無(wú)機(jī)微光學(xué)元件批量化制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型微納加工方法，可無(wú)機(jī)微光學(xué)元件的高效率、低成本、批量化制作，從而為微光學(xué)從實(shí)驗(yàn)室推向產(chǎn)業(yè)化提供一種有效的技術(shù)途經(jīng)。隸屬微納光學(xué)的范疇。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)光學(xué)元件如球面、非球面、柱透鏡、棱鏡等，多采用機(jī)械磨拋的方式加工，體積大，重量重，難以集成，無(wú)法適應(yīng)小型化、輕量化、緊湊型光電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。上世紀(jì)80年代，國(guó)際上提出微光學(xué)元件的概念，利用超大規(guī)模集成電路工藝，將微透鏡和衍射光柵做在石英、硅等晶體材質(zhì)平面基底上，可實(shí)現(xiàn)幾十微米子孔徑連續(xù)面型微透鏡列陣和亞微米特征尺寸衍射光柵的高精度制作，對(duì)光互連、集成光學(xué)等學(xué)科的研究起到極大的推動(dòng)作用。目前微光學(xué)元件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光束準(zhǔn)直、光束勻化、聚焦、分束、光束整形光路中，成為在國(guó)防、工業(yè)、民用等各種緊湊型光電設(shè)備中的元件。
[0003]市場(chǎng)上有機(jī)光學(xué)元件多采用注塑的工藝，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，廣泛應(yīng)用于全息防偽、光電顯示等行業(yè)。然而有機(jī)微光學(xué)元件的熱穩(wěn)定性及抗紫外輻照等性能較差，環(huán)境適應(yīng)能力不強(qiáng)，只能應(yīng)用于照明光功率較小、環(huán)境相對(duì)溫和的領(lǐng)域。而激光器作為光源的系統(tǒng)，只能采用熱穩(wěn)定性好、環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的無(wú)機(jī)材質(zhì)微光學(xué)元件?，F(xiàn)有無(wú)機(jī)微光學(xué)元件加工方法是在超大規(guī)模集成電路制作技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，多采用光刻、刻蝕的工藝，僅能加工硅、石英、鍺等晶體材料，對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)中的玻璃材料無(wú)能為力，極大限制了微光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度，同時(shí)采用單片制作工藝，成本較高，效率較低，很難實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。
[0004]無(wú)機(jī)小型光學(xué)元件如小型球面、非球面透鏡，批量化模壓工藝目前已經(jīng)得到應(yīng)用，如富士康、乙太光電等企業(yè)已經(jīng)利用模壓工藝將低熔點(diǎn)玻璃小球模壓成手機(jī)攝像頭鏡頭，廣泛應(yīng)用于各種智能手機(jī)中。然而由于目前模具多采用鎢鋼材料，智能用超精密磨削加工的方式制作，現(xiàn)有技術(shù)僅能制作出單個(gè)有面型表達(dá)式的球面或非球面小透鏡，對(duì)于列陣式、自由曲面、衍射面微光學(xué)元件則無(wú)能為力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)列陣化、自由曲面、衍射面等無(wú)機(jī)微光學(xué)元件批量化、高效率、低成本制作的問(wèn)題，提出一種采用模具制作、模具復(fù)制、模具改性、模壓復(fù)制、外形修飾等工藝流程的無(wú)機(jī)微光學(xué)元件加工方法，可實(shí)現(xiàn)任意面型結(jié)構(gòu)、各種低熔點(diǎn)玻璃材料的無(wú)機(jī)微光學(xué)元件批量化制作，為無(wú)機(jī)微光學(xué)元件產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供一種有效途徑。
