優(yōu)點(1)真三維、可設(shè)計、可集成采用波長位于很多
材料透明窗口的可見光的紅區(qū)或近紅外波長，可使激光無損耗的聚焦到材料內(nèi) 部，從而具有本征的三維加工能力，復(fù)雜的三維器件結(jié)構(gòu)可按照CAD (Computer-Aided Design)設(shè)計一次成型；(2)高分辨、跨尺度由于非線 性過程如多光子吸收等的吸收截面非常小，加工需要的光化學(xué)反應(yīng)被拘囿在焦點 附近極小的高光子密度區(qū)域內(nèi)；另外，由于激發(fā)過程超快(典型值一時域脈沖寬 度100飛秒左右)，避免了熱遲豫(典型時間常數(shù)為納秒到百皮秒)，從而使飛秒 激發(fā)成為一個準絕熱過程；第三，由于使用壓電陶瓷(PZT)等進行三維掃描，可 得到納米量級移動精度，以上三點保證了飛秒激光加工突破衍射極限直至幾十到 十幾納米的高加工分辨率。當然，增加聚焦光斑直徑，自然導(dǎo)致大尺寸結(jié)構(gòu)的制 備，因而這種技術(shù)天然具備跨尺度制造能力；(3)材料廣譜、非真空由于飛 秒激光脈沖的瞬間功率極大，可以和幾乎任何材料相互作用，因而可用于激光微 納加工的材料幾乎不受限制。其中兩類最重要的機制， 一是對透明固體的內(nèi)部進行微納精度的局部材料改性；另一是液態(tài)樹脂材料的雙光子逐點光聚合，二者都 是在大氣條件下實現(xiàn)的，不需要高真空，因而具有工業(yè)化應(yīng)用前景。因此利用激 光微納加工技術(shù)制備微元件被認為是最有效的手段之一，擁有巨大的應(yīng)用潛力和 誘人的發(fā)展前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用激光三維加工技術(shù)獲得非球面微透鏡及陣 列(微透鏡的尺寸參數(shù)x、 y、 z方向的長度為100nm~1mm，其垂直和水平方 向的切面可以是不規(guī)則的任意輪廓)的制備方法。
該非球面微透鏡是利用計算機軟件系統(tǒng)準確設(shè)計外形，結(jié)合激光微納加工技 術(shù)的高精度、真三維等加工特點，突破了熱熔法只能制備球形微透鏡、金剛石銑 磨法難于制備微透鏡陣列的局限；可獲得垂直和水平方向任意輪廓的非球面微透 鏡及陣列，對于微透鏡陣列可實現(xiàn)100%填充幾率，同時可獲得數(shù)值孔徑0~1之 間可調(diào)的非球面微透鏡及其陣列。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的首先編制計算機軟件獲得非球面微透鏡 模型的點云數(shù)據(jù)，然后將可固化材料涂覆于硬質(zhì)基底表面，再在計算機程序控制 下利用激光三維加工系統(tǒng)逐點掃描固化可固化材料，經(jīng)顯影后獲得非球面微結(jié) 構(gòu)，以該微結(jié)構(gòu)為模版，經(jīng)刻蝕獲得基底材料的非球面微透鏡及陣列。
本發(fā)明所述方法，其更為具體的步驟如下
(1)編制計算機軟件獲得非球面微透鏡模型點云數(shù)據(jù) 所述的計算機軟件是指利用程序設(shè)計語言進行編制的。
所述的程序設(shè)計語言包括Visual Basic、 C語言、Fortran、 Cobol、 Pascal/Delphi、 LISP、 Java、 Power Builder等。
所述利用Visual Basic編制計算機軟件是指通過設(shè)計窗口界面、設(shè)置界面中 各種對象的屬性、為對象規(guī)定在被某個"事件"激活時執(zhí)行的"過程"，通過一定的 算法編制完整的模型點云數(shù)據(jù)。
所述的C語言包括Visual C++、 Borland C++、 Watcom C++、 Borland C++、 Borland C++ Builder、 Borland C++ 3.1 。
