CN103760627A - 一种多通道滤光微透镜阵列的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道滤光微透镜阵列的制作方法，用不同颜色的光阻剂，结合传统的光刻法在基板上制作好具有滤光功能的滤光层，然后直接在该滤光层处以热熔法制作凸型微透镜阵列，使得该凸型微透镜集成滤光功能，而不需要另外的滤光片结构，实现了紧凑型多通道滤光微透镜的研制。本发明具有多个光通道，每个通道能独立获取对应波段的图像信息。由于采用光刻技术，配合第一掩膜板，也避免了滤光片与微透镜阵列对准的问题。在基板上各凸型微透镜之间增加了一层光阻挡层，可以减少入射杂散光和透镜之间的影响。本凸型微透镜阵列可以应用于多谱成像系统中，实现单色成像和彩色重构；同时本凸型微透镜阵列结构紧凑，也有利于多谱成像系统的小型化。
Description
技术领域
本发明用于光学器件领域，特别是涉及一种多通道滤光微透镜阵列的制作方法。
背景技术
在一些实际应用中，有时人们只关心某一单色光的成像。例如，人体血管成像中需要关心的是蓝色光线所成的像，这就需要用到多谱成像系统。多谱成像系统能够实现准确的谱分离并 获得多个单一波段的图像信息，结合数字图像处理技术，使之能够观察到普通相机观察不到的隐藏信息，这种优势使得其在高精度色彩重构，遥感测量，生物医学成像等诸多领域具有广泛的应用。现有的多谱成像系统通常将一个滤光片转轮或者液晶可谐调滤波器置于普通相机前来实现光谱的分离。然而，这样做不可避免的增加了系统的复杂性和设备的体积。而且这种多谱成像系统，每次只能获得一个波段的图像信息，操作繁琐。
微透镜列阵是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高、多通道等特点，它每个光通道可以同时独立成像，因此非常适合用于多谱成像。传统基于微透镜阵列的多谱成像系统是通过多通道彩色滤光片与微透镜阵列通过组合的方式，将不同颜色的滤光片分别与之对应的微透镜相对应，构成多个光通道，来实现不同波段光线的获取。
目前，虽然已经有很多方法加工出微透镜阵，例如光刻胶热熔法、注塑成型法等等。但是现有的方法制作的微透镜阵列都达不到对某一单色光单独聚光、成像的功能。如果想实现想对某一单色光聚光，就需要通过机械装置将多通道滤光片和微透镜阵列片分别固定，并调节滤光片与微透镜阵列之间的位置来实现二者对准。这样就从结构上增加了系统的复杂度，在某些应用中会受到限制。这样就不可避免的增加了一个滤光片结构，并且存在滤光片与微透镜阵列对准的问题，从而增加了系统的复杂度，也提高了设备的成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种大大降低系统复杂度和成本，不需要另外的滤光片结构，避免滤光片与微透镜阵列对准问题的多通道滤光微透镜阵列的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多通道滤光微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：
A.
取表面平整、透光率高的玻璃片作为基板，清洗烘干后，在基板表面设置不透光的光阻挡层，光阻挡层上设置多个圆形的透光孔，基板对应各透光孔形成多个透光通道；
B.
分别在基板表面的各透光孔内涂覆不同颜色的光阻剂，光阻剂固化后在各透光通道的表面形成滤光层；
C.
基板上在滤光层的外侧涂覆正性光刻胶，烘干后置于第一掩膜板下方进行紫外曝光，第一掩膜板包括对应各透光通道的不透光区域和对应光阻挡层的透光区域；
D.
将曝光后的基板放入显影液中显影，曝光过的正性光刻胶会在显影液下溶解去除，而没有曝光的正性光刻胶会保留下来并在基板表面形成多个圆柱形凸台；
E.
