基于数字微镜器件衍射效应的微透镜阵列制备与检测装置的制作方法

本发明属于微纳加工技术领域，特别涉及一种基于数字微镜器件(dmd)衍射效应的微透镜阵列制备与检测装置。

背景技术：

微透镜阵列在光学系统中有着重要而广泛的应用。其中，微透镜有会聚光能、矫正像差和成像的作用，并且体积小、质量轻、集成度高、易于复制而被广泛地应用于红外光电探测器、图像识别和处理、光通讯、激光医学、空间光学等许多领域。此外，微透镜阵列器件的微型化和集成化，使得其具有很强的适应性，可广泛用于通信、显示和成像器件当中。因此，随着当今社会对微透镜阵列的迫切需求，如何制作出轮廓清晰、均匀性好、质量高且具有良好光学性能的微透镜阵列已成为了目前的热题。

在传统的微透镜及其阵列的制作过程中，如二元光学结合常规灰度掩膜光刻技术，掩膜板制作的繁琐及其对准过程中存在的误差等因素导致制作成本高且效率低。针对这一难题，一种基于数字微镜器件(dmd)的全新数字无掩膜光刻技术应运而生。

数字微镜器件(dmd)具有70多万个微小的反射镜组成，器件上每个反射镜都可以绕着各自的对角线作+12°或-12°两个角度的偏转，这两偏转状态分别对应‘开’和‘关’两个态。数字微镜器件(dmd)通过对这些微小反射镜所处状态的改变来调制光束振幅分布并对其进行整形。dmd在数字光处理方面具有较广泛的应用，近年来，在光束整形、高分辨率荧光成像、复杂介质波前校正以及数字无掩膜光刻等领域逐渐引起研究人员的兴趣。特别是在数字无掩膜光刻方面，dmd可以加载待写进光刻胶的图形，并通过光学系统调制紫外光束来实现刻蚀。

本发明的一个重要的创新点在于利用数字无掩膜光刻技术，通过计算机中直接设计所需掩膜的图样，并通过数据线将设计图样直接输出到数字微镜器件(dmd)中，然后利用成像光路直接对已处理的光刻胶进行刻写。这样可极大地缩短微透镜阵列从设计到掩膜版制备的周期，同时保证了设计需求的微透镜的尺度。

本发明的另一个重要创新点在于数字微镜装置(dmd)作为光刻微加工中的数字掩码生成器时，基本都是最大程度地抑制衍射效应对光刻效果的影响。而在本发明中，将dmd视作一种二维反射型光栅，并基于dmd内部微镜自身的衍射效应及空间滤波原理来制备微透镜。这种新方法能充分运用光的衍射效应，并能精确地控制光刻胶的光致固化行为。

本发明的另一个重要创新点在于所有的功能切换完全由计算机控制完成，这样使得实验操作更加方便快捷，而且排除了人为主观因素的影响，有利于实验快速精确地进行。

此外，该装置集成了微透镜的制作和检测于一体，通过计算机的控制在这两种检测模式间灵活转换，有利于更加快捷精确地制备微透镜阵列，以及对其相关光学性能进行检测。

技术实现要素：

本发明目的在于：在同一台装置上实现微透镜阵列的制备与光学性能检测，该装置可在微透镜阵列的快速加工和光学性能的实时检测等领域具有重要的应用前景。

本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：一种基于数字微镜器件(dmd)衍射效应的微透镜阵列制备与检测实验装置，其构成包括紫外led光源、第一双凸透镜、dmd器件、第二双凸透镜、空间滤波器、第三双凸透镜、双色镜、显微镜物镜、三维电动平台、第四双凸透镜、ccd相机、扩束器和氦氖激光器。其中，

运用dmd衍射效应制备微透镜阵列的光路由紫外led光源、第一双凸透镜、dmd器件、第二双凸透镜、空间滤波器、第三双凸透镜、双色镜、显微镜物镜和三维电动平台构成；紫外led光源发出的紫外光通过第一双凸透镜准直后，再投射到dmd器件上；通过计算机将全白掩膜图样加载到dmd器件上；光线经dmd器件的选择性反射，依次经过第二双凸透镜、空间滤波器以及第三双凸透镜后，经过双色镜和显微镜物镜直接投射到三维电动平台上，对已处理的光刻胶进行曝光；

微透镜阵列的光学性能检测光路由氦氖激光器光源、扩束器、双色镜、三维电动平台、显微镜物镜、第四双凸透镜和ccd相机构成；由氦氖激光器发出的激光通过扩束器准直后，经过双色镜和显微镜物镜入射到待检测区域的微透镜阵列上；光线透过微透镜阵列后，经过第四双凸透镜聚焦后成像到ccd相机中，接收并采集焦面能量分布数据，利用计算机的数据采集和收集系统进行处理；