所述利用Visual 0++編制計算機軟件是指建立一個項目，利用編輯器建立 程序代碼文件，包括頭文件、代碼文件、資源文件等，在程序代碼文件中編輯 點、環(huán)、面的類，根據(jù)類定義其對象，執(zhí)行對象的寫入功能，獲得模型點云數(shù) 據(jù)。所述的非球面微透鏡點云數(shù)據(jù)由不同的閉合曲面構(gòu)成，由下到上，閉合曲面 的面積逐漸減小至零。
(2) 搭建激光加工系統(tǒng)
搭建用以實施激光微區(qū)掃描和材料固化的激光三維加工系統(tǒng)。所述的激光三 維加工系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)、三維精密移動系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)。
所述的光源系統(tǒng)的光源選擇為飛秒脈沖激光系統(tǒng)、皮秒脈沖激光系統(tǒng)、納秒 脈沖激光系統(tǒng)或連續(xù)激光系統(tǒng)，產(chǎn)生用于三維激光加工的光束；飛秒脈沖激光系
統(tǒng)的波長范圍是200~2600nm，脈沖寬度范圍是10fs 900fs，重復(fù)頻率范圍是 1Hz 1GHz，單脈沖能量范圍10pJ~1mJ;皮秒脈沖激光系統(tǒng)的波長范圍是 200~2600nm，脈沖寬度范圍是0.9ps~900ps，重復(fù)頻率范圍是1Hz 1GHz，單 脈沖能量范圍1nJ~1J;納秒脈沖激光系統(tǒng)的波長范圍是200 2000nm，脈沖寬 度范圍是0.9ns~900ns，重復(fù)頻率范圍是1Hz 10KHz，單脈沖能量范圍 10pJ~1J。
軟件控制系統(tǒng)利用Visual Basic編寫的控制程序讀取上述點云數(shù)據(jù)，進而通 過與計算機相連的串口驅(qū)動三維精密移動系統(tǒng)。
三維精密移動系統(tǒng)用于控制激光聚焦點在可固化材料中的三維運動，可分為 兩類， 一類由二維高速掃描轉(zhuǎn)鏡和精密陶瓷壓電平臺兩種元件組成，轉(zhuǎn)鏡控制激 光水平x、 y方向移動，壓電平臺控制樣品z方向上下移動；另一類是只由三維 移動壓電平臺一種元件構(gòu)成，控制樣品在x、 y、 z方向上移動。轉(zhuǎn)鏡和壓電平臺 的移動是由軟件控制系統(tǒng)進行控制的，兩類系統(tǒng)的精度都可達到為1 nm。采用 北京世紀尼桑有限公司的T8306型號的轉(zhuǎn)鏡可使激光在x、 y方向上移動范圍分 別為100|jm、 100|jm;采用德國Physik lnstrumente公司P622型號的精密陶 瓷壓電平臺在z方向上移動范圍為250|jm;或者采用德國Physik lnstrumente 公司P517.3型號的三維移動壓電平臺在x、y、z方向上移動范圍分別為100pm、 100, 20|jm。
實時監(jiān)測系統(tǒng)的普通照明光源(如圖1中的15)位于壓電平臺和樣品上方， 其發(fā)出的可見光、通過電介質(zhì)鏡(如圖1中的10)、經(jīng)反射鏡(如圖1中的13)、 進入CCD攝像頭(如圖1中的16)，在激光加工過程中利用材料光固化前后對 光的折射率不同，使CCD成像，直接監(jiān)測到加工所成的像，對整個加工過程進 行實時監(jiān)測。
上面步驟中所使用的設(shè)備、光學(xué)器件等均為常規(guī)產(chǎn)品。反射鏡為多層介質(zhì)膜 反射鏡，激光光斑的移動速度的范圍為1nm/s~1cm/s。
(3) 激光加工可固化材料固化，顯影后獲得非球面微結(jié)構(gòu)
7將可固化材料涂覆于平面基底表面，涂覆厚度為100nm 2mm，基底固定 于壓電平臺上；軟件控制系統(tǒng)發(fā)送指令，控制光閘的通斷進而控制激光光束的開 啟與關(guān)閉；軟件控制系統(tǒng)驅(qū)動三維精密移動系統(tǒng)，進而使聚焦的激光光點在可固 化材料內(nèi)逐點掃描，激光掃描處可固化材料發(fā)生固化，在可固化材料內(nèi)實現(xiàn)按照 微結(jié)構(gòu)模型選擇性固化。未固化部分經(jīng)顯影后，即獲得微結(jié)構(gòu)。