清洗烘干后将基板置于烘台上进行热熔，圆柱形凸台会在表面张力的作用下形成凸型微透镜。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤A中在基板表面设置不透光的光阻挡层包括以下步骤：在基板表面涂覆正性光刻胶，烘干后置于第一掩膜板下方进行紫外曝光；曝光好之后置于显影液中显影，正对第一掩膜板透光区域的正性光刻胶被曝光并在显影液下溶解去除，正对第一掩膜板不透光区域的正性光刻胶未被曝光而保留下来；在显影后的基板上整体镀一层不透光的铬膜作为光阻挡层；然后将镀有铬膜的基板置于丙酮中，基板上未被曝光的正性光刻胶会溶解在丙酮中，镀在其上的铬膜也同时被剥离去除，此时铬膜上便显露出多个透光的透光孔。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤A中正性光刻胶通过旋涂工艺涂覆于基板上，正性光刻胶的涂覆厚度为10微米。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤B中滤光层的制作包括以下步骤：将一种颜色的光阻剂涂覆于设有多个透光孔的基板上，烘干后置于第二掩膜板下方进行紫外曝光，第二掩膜板包括一块不透光板，不透光板上设有一可与任一透光孔对应的通孔；曝光好之后置于显影液中显影，去除未曝光的光阻剂，光阻剂烘烤固化后在在一个透光孔处制得某种颜色的滤光层；重复上述操作在其他各透光孔处制作其他颜色的滤光层。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤B中光阻剂通过旋涂工艺涂覆于基板上，光阻剂的涂覆厚度为1微米。
进一步作为本发明技术方案的改进，透光孔共设置9个并形成阵列，滤光层包括分别位于所述9个透光孔处的红滤光层、橙滤光层、黄滤光层、绿滤光层、青滤光层、蓝滤光层、紫滤光层、近红外滤光层和可见光滤光层。
进一步作为本发明技术方案的改进，红滤光层、绿滤光层、蓝滤光层和黄滤光层分别由对应颜色的光阻剂光刻形成；橙滤光层由红色的光阻剂与蓝色的光阻剂按体积比1︰1混合后光刻形成；青滤光层由蓝色的光阻剂与绿色的光阻剂按体积比1︰1混合后光刻形成；紫滤光层由红色、蓝色和绿色的光阻剂按体积比1︰1︰0.2混合后光刻形成；近红外滤光层是依次将红色、绿色和蓝色的光阻剂经过三次光刻制作在同一区域而成；可见光滤光层不需要光阻剂。
进一步作为本发明技术方案的改进，步骤C中正性光刻胶通过两次旋涂工艺涂覆于基板上，第一次旋涂完成后进行烘烤，然后再继续第二次旋涂，两次旋涂后，正性光刻胶的涂覆厚度为20～23微米。
本发明的有益效果：本多通道滤光微透镜阵列的制作方法中，用不同颜色的光阻剂，结合传统的光刻法在基板上制作好具有滤光功能的滤光层，然后直接在该滤光层处以热熔法制作凸型微透镜阵列，使得该凸型微透镜集成滤光功能，而不需要另外的滤光片结构，实现了紧凑型多通道滤光微透镜的研制。本发明具有多个光通道，每个通道能独立获取对应波段的图像信息。由于采用光刻技术，配合第一掩膜板，也避免了滤光片与微透镜阵列对准的问题。另外，在基板上各凸型微透镜之间增加了一层光阻挡层，可以减少入射杂散光和透镜之间的影响。本凸型微透镜阵列可以应用于多谱成像系统中，实现单色成像和彩色重构；同时本凸型微透镜阵列结构紧凑，也有利于多谱成像系统的小型化。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例的工艺流程示意图；
图2是本发明实施例凸型微透镜阵列结构示意图。
具体实施方式
参照图1、图2，本发明提供了一种多通道滤光微透镜阵列的制作方法，与传统的微透镜阵列相比，它可以同时对几种不同光谱的光线进行滤光、聚光。把该集微透镜应用于多谱成像系统中来实现单色成像和彩色重构。这样可以比传统多谱成像系统减少一个滤光片结构，避免了滤光片与微透镜阵列对准问题。本方法主要包括以下步骤：
1.
取表面平整、透光率高的玻璃片作为基板1，将基板用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟除去水汽和残余丙酮。自然冷却后，将AZ4620正性光刻胶2旋涂于基板1上，旋涂参数为500转/分钟10秒、2500转/分钟30秒，此时AZ4620正性光刻胶2的厚度在10微米左右。
2.
将旋涂好AZ4620正性光刻胶2的基板1至于90℃烘台上烘烤1分钟，用于去除光AZ4620正性光刻胶2内的溶剂。烘烤完后，在事先制作好的第一掩膜板3下紫外曝光，曝光时间为25秒，曝光强度为20mW/cm2。该第一掩膜板3包括透光区域31和位于透光区域中间部分的9个不透光区域32（圆形）。
3.
曝光好之后将基板1置于显影液中显影。正对第一掩膜板3透光区域31的AZ4620正性光刻胶2被曝光并在显影液下溶解去除，正对第一掩膜板3不透光区域32的AZ4620正性光刻胶2未被曝光而保留下来；其中显影液型号为AZ400，显影过后，会显露出9个圆柱形的图案4，周围的AZ4620正性光刻胶2由于被曝光，显影时被去除。
4.
