专利名称：基于数字无掩模光刻技术的微透镜及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微透镜及其制作方法，尤其涉及一种基于数字无掩模光刻技术的 微透镜及其制作方法。
背景技术：
在微型光学元件制造中，光刻技术从掩模时代发展到无掩模时代，而微光学元件 的设计和制造方法也相应地经历了两个时代的发展，作为无掩模的一种，数字光刻技术具 有制作方便、节约材料降低成本、高精度、无套刻误差、一次性曝光制作三维面型结构等优 点。数字光刻系统中的空间光调制器(SLM)通常是数字微镜器件(DMD)，它由多个微小 的方形反射镜组成，我们把一个这样的微型镜叫做一个像素。现在市面上有13. 68 μ m和 10. 8 μ m两种像素大小的DMD，如果配上缩小10 X的投影物镜，那么DMD的一个像素在光刻 胶上的大小就约为1 μ m,即系统的最小线宽。用于实验曝光的图形就是由许多个像素组成， 当制作的元器件尺寸和像素在同一数量级时，就会有图形的失真。如果微透镜的设计采用 在掩模曝光中等相位(相等高度微元)的设计方法，那么DMD显示每个环带的横向尺寸就 会有误差。解决的办法可以用缩小倍率更高的投影物镜，得到更小的线宽。比如缩小倍率 为100X，最小线宽即为0. Ιμπι。然而高倍率的投影物镜价格昂贵，这无疑大大地增加了系 统成本，而且高倍投影物镜会一同将整个DMD曝光区域缩小，从而又限制了元器件的制作。 为此，专门针对数字光刻系统中微透镜的制作发明了一种微透镜的设计和制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字无掩模光刻技术的微透镜及其制作方法，在 数字光刻中利用该方法制作微透镜能有效克服传统的设计制作方法造成的误差，改善所制 作光学元件的面型结构从而提高其光学性能。本发明是这样来实现的，一种基于数字无掩模光刻技术的微透镜，其特征是将透 镜底面半径等分为若干个小微元，这些小微元的宽度和数字光刻系统中使用的数字微镜 (DMD)的像素宽度成一定关系，即一个小微元宽度等于经过精缩投影物镜缩小的DMD上的 一个像素宽度，或者由整数个像素的横向宽度组合而成；由于微透镜底面圆是中心对称结 构，所以将每个小微元绕中心旋转一周就得到一个环带，底面圆看成是有许多个环带组成， 小微元从小到大、从里到外排列，利用球面透镜的几何关系求出每个环带的高度，环带的高 度代表了透镜表而不同位置的高度，让最里面的环带最高越向外的环带越低，按几何公式 形成凸透镜的表面面型，再设计每个环带的曝光量，使得环带的高低准确地反映在光刻胶 上，将高低的尺寸的差别换算成比例，由比例再换算成曝光的灰度值从而决定了曝光量。一种基于数字无掩模光刻技术的微透镜的制作方法为是配合计算机控制掩模图片变换利用分环带不同灰度值的累积曝光方法，其特征是把整个曝光过程分成许多个小过 程，每个小过程中整个透镜区域都参与曝光，并且按环带的灰度值对曝光图形加以改变，让 整个曝光过程中环带的曝光量等于每个小过程的叠加，把曝光图片按时间间隔制作成幻灯片或者FLASH文件，让计算机自动控制曝光图片的实时变换以实现上述累积曝光过程。本发明的优点是1、从设计上避免了传统方法给制作器件带来的误差失真，使微透镜具有更精确的面型结构和光学性能；2、将整体曝光过程分成若干小过程叠加有助于使 每个环带的曝光更加精确，更加接近理论设计值；3、由计算机控制图片实时变换能减小曝 光时间的误差，使曝光过程自动化、简单化、高效率。
图1为本发明微透镜的设计图。图中Γι为最靠近中心的一个微元长度，它等于其他微元的长度；Ln是第η个环带 高度到圆心的垂直距离；dn为透镜冠高与第η个环带高的差。图2本发明的灰阶组合曝光图。