根據(jù)基底材料對光的透過能力進行倒置加工或正置加工；倒置加工是指激光
先經(jīng)過基底材料再聚焦于可固化材料內(nèi)，正置加工是指激光不經(jīng)過基底材料直接 聚焦于可固化材料內(nèi)。
所述的可固化材料是指液體或粘稠材料經(jīng)光或熱作用后變?yōu)楣腆w的材料，包 括光固化材料和熱固化材料。
所述的光固化材料是指在光作用下可以導(dǎo)致材料聚合、還原、異構(gòu)化等化學(xué) 反應(yīng)，從而使材料變?yōu)楣腆w狀態(tài)，包括光敏樹脂、光固化樹脂、光刻膠、光致抗
蝕劑等；
所述的光固化材料在光作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，聚合機理包括自由基聚合、陽 離子聚合、陰離子聚合，聚合類型包括開環(huán)聚合、烯烴聚合等。
所述的熱固化材料是指熱誘導(dǎo)材料發(fā)生物理變化和化學(xué)反應(yīng)從而使材料由 液體狀態(tài)變?yōu)楣腆w狀態(tài)。
所述的顯影過程是利用溶劑將未固化的材料清洗掉，溶劑包括丙酮、四氫呋 喃、氯仿、甲苯、苯、二氯甲烷、乙醇、甲醇等或其它與可固化材料對應(yīng)的顯影 劑。
(4)經(jīng)刻蝕獲得基底材料的微透鏡結(jié)構(gòu)
利用刻蝕技術(shù)對上述激光加工得到的可固化材料非球面微結(jié)構(gòu)進行刻蝕，從 而獲得基底材料的非球面微透鏡或非球面微透鏡陣列，調(diào)整刻蝕條件可改變微透 鏡的數(shù)值孔徑。
所述的刻蝕技術(shù)包括反應(yīng)離子刻蝕、等離子體刻蝕、反應(yīng)等離子體刻蝕、 離子束刻蝕、反應(yīng)離子束刻蝕等刻蝕技術(shù)。
所述的反應(yīng)離子刻蝕選用的氣體包括氬氣、氧氣、特殊氣體和兩種或多種氣 體混合。
所述的特殊氣體包括CF4、 CHF3、 CCI2F2、 CCI4、 BCI3、 C2F6、 SF6、 HBr、
H2、 Cls等；
所述的混合氣體包括CF4+H2、 SF6+02、 CCI4+Ar、 CCI4+CI2、 BCI3+CI2、 CCI4+02、 CF4+02、 CF4+02、 CCI2F2+CF4+02+Ai^;
所述的基底材料包括玻璃、石英、半導(dǎo)體和金屬材料等。所述的半導(dǎo)體材料包括Si、 Ge、 Si3N4、 GaAs、 GaP、 GaSb、 InP、 GalnAsP、 TeCdHg、 SiC等。
所述的金屬材料包括Cr、 Ti、 Ta、 Nb、 Al、 Mo、 W、 V等。
所述基底材料的厚度通常大于8CHjm。


圖1:激光加工系統(tǒng)示意圖2: (a)橢球缺微透鏡的SEM圖像；(b)垂直基底方向切面輪廓為拋物線 形微透鏡的SEM圖像；(c)、 (d)SEM微透鏡形貌測量輪廓與數(shù)學(xué)公式的理論計
算輪廓對比。
圖3:正方形排列的非球面微透鏡陣列，(a)、 (b)分別為10x10微透鏡陣 列的全貌和局部掃描電子顯微鏡(SEM)圖片，(c)微透鏡陣列吸收光譜，(d) 在焦平面處正方形微透鏡的焦點圖像。
圖4:正方形非球面微透鏡組成的多種陣列。(a)、 (c)分別為圖案"OLED"、 "1+1=2"的SEM圖像。(b)、 (d)分別為兩圖案對應(yīng)的焦點圖像。
圖5:六角形非球面微透鏡，(a)、 (b)分別為從頂部和傾斜35°時11x13 微透鏡陣列的局部放大SEM圖片。(c)六角形微透鏡的成像性質(zhì)，在焦平面位 置處放置字母"F"，六角形微透鏡可呈"F"字母的像。(d)在焦平面處的焦點成像。