将显影后的基板1至于溅射离子镀膜机内镀膜，在基板1上整体镀上一层不透光的铬（Cr）膜5作为光阻挡层，由于之前制作的AZ4620正性光刻胶2的保护，铬膜5只镀在了在9个圆柱形的图案4处。
5.
然后将镀有铬膜5的基板1置于丙酮中，基板1上未被曝光的AZ4620正性光刻胶2会溶解在丙酮中，镀在其上的铬膜5也同时被剥离去除，此时铬膜5上便显露出9个透光的透光孔51，该9个透光的透光孔51将用于后续制作9个不同滤光层8，透光孔51周围是一层不透光的铬膜5，可以起到阻挡杂散光入射的目的。
6.
将一种颜色（如红色）的光阻剂6旋涂于设有9个透光孔51的基板上1，旋涂参数550转/分钟 30秒,光阻剂6厚度为1微米左右，旋涂后，将基板1置于烘箱中，在88ºC下烘烤4分钟，以除去光阻剂6中的溶剂。
7.
烘干后置于第二掩膜板7下方进行紫外曝光，曝光剂量时间为12秒，曝光强度为20mW/cm2，光阻剂6为负性光刻胶，曝光过的光阻剂6性质会发生改变，不能溶解在的显影液中，其中，第二掩膜板7包括一块不透光板，不透光板上设有一可与任一透光孔51对应的通孔71。
8.
曝光好之后将基板1置于显影液中显影，去除未曝光的光阻剂6，然后在烘箱内烘烤进一步固化光阻剂6，提高光阻剂6的稳定性，烘烤温度是230摄氏度，时间为1小时，光阻剂6烘烤固化后在在一个透光孔51处制得某种颜色（如红色）的滤光层8。
9.
重复步骤6-8，在其他各透光孔51处制作其他颜色的滤光层8，滤光层8包括分别位于9个透光孔处的红滤光层、橙滤光层、黄滤光层、绿滤光层、青滤光层、蓝滤光层、紫滤光层、近红外滤光层和可见光滤光层。其中，红色、绿色、蓝色、黄色光阻剂可以从商家处购买到，红滤光层、绿滤光层、蓝滤光层和黄滤光层分别由对应颜色的光阻剂直接光刻形成；橙滤光层由红色的光阻剂与蓝色的光阻剂按体积比1︰1混合后光刻形成；青滤光层由蓝色的光阻剂与绿色的光阻剂按体积比1︰1混合后光刻形成；紫滤光层由红色、蓝色和绿色的光阻剂按体积比1︰1︰0.2混合后光刻形成；近红外滤光层是依次将红色、绿色和蓝色的光阻剂经过三次光刻制作在同一区域而成；可见光滤光层不需要光阻剂。
10.
基板1上在滤光层8的外侧旋涂AZ4620正性光刻胶2，AZ4620正性光刻胶2需要一定的厚度，这里采用两次甩胶工艺来实现。每次甩胶都以1200转/分钟的转速旋涂45秒，紧接着以2000转/分钟的转速甩胶30秒；第一次甩胶完成后，需在烘台上以85 ºC烘烤2分钟，然后再继续甩第二层胶。两次甩胶后，AZ4620正性光刻胶2的涂覆厚度约为20～23微米。
11.
将旋涂AZ4620正性光刻胶2后的基板1置于烘箱内，在85 ºC下烘烤8分钟，以完全除去AZ4620正性光刻胶2内溶剂。
12.
烘干后将基板1置于第一掩膜板3下方进行紫外曝光，第一掩膜板3上的9个不透光区域32正好与9个滤光层8相对应，曝光时间为12-14秒，曝光强度约为20mW/cm2。
13.
将曝光后的基板1放入AZ400型显影液中显影，曝光过的AZ4620正性光刻胶2会在显影液下溶解去除，而没有曝光的AZ4620正性光刻胶2会保留下来并在基板1表面形成多个AZ4620圆柱形凸台9。显影时不能完全显影到底，应该预留2-3微米的AZ4620正性光刻胶2，这样有利于后续热熔过程中AZ4620正性光刻胶2在表面张力作用下形成透镜球面。显影程度可以通过多次显影，并用台阶仪测量圆柱高度的方式来控制，保证最后得到的圆柱形凸台9高度在20微米左右。显影完成后用去离子水清洗基板上存留的显影液后，用氮气吹干。
14.
