专利名称：一种自由曲面光学微镜阵列的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，是一种光学微镜阵列的制作方法。
背景技术：
光学微镜阵列包括微透镜阵列和微反射镜阵列。目前，关于光学微镜阵列的研究主要以圆形单元球面微透镜阵列为主，其主要功能包括光束调节、成像、光互联、显示等，在光束调节领域传统圆形单元球面微透镜阵列受到极大的局限，下面以在光电传感器光敏阵列中的应用的微透镜阵列为例进行说明。光敏阵列是光电传感器的核心部件，在光敏阵列中，受光面分“光敏区”和“间隔区”。其中光敏区接受光能量，产生光电效应；间隔区作为读出电路部分，不能产生光电效应。光敏单元为矩形结构，直角排列方式，根据光敏区和间隔区比例(占空比)计算，光能有效利用率约为60%，光能损失大，影响光电传感器的感光灵敏度和信噪比。如将微透镜阵列置于光敏阵列前侧，使透镜单元与光敏单元一一对应，把剩余 光能聚集在光敏面上，对于提高光电传感器的应用性能有很大帮助。但传统圆形单元球面微透镜阵列(如图I)其最大占空比也仅为78. 5%，对于提高光敏阵列的光能利用率效果不是很明显，而且聚焦后光能集于光敏区中一点，光照不均匀。自由曲面微镜阵列是一类特殊的具有非回转面型和非球面面型结构的阵列器件。其面型复杂无法用固定解析式来表达，一般用离散的列表值点来表示。在光束调节领域，除上述在传感器光敏阵列中的应用外，对于特殊照明配光的领域，如光敏阵列、汽车前照灯、景观照明、投影仪等光学系统提供了一个新的选择，应用它不仅可以自由分配光强，也可以控制光线角度、光程差等物理量，从而在照明面上形成特定形状的均匀光斑。同时，矩形单元减小了单元间距，其理论光能利用率可达95%以上(如图2)。通过国内外文献查阅，未发现研究单位及人员提及自由曲面微镜阵列制作方法，大量关于自由曲面的研究只侧重于单个自由曲面光学透镜。当前，单个自由曲面光学透镜制作有两种方法第一种，是采用计算机控制微小磨头在材料表面成型技术；第二种，是采用多轴超精密金刚石刀具车削加工成型技术。计算机控制微小磨头在材料表面成型技术是利用计算机控制一个微小尺寸的磨头作预设的运动，并且控制磨头在工件上各点的驻留时间和压力，获得所需要的磨削量而形成曲面型面。它的缺点是精度低、废品率高，尤其对于光学材料废品率更高，而且光学器件尺寸受微小磨头制作水平的限制。多轴超精密金刚石刀具车削加工成型技术是采用多自由度高精密车削设备对材料直接车削去除，从而形成预设曲面型面。它的缺点是加工脆性材料时材料表面存在大量亚微米至微米量级裂纹，会影响光波透过率，且专用车削加工设备昂贵。以上两种方法都无法加工自由曲面光学阵列器件。本发明人于2012年在[红外技术]第I期发表了题为“硅基自由曲面光学微透镜阵列制作的光学性能研究”，提出了逐点变剂量曝光、显影及离子刻蚀方式制作自由曲面微镜的理论设想。但与实际加工尚存在一定差距。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自由曲面光学微镜阵列的制作方法。本发明解决技术问题的方案是采用如下工艺步骤完成的
1.在光学材料基片表面涂布一层感光胶；
2.将涂好感光胶的基片放入高温烘箱中加热至90 100°C，恒温15 25分钟；
3.以列表形式描述出所要制作自由曲面光学微镜阵列的坐标值点；
4.变剂量曝光。采用激光直写设备，在激光束能量不变的情况下，通过曝光和显影实验建立感光胶曝光深度与曝光时间的数学模型，根据该模型与自由曲面光学微镜阵列的坐标值点拟合，编制激光直写工作台运动轨迹与运动速度控制程序；然后工作台带动涂胶工件 按编制的程序运动，激光束在感光胶表面逐行、逐点扫描，由于运动速度不同而实现变剂量曝光，又由于曝光量不同使光刻胶曝光深度不同，曝光深度与阵列中每一坐标值点呈对应关系;
5.将曝光后的基片浸入显影液2 5分钟取出，曝光深度不同则显影深度不同，显影后得到由感光胶构成的自由曲面面型结构；
6.将显影后的基片放入温度均匀性高于1%的高温加热器中，加热至180 270°C，恒温5 10分钟进行表面均匀化处理，而后自然冷却至室温取出；
7.基片置于离子刻蚀机内进行动态离子束刻蚀,刻蚀速率5nm/s-15nm/s，刻蚀时间由光刻胶厚度决定，刻蚀也称为面型转移，是将感光胶自由曲面阵列结构转移到基片上，由此制得光学微镜阵列；
8.将刻蚀后得到的光学微镜阵列进行高速流体抛光，流体运动速度可根据材料选择3m/ s 6m/ s ；
9.用去离子水冲洗I 2分钟；
10.最后用干燥纯净氮气吹干；
11.检测。上述工艺步骤I中，