圖6:三種數(shù)值孔徑的六角形非球面微透鏡陣列，(a)、 (c)、 (e)為邊長是5um、 不同高度的六角形非球面微透鏡陣列的SEM圖像，微透鏡的高度分別為1,2、 1.8和2.4ijm， (b)、 (d)、 (f)為這些微透鏡陣列對應(yīng)的局部放大SEM圖像。
圖7:不同數(shù)值孔徑的六角形微透鏡陣列的光學(xué)表征；(a)、 (c)、 (e)在焦平 面的焦點成像；(b)、 (d)、 (f)六角形微透鏡的成像性質(zhì)，在焦平面位置處放置字 母"F"，六角形微透鏡可呈"F"字母的像。
如圖1所示，各部件為1光源系統(tǒng)，2衰減片，3光閘，4反射鏡，5反射 鏡，6反射鏡，7凸透鏡，8凸透鏡，9轉(zhuǎn)鏡，10電介質(zhì)鏡，11物鏡，12壓電 平臺，13反射鏡，14透鏡，15照明光源，16為CCD攝像頭。圖1、 2、 3、 4 對應(yīng)于實施例1，圖1、 5、 6、 7對應(yīng)于實施例2。
具體實施例方式
實施例1:
(1)利用Visual Basic程序設(shè)計語言編制球缺形微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)編制橢球缺的微透鏡程序，橢球缺底面半徑r為10|jm、高度H為10.5pm。 首先利用公式x^y^O.gSz+^+H^hO-Hl^^+H^H)2獲得橢球缺形的微透鏡 模型形狀(0<x、 y^r， 0<z^H)。然后對該模型進行水平方向切片處理(切片厚 度為100nm)，每一切片由若干同一圓心、不同半徑的圓環(huán)(半徑間隔是100nm) 組成，每個圓環(huán)又由若干切點(切點間隔是100nm)組成，將每一切片內(nèi)的每 個切點寫入點云數(shù)據(jù)，進而得到橢球缺形微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)。
編制垂直方向切面輪廓為拋物線形的微透鏡程序，微透鏡底面半徑r為 10|jm，高度H為10ijm。首先利用公式z"a(^+y2)+H [a=0.06， H=10， 0<x、 y^r, OS^H]獲得切面為拋物線形的微透鏡模型形狀，然后對該模型進行水平方 向切片處理(切片間隔100nm)，每一切片由若干同一圓心、不同半徑圓環(huán)(半 徑間隔100nm)組成，每個圓環(huán)由若干切點(切點間隔100nm)組成，將每一 切片內(nèi)的每個切點寫入點云數(shù)據(jù)，得到切面為拋物線形微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)。
編制邊長為7ijm、高度H為1.5pm的正方形非球面微透鏡陣列的模型數(shù)據(jù)。 首先利用公式z二a(x2+,)+H [a=0.06， H=1.5， 0<x、 y^5 0<zSH獲得微透鏡 模型形狀，然后對該模型進行水平方向切片處理(切片間隔100nm)。每一切片 由若干同一圓心、不同半徑圓環(huán)(半徑間隔100nm)組成，每個圓環(huán)由若干切 點(切點間隔100nm)組成，對于每一切片內(nèi)的每個切點判斷其是否在以微透 鏡中心為中心、該切片平面內(nèi)的7x7pm的正方形區(qū)域內(nèi)，如果該點在正方形區(qū) 域內(nèi)則寫入點云數(shù)據(jù)，如果該點不在正方形區(qū)域內(nèi)則不寫入，由此得到一個正方 形非球面微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)。再經(jīng)微透鏡的復(fù)制、平移至指定位置獲得多個 微透鏡模型的陣列或組合的點云數(shù)據(jù)；包括10x10正方形微透鏡陣列、由53個 微透鏡組成字母"OLED"字樣和由五十個微透鏡組成的"1+1=2"圖樣。
如下為利用Visual Basic程序設(shè)計語言編制nxn正方形微透鏡陣列模型程
序