样品放置在三维电动平台上，在计算机控制下，样品随着三维电动平台进行三维移动；所述计算机的输入端通过信号线分别与所述紫外led光源、氦氖激光光源、dmd器件、三维电动平台、ccd相机相连；所述计算机设计的光刻掩膜图样通过计算机数据线将全白掩膜图样加载到dmd器件上；所述计算机可通过信号采集系统采集并存储ccd相机所产生的时序图像序列。

基于dmd衍射效应制备微透镜光路的切换需通过计算机移动三维电动平台至合适位置，加载全白掩膜图样到dmd器件，打开紫外激光器光源，并投射光线到dmd器件上，此时该装置工作在微透镜的制备模式。

微透镜阵列的光学性能检测光路切换需通过计算机启动三维电动平台并移动到合适位置，打开ccd相机，打开氦氖激光器光源，激光经过扩束器准直后入射在待测试的微透镜阵列，调整三维电动平台的位置，使待测试区域的微透镜后焦面在ccd相机的输出像面上，完成光电转换，拍摄并记录下微透镜的焦平面光强分布。然后由计算机的图像采集系统将光学信号转换为相应的数字信号，并对数据进行处理，此时该装置工作在微透镜光学性能的检测模式。采用实时可控的dmd器件替代了传统工艺中的掩膜板，具有精确和快捷等优点。

本发明的优点和积极效果：

1、本发明为一种通过计算机优化控制，利用dmd器件取代传统光刻工艺中的掩膜板，实现微透镜阵列的制备，同时对微透镜性能进行检测的装置。所发明的装置结合微透镜的制备和检测技术于一体，通过计算机和三维电动平台的控制实现两种功能的灵活切换。其中，微透镜的制备利用成像光路实现对已处理的光刻胶进行刻蚀；微透镜的光学性能检测通过快速ccd相机完成光电检测，摄入微透镜焦平面的光强分布，最后再通过计算机的图像处理系统进行处理，实现其衍射效率的检测。

2、与传统的微透镜阵列加工技术相比，本发明采用自行设计的成像光路，利用计算机软件设计所需的全白掩膜图样，可以直接将dmd上显示的图案作为数字掩膜板，代替了传统光刻技术中的掩膜，同时大大地降低了图形的畸变与提高对准精度，为一种数字化制备微透镜阵列提供了方法。

3、本发明装置将dmd视作一种二维反射型光栅，并基于dmd微镜自身的衍射效应及空间滤波原理来制备微透镜。这种新方法能充分地运用光的衍射效应，并能精确地控制光刻胶的光致固化行为。这种微透镜阵列制备及其光学质量检测于一体化的实验装置，必将在微加工制造等领域发挥重要的作用。

附图说明

图1本发明基于数字微镜器件(dmd)衍射效应的微透镜阵列制备与检测实验装置示意图；

图中，1为紫外led光源，2为第一双凸透镜，3为dmd器件，4为第二双凸透镜，5为空间滤波器，6为第三双凸透镜，7为双色镜，8为显微镜物镜，9为三维电动平台，10为第四双凸透镜，11为ccd相机，12为扩束器，13为氦氖激光器。

具体实施方式

以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可实现本发明权利要求的全部内容。

基本实施例：

请参阅图1，图1是本发明基于数字微镜器件(dmd)衍射效应的微透镜阵列制备与检测实验装置示意图，也是本发明的一个实施例的结构示意图。由图可见，本发明基于数字微镜器件衍射效应的微透镜阵列制备与检测实验装置，其构成包括紫外led光源1、第一双凸透镜2、数字微镜器件(dmd器件3、第二双凸透镜4、空间滤波器5、第三双凸透镜6、双色镜7、显微镜物镜8、三维电动平台9、第四双凸透镜10、ccd相机11、扩束器12和氦氖激光器13。

所述的在光刻微加工中，运用dmd衍射效应的微透镜阵列制备光路由紫外led光源1、第一双凸透镜2、dmd器件3、第二双凸透镜4、空间滤波器5、第三双凸透镜6、双色镜7、显微镜物镜8和三维电动平台9构成；

所述的微透镜阵列光学性能的检测光路由氦氖激光器13、扩束器12、双色镜7、显微镜物镜8、三维电动平台9、第四双凸透镜10和ccd相机11构成；

将样品放置在三维电动平台9上，在计算机控制下，样品随着三维电动平台9进行三维移动；所述计算机的输入端通过信号线分别与所述紫外led光源1、dmd器件3、三维电动平台9、ccd相机11、氦氖激光器13相连；

