專利名稱：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行說明。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應(yīng)，把剩余 光能聚集在光敏面上，對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，光照不均勻。自由曲面微鏡陣列是一類特殊的具有非回轉(zhuǎn)面型和非球面面型結(jié)構(gòu)的陣列器件。其面型復(fù)雜無法用固定解析式來表達，一般用離散的列表值點來表示。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，對于特殊照明配光的領(lǐng)域，如光敏陣列、汽車前照燈、景觀照明、投影儀等光學(xué)系統(tǒng)提供了一個新的選擇，應(yīng)用它不僅可以自由分配光強，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，矩形單元減小了單元間距，其理論光能利用率可達95%以上(如圖2)。通過國內(nèi)外文獻查閱，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)重于單個自由曲面光學(xué)透鏡。當前，單個自由曲面光學(xué)透鏡制作有兩種方法第一種，是采用計算機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削加工成型技術(shù)。計算機控制微小磨頭在材料表面成型技術(shù)是利用計算機控制一個微小尺寸的磨頭作預(yù)設(shè)的運動，并且控制磨頭在工件上各點的駐留時間和壓力，獲得所需要的磨削量而形成曲面型面。它的缺點是精度低、廢品率高，尤其對于光學(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削加工成型技術(shù)是采用多自由度高精密車削設(shè)備對材料直接車削去除，從而形成預(yù)設(shè)曲面型面。它的缺點是加工脆性材料時材料表面存在大量亞微米至微米量級裂紋，會影響光波透過率，且專用車削加工設(shè)備昂貴。以上兩種方法都無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)微鏡陣列的坐標值點；
4.變劑量曝光。采用激光直寫設(shè)備，在激光束能量不變的情況下，通過曝光和顯影實驗建立感光膠曝光深度與曝光時間的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該模型與自由曲面光學(xué)微鏡陣列的坐標值點擬合，編制激光直寫工作臺運動軌跡與運動速度控制程序；然后工作臺帶動涂膠工件 按編制的程序運動，激光束在感光膠表面逐行、逐點掃描，由于運動速度不同而實現(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值點呈對應(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內(nèi)進行動態(tài)離子束刻蝕,刻蝕速率5nm/s-15nm/s，刻蝕時間由光刻膠厚度決定，刻蝕也稱為面型轉(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)微鏡陣列進行高速流體拋光，流體運動速度可根據(jù)材料選擇3m/ s 6m/ s ；
9.用去離子水沖洗I 2分鐘；
10.最后用干燥純凈氮氣吹干；
11.檢測。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)來選擇，紅外系統(tǒng)中可選用Si、Ge、ZnS、MgF2等，可見光學(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值點由(X、Y、Z)三點確定，(Χ、Υ)代表坐標位置，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)微鏡陣列的坐標值點； (4)變劑量曝光，采用激光直寫設(shè)備，在激光束能量不變的情況下，通過曝光和顯影實驗建立感光膠曝光深度與曝光時間的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)該模型與自由曲面光學(xué)微鏡陣列的坐標值點擬合，編制激光直寫工作臺運動軌跡與運動速度控制程序；然后工作臺帶動涂膠工件按編制的程序運動，激光束在感光膠表面逐行、逐點掃描，曝光深度與陣列中每一坐標值點呈對應(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內(nèi)進行動態(tài)離子束刻蝕，刻蝕速率5nm/s-15nm/s，刻蝕時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)微鏡陣列進行高速流體拋光，流體運動速度為3m/s 6m/s； (9)用去離子水沖洗I 2分鐘； (10)最后用干燥純凈氮氣吹干； (11)檢測。
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)來選擇，其中紅外系統(tǒng)中選用Si、Ge、ZnS、MgF2 ;可見光學(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坐標值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 變劑量曝光是通過計算機控制曝光設(shè)備的工作臺運動速度調(diào)節(jié)激光束在感光膠上各點駐留時間實現(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消除逐行掃描帶來的不連續(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)，只通過沖擊與摩擦進行物理拋光。
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值點進行變劑量曝光，通過顯影后得到感光膠自由曲面面型結(jié)構(gòu)，對基片進行均勻化處理、動態(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。其制作方法簡單易行，通過改變曝光系統(tǒng)光刻物鏡得到亞微米直徑曝光光斑，通過控制工作臺運動速度實現(xiàn)變劑量曝光。
文檔編號G03F7/00GK102902156SQ20121017154
公開日2013年1月30日 申請日期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 申請人:長春理工大學(xué)