Public Function MicroLensArray(ByVal n As Long, ByVal h As Long, pa() As Point, ByVal Rs As Long, ByVal stp—dot As Long, ByVal stp—line As Long, ByVal stp」ayerAs Long)
Dim r_tmp As Long
ReDim pa(n， n)
For j = 0 To n -1
Forj = 0 To n -1
pa(i， j).X = i * Sqr(2) * Rs - (n -1) " .414 * Rs / 2 pa(i, j).Y = j * Sqr(2) * Rs - (n -1) * 1.414 * Rs / 2
10Next j Next i
For k = 0 To h Step stpjayer For j = 0 To n -1 For j = 0 To n ■ 1 pa(i, j).Z = k
r—tmp = Rs * Sqr(h - k) / Sqr(h)
Call ring(pa(i, j)， 1, r—tmp， stp—dot, stpjine)
Next j
Next i
Nextk
pa(i， j).Z = h
Call ring(pa(i, j), 1， stp—dot' stp—dot, stp—line) End Function
Public Function ring(p As Point, M As Long, r2 As Long, stp_dot As Long stpjine As Long) Dim r As Long Write #1， p.X， p.Y， p.Z For r = r1 To r2 Step stpjine Call circle1(p, r， stp_dot) Nextr
Call circle1(p, r2, stp—dot) End Function
Public Function circle1(pAs Point, rAs Long, stp_dotAs Long) As Long
Dim i As Long
Dim arfAs Long
Dim x一tmp， y」mp As Long
i = 0
Do While i * stp_dot <= 2 * pi * r
If r = 0 Then r = 1
x—tmp = r * Cos(i * stp—dot / r)X = p.X + x_tmp
y一tmp = r * Sin(i * stp一dot / r)
Y = p.Y + y一tmp
If Abs(x—tmp) < Rs * Sqr(0.5) And Abs(y」mp) < Rs * Sqr(0.5) Then Write #1， CLng(X)， CLng(Y), CLng(Z) End If
Loop
End Function
(2)搭建飛秒脈沖激光加工系統(tǒng)。激光搭建示意圖如圖1所示，經(jīng)飛秒脈 沖激光系統(tǒng)1 (如美國光譜物理公司，Ti-藍寶石鎖模激光器)輸出的飛秒脈沖激 光(中心波長為790nm、脈沖寬度為120fs、重復(fù)頻率為80MHz、平均功率1.2 瓦)經(jīng)過衰減片2 (OD2型，衰減后的光強可為原來光強的1%~100%，本例中 衰減后的光強為原來光強的12%)、光閘3和三個用于調(diào)整光路的反射鏡4、 5、 6后進入用于聚焦的凸透鏡7，再經(jīng)過另一個凸透鏡8使光束擴散為光斑直徑更 大的平行光束，凸透鏡7、 8之間的距離為兩透鏡焦距之和，擴散前光斑直徑為 1~2mm、擴散后光斑直徑為5mm 2cm)，再經(jīng)過轉(zhuǎn)鏡9，轉(zhuǎn)鏡可調(diào)節(jié)激光光點 X、 Y軸位置、電介質(zhì)鏡10進入物鏡11后，聚焦于壓電平臺12上的樣品內(nèi)， 聚焦的光斑直徑約為500nm，光斑能量約為100pJ，通過計算機程序控制壓電 平臺的移動對樣品進行激光加工，樣品即表面涂覆有可固化材料的基底。