所用光学材料应根据自由曲面器件应用的光学系统来选择，红外系统中可选用Si、Ge、ZnS、MgF2等，可见光学系统可选用光学玻璃、石英玻璃等，紫外光学系统中可选用紫外石英、CaF2等；感光胶厚度由微镜单元矢高决定。上述工艺步骤3中，自由曲面光学微镜阵列的每一坐标值点由(X、Y、Z)三点确定，(Χ、Υ)代表坐标位置，Z代表竖直方向的高度；
上述工艺步骤4中感光胶曝光深度与时间的关系式为
权利要求
1.一种自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于包括如下工艺步骤完成 (1)在光学材料基片表面涂布一层感光胶； (2)将涂好感光胶的基片放入高温烘箱中加热至90 100°C，恒温15 25分钟； (3)以列表形式描述出所要制作自由曲面光学微镜阵列的坐标值点； (4)变剂量曝光，采用激光直写设备，在激光束能量不变的情况下，通过曝光和显影实验建立感光胶曝光深度与曝光时间的数学模型，根据该模型与自由曲面光学微镜阵列的坐标值点拟合，编制激光直写工作台运动轨迹与运动速度控制程序；然后工作台带动涂胶工件按编制的程序运动，激光束在感光胶表面逐行、逐点扫描，曝光深度与阵列中每一坐标值点呈对应关系； (5)将曝光后的基片浸入显影液2 5分钟取出，显影后得到由感光胶构成的自由曲面面型结构；· (6)将显影后的基片放入温度均匀性高于1%的高温加热器中，加热至180 270°C，恒温5 10分钟进行表面均匀化处理，而后自然冷却至室温取出； (7)基片置于离子刻蚀机内进行动态离子束刻蚀，刻蚀速率5nm/s-15nm/s，刻蚀时间由光刻胶厚度决定，由此制得光学微镜阵列； (8)将刻蚀后得到的光学微镜阵列进行高速流体抛光，流体运动速度为3m/s 6m/s； (9)用去离子水冲洗I 2分钟； (10)最后用干燥纯净氮气吹干； (11)检测。
2.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于光学材料根据自由曲面器件应用的光学系统来选择，其中红外系统中选用Si、Ge、ZnS、MgF2 ;可见光学系统选用光学玻璃、石英玻璃；紫外光学系统中选用紫外石英、CaF2。
3.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于步骤3需米用列表的方法描述出自由曲面表面上每一点坐标值X、Y、Z。
4.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于感光胶厚度由微镜单元矢高决定。
5.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于步骤(4)中感光胶曝光深度与时间的关系式为 = ^ exp [-OS (ζ, )] -Ij- BE(ζ, O 式中A、B是光吸收系数，C是所用感光胶灵敏度参数，E为曝光量，t为时间，ζ为垂直基片表面方向。
6.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于 变剂量曝光是通过计算机控制曝光设备的工作台运动速度调节激光束在感光胶上各点驻留时间实现。
7.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于 步骤6中连续均匀化处理是将感光胶加热至微软状态，使胶面由于张力自动消除逐行扫描带来的不连续误差。
8.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于步骤7中采用离子刻蚀技术将感光胶结构等比例转移到基片材料表面。
9.根据权利要求I所述的自由曲面光学微镜阵列的制作方法，其特征在于 步骤8中的高速流体抛光液应选择不与基片材料发生化学反应的物质，只通过冲击与摩擦进行物理抛光。
全文摘要
一种自由曲面光学微镜阵列的制作方法，属于光学技术领域，步骤是在基片表面涂布感光胶，加热后烘胶厚，根据自由曲面表面的坐标值点进行变剂量曝光，通过显影后得到感光胶自由曲面面型结构，对基片进行均匀化处理、动态离子束刻蚀和流体抛光，制得光学微镜阵列。本发明制得的光学微镜阵列光能利用率高，光照均匀，光斑形状可控。其制作方法简单易行，通过改变曝光系统光刻物镜得到亚微米直径曝光光斑，通过控制工作台运动速度实现变剂量曝光。
文档编号G03F7/00GK102902156SQ20121017154
公开日2013年1月30日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者孙艳军, 董连和, 冷雁冰, 陈哲 申请人:长春理工大学