[0006]本發(fā)明利用超精密車削、激光直寫、光刻、高能束寫的方法制作出任意結(jié)構(gòu)的微光學(xué)元件模具，然后將該類模具通過(guò)熱固化、紫外固化、刻蝕傳遞等復(fù)制工藝將微光學(xué)元件模具進(jìn)行復(fù)制成為更多高分子材料或晶體材料模具，再將復(fù)制的模具通過(guò)電鑄工藝轉(zhuǎn)換成熱力學(xué)性能較好鎳材質(zhì)微光學(xué)元件模具，并將其鍍膜改性，提升耐磨性和熱穩(wěn)定性，接著將改性后的鎳模具用于模壓制作無(wú)機(jī)玻璃微光學(xué)元件，最后將模壓后的微光學(xué)元件外形尺寸修飾成設(shè)計(jì)值便于裝調(diào)。該方法利用一個(gè)模板便可模壓復(fù)制加工出上千個(gè)無(wú)機(jī)光學(xué)元件，是一效率非常高、成本很低的批量化無(wú)機(jī)微光學(xué)元件制作方法，有望推動(dòng)微光學(xué)元件的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)微光學(xué)元件的產(chǎn)業(yè)化。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:采用金剛石車削、激光直寫、光刻、聚焦離子束寫等工藝在塑料、金屬、膠體及晶體等材料上制作2D和3D微光學(xué)元件原始圖形模具。然后將帶有微光學(xué)元件圖案的原始模具通過(guò)熱固化、紫外固化、刻蝕傳遞等復(fù)制工藝制作出PDMS、光敏膠、晶體等材質(zhì)的模具，從而利于模具的保存。再將復(fù)制的模具通過(guò)電鑄工藝轉(zhuǎn)換成熱力學(xué)性能較好鎳材質(zhì)微光學(xué)元件模具，并在鎳模具上鍍SiC或金剛石性碳膜，改善鎳模具表面耐磨性。接著將改性后的鎳模具在高溫和惰性氣體保護(hù)氛圍中，用于模壓制作無(wú)機(jī)玻璃微光學(xué)元件。最后將模壓后的微光學(xué)元件通過(guò)激光切割、砂輪劃片或磨邊等方法，將微光學(xué)元件外形尺寸修飾成設(shè)計(jì)值。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，屬于全新的微光學(xué)元件制作技術(shù)，相似的有機(jī)微光學(xué)元件注塑工藝、無(wú)機(jī)微光學(xué)元件刻蝕工藝及小透鏡模壓工藝。(1)與有機(jī)微光學(xué)元件注塑工藝相比，有機(jī)注塑溫度均在200°C以下，只能用于有機(jī)PMMA等材質(zhì)的制作，。本發(fā)明最高能在850°C高溫下工作，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)玻璃微光學(xué)元件批量化制作，所制作的元件環(huán)境適應(yīng)性更好。(2)與現(xiàn)有無(wú)機(jī)微光學(xué)元件單片刻蝕工藝相比，可以批量化復(fù)制，效率更高，成本更低，產(chǎn)品一致性更好，同時(shí)適用材料種類更豐富。(3)與現(xiàn)有小透鏡高溫模壓相比，可以兼容小透鏡模壓工藝，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)衍射面、列陣面和自由曲面等特殊結(jié)構(gòu)的批量化制作，適用范圍有極大拓展。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為無(wú)機(jī)微光學(xué)元件批量化制作工藝流程示意圖。
[0010]圖2為超精密車削金屬銅列陣微光學(xué)元件模具。
[0011]圖3為超精密車削鋁衍射面微光學(xué)元件模具。
[0012]圖4為激光直寫光刻膠扇形微光元件模具。
[0013]圖5為光刻出的微透鏡列陣模具。
[0014]圖6為復(fù)制的PDMS材質(zhì)模具。
[0015]圖7為復(fù)制的光敏膠材質(zhì)微光學(xué)元件模具。
[0016]圖8為電鑄的鎳金屬模具。
[0017]圖9為模壓的平面結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)微光學(xué)元件。
[0018]圖10為模壓的連續(xù)面型列陣微光學(xué)元件。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過(guò)以下實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。
[0020]實(shí)施例一:無(wú)機(jī)玻璃微柱透鏡批量化制作:
[0021 ] (1)利用金剛石車床Y軸切削功能，或飛刀切削功能加工PMMA微柱透鏡列陣，微柱透鏡深225um，口徑1mm，長(zhǎng)Y軸運(yùn)動(dòng)速度200mm/min，Z軸粗車進(jìn)給量5?40um每次，精車進(jìn)給量1?10um每次，粗車X軸進(jìn)給量5?20um每步