所用的電介質(zhì)鏡10可使激光光束99%的能量進行反射用于加工，而使實時 監(jiān)測系統(tǒng)的照明光源發(fā)射的可見光全透射用于監(jiān)測。實時監(jiān)測系統(tǒng)的普通照明光 源(如圖1中的15)位于壓電平臺和樣品上方，壓電平臺上放一鋁板，鋁板靠 邊緣位置鏤空一區(qū)域，大約2cmx3cm，鏤空處上方放置基底，基底和樣品是透 明的，可見光通過電介質(zhì)鏡(圖1中的10)、經(jīng)反射鏡(圖1中的13)、進入 CCD攝像頭(如圖1中的16)。激光光點掃描過的位置可固化材料固化，利用 固化前后材料對光的折射率不同CCD成像，材料固化前，在CCD中沒有微透 鏡的像；材料固化，折射率發(fā)生變化，在CCD中觀察到加工的像，對整個加工 過程進行實時監(jiān)測。
所用凸透鏡7的焦距為30mm，凸透鏡8的焦距為200mm，物鏡11為100 倍數(shù)值孔徑為1.4的浸油物鏡。(3) 激光加工獲得正方形非球面微透鏡。選用micrachem公司SU8光致 抗蝕劑作為光固化材料。將SU8光致抗蝕劑均勻涂覆于厚度為120|jm的蓋玻片 表面(表面尺寸3cmx5cm)， SU8涂覆厚度為50|jm， 95'C溫度條件下烘干處
理。蓋玻片固定于壓電平臺上，采用倒置方式加工。上述飛秒脈沖激光經(jīng)過圖1 中的光路聚焦在SU8光致抗蝕劑內(nèi)部，按照前面所述的正方形非球面微透鏡程 序飛秒脈沖激光光點在SU8光致抗蝕劑內(nèi)逐點掃描，掃描的位點經(jīng)SU8內(nèi)含有 的引發(fā)劑的雙光子吸收而使SU8光致抗蝕劑聚合、固化。利用顯影劑顯影，獲 得微結(jié)構(gòu)
圖2為橢球缺形微透鏡(a)和垂直基底方向切面輪廓為拋物線形微透鏡(b)的 與基底平面呈90度夾角時的SEM圖片。圖2(c)和圖2(d)顯示透鏡形貌測量輪 廓與數(shù)學(xué)公式的理論計算進行對比?？梢钥吹?，數(shù)學(xué)計算與實驗結(jié)果基本一致， 平均誤差小于17.3nm，相對誤差小于0.2%。，遠小于熱熔法8%的平均誤差。
進一步獲得10"0正方形微透鏡陣列閨3(a)、 (b)]、 "0LED"字樣和"1+仁2" 圖樣閨4(a)、 (c)。其中每個微透鏡的邊長為7|jm，中心點距底面高度為1.5ym。 該非球面微透鏡具有良好的透光功能，對于360-1100nm波段電磁波可允許其 99。/。以上透過閨3(c)]。利用顯微物鏡可觀測到該透鏡的聚焦功能閨3(d)圖 4(b)(d)。
(4) 反應(yīng)離子刻蝕獲得玻璃正方形非球面微透鏡 利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)去除上述聚合物非球面微透鏡，刻蝕氣體為CF4-02
(02的體積百分比為40%)混合氣體，去除過程中壓力為33Pa，功率為100W, 氣體流量為500sccm。刻蝕結(jié)束后在玻璃基底上獲得玻璃非球面微透鏡陣列、 字母或數(shù)字，其中每個透鏡的平均的邊長仍為7pm，中心點距底面的高度為 1.4|jm。
實施例2:
(1)利用Visual 0++程序設(shè)計語言編制邊長為5nm、高度不同的六角形非 球面微透鏡陣列模型的點云數(shù)據(jù)。
首先利用公式z:a(x^y"+H
獲得非球面微透
鏡模型形狀，然后對該模型進行水平方向切片處理(切片間隔100nm)。每一切 片由若千同一圓心、不同半徑圓環(huán)(半徑間隔100nm)組成，每個圓環(huán)由若干 切點(切點間隔100nm)組成，對于每一切片內(nèi)的每個切點判斷其是否在以微 透鏡中心為中心、該切片平面內(nèi)邊長為5pm的等邊六角形區(qū)域內(nèi)，如果該點在 六角形區(qū)域內(nèi)則寫入點云數(shù)據(jù)，如果該點不在六角形區(qū)域內(nèi)則不寫入，由此得到