所述计算机设计的光刻掩膜图样通过计算机数据线将全白掩膜图样加载到dmd器件3上；所述计算机可通过信号采集系统采集并存储ccd相机11所产生的时序图像序列。

具体实施例

本具体实施例是基本实施例的优选实施例，具体的如下：

本实施例中，所述的紫外led光源1出射光线的波长为365nm，谱线宽度为7.5nm；；第一双凸透镜2焦距为200mm，直径为50.8mm(2英寸)，镀350-700nm增透膜。由紫外led光源1、第一双凸透镜2共同构成紫外led扩束光源。该光源经扩束后的光束直径约为10mm。

所述的dmd器件3的尺寸约为10mm×10mm，第二双凸透镜4焦距为150mm，直径为50.8mm(2英寸)，镀350-700nm增透膜；空间滤波器5直径为1mm，大小动态可调；第三双凸透镜6焦距为100mm，直径为50.8mm(2英寸)，镀350-700nm增透膜；双色镜7反紫外光透可见光；显微镜物镜8放大倍数为10x，有效焦距为20mm，镀325-500nm近紫外增透膜。由dmd器件3、第二双凸透镜4、空间滤波器5、第三双凸透镜6、双色镜7和显微镜物镜8共同构成图像投射光路。

所述氦氖激光器13所产生的光波长在632nm；扩束器12的扩束倍数为8x；显微镜物镜8放大倍数为10x，有效焦距为20mm，镀325-500nm近紫外增透膜。由氦氖激光器13和扩束器12共同构成检测光路的照明光系统。

所述的ccd相机11分辨率为1280×1024，彩色；第四双凸透镜10采用的是焦距为100mm，直径为50.8mm(2英寸)；外挂式三维电动平台9，行程50mm中心高度102mm，调节范围±25mm。由ccd相机11、第四双凸透镜10、三维电动平台9、显微镜物镜8和双色镜7共同构成微透镜阵列光学性能的检测光路。

本实例中，在微透镜阵列制备模式，紫外led光源1发出的紫外光通过第一双凸透镜2扩束后，再投射到dmd器件3上；通过计算机将全白掩膜图样加载到dmd器件3上；光线经dmd器件3的选择性反射，经过第二双凸透镜4、空间滤波器5、第三双凸透镜6、双色镜7以及显微镜物镜8直接投射到三维电动平台9上，对已处理的光刻胶进行曝光。在曝光模式下，加载到dmd器件3的掩膜图样的有效维持时间推荐不低于20s，曝光完成后关闭紫外led光源1。被曝光的光刻胶经过显影后被洗去(对于正性光刻胶)，而未曝光的光刻胶则保留下来，这样掩膜上的图案就转移基片的光刻胶上。最后，对暴露出的基片材料进行刻蚀，刻蚀完成后，再清除掉剩余的光刻胶。加载到dmd器件3的全亮图样的维持时间和大小根据所要制备微透镜阵列的数量和规模而定。

在微透镜阵列光学性能的实时检测模式中，将待测微透镜阵列放在三维电动平台9上，并调节好位置，由氦氖激光器13发出的激光通过扩束器12准直后，经过双色镜7和显微镜物镜8入射到待检测区域的微透镜阵列上；光线透过微透镜后，经过第四双凸透镜10聚焦后成像到ccd相机11中，接收并采集焦面能量分布数据，利用计算机的数据采集和收集系统进行处理。

本实施例中，紫外led光源1与氦氖激光器13出射光束的高度为100mm，为耦合光路，我们将相应的光学器件调整在100mm高度。

本发明的一个重要特征是，采用自行设计的成像光路，利用计算机设计所需掩膜图样，然后通过成像光路将全白掩膜图样直接投射到已处理的玻璃基片上，对光刻胶进行曝光。可以直接将dmd上显示的全白掩膜图样作为实时的数字掩膜板。

本发明装置不仅可进行微透镜阵列的加工制备；还可工作在微透镜阵列的光学性能检测模式，并能有效地在这两个模式之间切换。

其中，对光刻胶(选用su-8光刻胶来进行本实施例说明)的处理可采用如下方法：

将su-8光刻胶用光阻涂布机涂布在玻璃片上(推荐分两个阶段进行匀胶：第一阶段转速为500rpm，时间为10s；第二阶段转速2000rpm，时间为30s)，然后将玻璃片放在电热板上进行烘烤处理(推荐分两个阶段进行烘烤：第一阶段温度为65℃，时间为6min；第二阶段温度为95℃，时间为20min)，即已实现对光刻胶的处理。

本发明其他未详细阐述的部分属于本领域公知技术。