具体实施例方式在图1中，Γι为最靠近中心的一个环带宽，由于每个环带宽度都是Γι，所以可以推 算第η个环带的半径rn = η · T1Ln是第η个环带高度到圆心的垂直距离，根据几何关系可得 _3] Ln=^R2-V1ndn为透镜冠高与第η个环带高的差dn=R-Ln ^ R-^R2-H2Fi2《实质上就是刻蚀的深度，反映在曝光过程中就是曝光量的大小，所以我们根据 dn的大小选取每个环带的灰度值。下面给出灰度变化的通用设计，设微透镜一共有m个环带组成，中心环带的灰度 值是a，其他环带的灰度值是bn(η = 1,2,3,…，m)，理论上，光刻胶的显影深度与曝光量成 线性关系，给出以下公式第k 环带曝光量<formula>formula see original document page 4</formula>
令Idci = 0，在曝光时间一定的条件下，可根据它来设置环带灰度值。在图2中，是将底面圆半径等分成16个微元的情况。图中16个圆分别代表着16 幅曝光图片，顺序是从左到右、从上到下，这里把它们排列到一起是为了方便比较，中心的 圆由小到大按环带逐步变大，其灰度值始终不变，而外圆的灰度值在每幅曝光图片上由上 述公式设计变化。曝光时这组图片交由计算机以规定时间间隔按顺序曝光。
权利要求
一种基于数字无掩模光刻技术的微透镜，其特征是将透镜底面半径等分为若干个小微元，这些小微元的宽度和数字光刻系统中使用的数字微镜(DMD)的像素宽度成一定关系，即一个小微元宽度等于经过精缩投影物镜缩小的DMD上的一个像素宽度，或者由整数个像素的横向宽度组合而成；由于微透镜底面圆是中心对称结构，将每个小微元绕中心旋转一周就得到一个环带，底面圆看成是有许多个环带组成，小微元从小到大、从里到外排列，利用球面透镜的几何关系求出每个环带的高度，环带的高度代表了透镜表面不同位置的高度，让最里面的环带最高越向外的环带越低，按几何公式形成凸透镜的表面面型，再设计每个环带的曝光量，使得环带的高低准确地反映在光刻胶上，将高低的尺寸的差别换算成比例，由比例再换算成曝光的灰度值从而决定了曝光量。
2.—种权利要求1所述的基于数字无掩模光刻技术的微透镜的制作方法，其特征是是 配合计算机控制掩模图片变换利用分环带不同灰度值的累积曝光方法，其特征是把整个曝 光过程分成许多个小过程，每个小过程中整个透镜区域都参与曝光，并且按环带的灰度值 对曝光图形加以改变，让整个曝光过程中环带的曝光量等于每个小过程的叠加，把曝光图 片按时间间隔制作成幻灯片或者FLASH文件，让计算机自动控制曝光图片的实时变换以实 现上述累积曝光过程。
全文摘要
一种基于数字无掩模光刻技术的微透镜，其特征是将透镜底面半径等分为若干个小微元，这些小微元的宽度和数字光刻系统中使用的数字微镜(DMD)的像素宽度成一定关系，即一个小微元宽度等于经过精缩投影物镜缩小的DMD上的一个像素宽度，或者由整数个像素的横向宽度组合而成；由于微透镜底而圆是中心对称结构，所以将每个小微元绕中心旋转一周就得到一个环带，底面圆看成是有许多个环带组成。本发明的优点是1、避免了传统方法给制作器件带来的误差失真；2、更加接近理论设计值；3、由计算机控制图片实时变换能减小曝光时间的误差，使曝光过程自动化、简单化、高效率。
文档编号G02B3/00GK101833124SQ20101013462
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者何帅, 罗宁宁, 肖孟超, 陈敏, 饶玉芳, 高益庆, 龚勇清 申请人:南昌航空大学