13一個六角形非球面微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)。再經(jīng)微透鏡模型的復(fù)制平移獲得多個
微透鏡模型的陣列或組合的點云數(shù)據(jù)，包括11x13微透鏡陣列、由99個微透鏡 組成等邊六角圖樣。
(2) 搭建飛秒脈沖激光加工系統(tǒng)。與實施例1相同。
(3) 激光加工獲得六角形非球面微透鏡。選用Norland公司NOA61紫外 光固化膠作為光固化材料。將NOA61涂覆于厚度為120ym的石英片表面，石 英片固定于壓電平臺上。采用倒置加工方式上述飛秒脈沖激光經(jīng)過圖1中的光路 聚焦在NOA61光致抗蝕劑內(nèi)部，按照前面所述的六角形非球面微透鏡程序飛秒 脈沖激光光點在NOA61光致抗蝕劑內(nèi)逐點掃描，掃描的位點經(jīng)引發(fā)劑的雙光子 吸收而使NOA61光致抗蝕劑聚合、固化，獲得六角形非球面微透鏡。所加工的 微透鏡結(jié)構(gòu)經(jīng)顯影劑顯影后的顯微鏡照片如圖5、圖6所示，包括11x13微透鏡 陣列、由99個微透鏡組成等邊六邊形陣列。圖5陣列中每個微透鏡的邊長為 5pm，中心點距底面高度為1.5pm，利用顯微物鏡可觀察到字母"F"的成像和焦 點圖像。圖6(a)(c)(e)微透鏡的邊長相等為5Mm，高度分別為1.2、 1.8和2.4pm， 微透鏡的數(shù)值孔徑分別為0.28、 0.40和0.52，逐漸增大，導(dǎo)致聚焦焦點逐漸減 小閨7(a)(c)(e)]、成像逐漸清晰[圖7(b)(d)(f)]。
(4) 反應(yīng)離子刻蝕獲得石英非球面微透鏡 利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)刻蝕NOA61固化物微透鏡，選用邊長為5Mm，高度
為1.2pm的六邊形陣列的非球面微透鏡進行刻蝕。刻蝕氣體為CF4-02(02 50%) 混合氣體，去除過程中壓力為36Pa，功率為100W，氣體流量為500sccm?？?蝕結(jié)束獲得對應(yīng)的六角石英非球面微透鏡陣列，其中每個透鏡的平均的邊長不變 仍為5ijm，中心點距底面的高度為1.1pm。
權(quán)利要求
1、非球面微透鏡的制備方法，其步驟如下首先編制計算機軟件獲得非球面微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)，然后將可固化材料涂覆于硬質(zhì)基底表面，再在計算機程序控制下根據(jù)非球面微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)利用激光三維加工系統(tǒng)逐點掃描固化可固化材料，經(jīng)顯影后獲得非球面微結(jié)構(gòu)，以該微結(jié)構(gòu)為模版，經(jīng)刻蝕獲得基底材料的非球面微透鏡及陣列。
2、 如權(quán)利要求1所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于微透鏡X、y、 z方向的長度為100nm~1mm，其與基底垂直和水平方向的切面為規(guī) 則或不規(guī)則的任意輪廓。
3、 如權(quán)利要求2所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于微透鏡為橢 球缺的微透鏡、垂直基底方向切面輪廓為拋物線形的微透鏡、正方形非球 面微透鏡陣列或六角形非球面微透鏡陣列。
4、 如權(quán)利要求1所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于所述的計算 機軟件是指利用程序設(shè)計語言進行編制的，所述的程序設(shè)計語言為Visual Basic、 C語言、Fortran、 Cobol、 Pascal/Delphi、 LISP、 Java或Power Builder。