将基板1置于128 ºC烘台上，热熔115秒，AZ4620圆柱形凸台9会在表面张力的作用下形成凸型微透镜10。
本多通道滤光微透镜阵列的制作方法中，用不同颜色的光阻剂6，结合传统的光刻法在基板1上制作好具有滤光功能的滤光层8，然后直接在该滤光层8处以热熔法制作凸型微透镜10阵列，使得该凸型微透镜集成滤光功能，而不需要另外的滤光片结构，实现了紧凑型多通道滤光微透镜的研制。本发明具有多个光通道，每个通道能独立获取对应波段的图像信息。由于采用光刻技术，配合第一掩膜板3，也避免了滤光片与微透镜阵列对准的问题。另外，在基板1上各凸型微透镜之间增加了一层光阻挡层，可以减少入射杂散光和透镜之间的影响。本凸型微透镜阵列可以应用于多谱成像系统中，实现单色成像和彩色重构；同时本凸型微透镜阵列结构紧凑，也有利于多谱成像系统的小型化。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.取表面平整、透光率高的玻璃片作为基板，清洗烘干后，在基板表面设置不透光的光阻挡层，光阻挡层上设置多个圆形的透光孔，所述基板对应各透光孔形成多个透光通道；
B.分别在基板表面的各透光孔内涂覆不同颜色的光阻剂，光阻剂固化后在各透光通道的表面形成滤光层；
C.所述基板上在滤光层的外侧涂覆正性光刻胶，烘干后置于第一掩膜板下方进行紫外曝光，所述第一掩膜板包括对应各透光通道的不透光区域和对应光阻挡层的透光区域；
D.将曝光后的基板放入显影液中显影，曝光过的正性光刻胶会在显影液下溶解去除，而没有曝光的正性光刻胶会保留下来并在基板表面形成多个圆柱形凸台；
E.清洗烘干后将基板置于烘台上进行热熔，所述圆柱形凸台会在表面张力的作用下形成凸型微透镜。
2.根据权利要求1所述的多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤A中在基板表面设置不透光的光阻挡层包括以下步骤：在基板表面涂覆正性光刻胶，烘干后置于第一掩膜板下方进行紫外曝光；曝光好之后置于显影液中显影，正对第一掩膜板透光区域的正性光刻胶被曝光并在显影液下溶解去除，正对第一掩膜板不透光区域的正性光刻胶未被曝光而保留下来；在显影后的基板上整体镀一层不透光的铬膜作为光阻挡层；然后将镀有铬膜的基板置于丙酮中，基板上未被曝光的正性光刻胶会溶解在丙酮中，镀在其上的铬膜也同时被剥离去除，此时铬膜上便显露出多个透光的透光孔。
3.根据权利要求2所述的多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤A中正性光刻胶通过旋涂工艺涂覆于基板上，正性光刻胶的涂覆厚度为10微米。
4.根据权利要求1、2或3所述的多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤B中滤光层的制作包括以下步骤：将一种颜色的光阻剂涂覆于设有多个透光孔的基板上，烘干后置于第二掩膜板下方进行紫外曝光，所述第二掩膜板包括一块不透光板，所述不透光板上设有一可与任一透光孔对应的通孔；曝光好之后置于显影液中显影，去除未曝光的光阻剂，光阻剂烘烤固化后在在一个透光孔处制得某种颜色的滤光层；重复上述操作在其他各透光孔处制作其他颜色的滤光层。
5.根据权利要求4所述的多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤B中光阻剂通过旋涂工艺涂覆于基板上，光阻剂的涂覆厚度为1微米。
6.根据权利要求4所述的多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述透光孔共设置9个并形成阵列，所述滤光层包括分别位于所述9个透光孔处的红滤光层、橙滤光层、黄滤光层、绿滤光层、青滤光层、蓝滤光层、紫滤光层、近红外滤光层和可见光滤光层。
7.根据权利要求6所述的多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述红滤光层、绿滤光层、蓝滤光层和黄滤光层分别由对应颜色的光阻剂光刻形成；所述橙滤光层由红色的光阻剂与蓝色的光阻剂按体积比1︰1混合后光刻形成；所述青滤光层由蓝色的光阻剂与绿色的光阻剂按体积比1︰1混合后光刻形成；所述紫滤光层由红色、蓝色和绿色的光阻剂按体积比1︰1︰0.2混合后光刻形成；近红外滤光层是依次将红色、绿色和蓝色的光阻剂经过三次光刻制作在同一区域而成；可见光滤光层不需要光阻剂。
8.根据权利要求1、2或3所述的多通道滤光微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述步骤C中正性光刻胶通过两次旋涂工艺涂覆于基板上，第一次旋涂完成后进行烘烤，然后再继续第二次旋涂，两次旋涂后，正性光刻胶的涂覆厚度为20～23微米。
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