5、 如權(quán)利要求1所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于激光三維加 工系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)、三維精密移動系統(tǒng)和實時監(jiān)測系統(tǒng)。
6、 如權(quán)利要求5所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于1) 光源系統(tǒng)的光源為飛秒脈沖激光系統(tǒng)、皮秒脈沖激光系統(tǒng)、納秒脈 沖激光系統(tǒng)或連續(xù)激光系統(tǒng)，產(chǎn)生用于三維激光加工的光束；2) 軟件控制系統(tǒng)利用Visual Basic編寫的控制程序讀取非球面微透鏡 模型的點云數(shù)據(jù)，進而通過與計算機相連的串口驅(qū)動三維精密移動 系統(tǒng)；3) 三維精密移動系統(tǒng)用于控制激光聚焦點在可固化材料中的三維運 動，分為兩類， 一類由二維高速掃描轉(zhuǎn)鏡和精密陶瓷壓電平臺兩種 元件組成，轉(zhuǎn)鏡控制激光水平x、 y方向移動，壓電平臺控制樣品z 方向上下移動；另一類是只由三維移動壓電平臺一種元件構(gòu)成，控制樣品在x、 y、 z方向上移動，轉(zhuǎn)鏡和壓電平臺的移動是由軟件控 制系統(tǒng)進行控制的； 4)實時監(jiān)測系統(tǒng)由照明光源、電介質(zhì)鏡、反射鏡、CCD攝像頭組成， 對整個加工過程進行實時監(jiān)測。
7、 如權(quán)利要求1所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于可固化材料為光固化材料或熱固化材料。
8、 如權(quán)利要求7所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于光固化材料為光敏樹脂、光固化樹脂、光刻膠或光致抗蝕劑。
9、 如權(quán)利要求1所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于顯影是利用 溶劑將未固化的材料清洗掉，溶劑為丙酮、四氫呋喃、氯仿、甲苯、苯、 二氯甲烷、乙醇、甲醇或其它與可固化材料對應(yīng)的顯影劑。
10、 如權(quán)利要求1所述的非球面微透鏡的制備方法，其特征在于刻蝕技術(shù)為反應(yīng)離子刻蝕、等離子體刻蝕、反應(yīng)等離子體刻蝕、離子束刻蝕或反應(yīng)離子束刻蝕。
全文摘要
本發(fā)明屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及一種利用激光三維加工制備非球面微透鏡及微透鏡陣列的方法。其首先編制計算機軟件獲得非球面微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)，然后將可固化材料涂覆于硬質(zhì)基底表面，再在計算機程序控制下根據(jù)非球面微透鏡模型的點云數(shù)據(jù)利用激光三維加工系統(tǒng)逐點掃描固化可固化材料，經(jīng)顯影后獲得非球面微結(jié)構(gòu)，以該微結(jié)構(gòu)為模版，經(jīng)刻蝕獲得基底材料的非球面微透鏡及陣列。本發(fā)明所述方法突破了熱熔法只能制備球形微透鏡、金剛石銑磨法難于制備微透鏡陣列的局限；可獲得垂直和水平方向任意輪廓的非球面微透鏡及陣列，對于微透鏡陣列可實現(xiàn)100％填充幾率，同時可獲得數(shù)值孔徑0～1之間可調(diào)的非球面微透鏡及其陣列。
文檔編號G03F7/00GK101551476SQ200910066918
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者東 吳, 虹 夏, 孫洪波, 牛立剛, 陳岐岱 申請人:吉林大學(xué)