CN104459839B - 一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，首先将曲面微透镜阵列拆分为曲面体和微透镜阵列两个独立部分，再将其沿z轴方向投影，并结合空间光调制器的像素分布以及灰度级数将两个投影分别映射为两个数字掩模，再通过投影光刻系统将这两个数字掩模投影在涂覆光刻胶的基底的同一位置进行曝光制作。本发明所述的方法成本低、周期短，突破了单一数字掩模投影光刻制作时纵向深度梯度受限于空间光调制器的灰度级数的难题，使光刻胶接收到的曝光剂量调制级数扩大两倍；避免了在有掩模投影光刻中掩模与基底相对运动过程中的对准误差。

Description

一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法
技术领域
本发明涉及一种制作曲面微透镜阵列的方法，尤其涉及一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法。
背景技术
仿生复眼具有小体积，大视场、高灵敏度等突出的优点，可以作为国防科技和现代工业应用中的关键光学器件。曲面微透镜阵列是仿生复眼中最为关键的部件，目前直接制作曲面微透镜阵列的方法主要有激光(或电子束)直写技术和投影光刻等技术。激光(或电子束)直写技术是利用高能超短脉冲激光(或聚焦电子束)在预制好的曲面基底上进行逐点加工，有着比较长的制作周期，加工精度也较难控制。利用投影光刻技术制作曲面微透镜阵列是通过预先制作好的掩模与基底的相对连续运动来实现的，相比于激光(或电子束)直写技术，投影光刻技术有着相对更短的制作周期和更低的制作成本。然而有两个因素极大的制约了这种技术的发展：第一是掩模板需要高额的制作费用，第二是掩模与基底的相对多维运动难以精确控制。针对这两个制约投影光刻制作曲面微透镜阵列技术的发展，结合基于空间光调制器进行数字掩模投影光刻的优点，提出一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，以克服投影光刻技术制作曲面微透镜阵列时掩模板制作昂贵、制作周期长以及掩模板与基底的相对运动难以精确控制的难题。该方法利用数字掩模投影光刻技术，将曲面微透镜阵列拆分为曲面体和微透镜阵列两个部分，结合空间光调制器曝光剂量调制曲线和光刻胶响应曲线计算出这两个部分分别对应的数字掩模，再在涂覆光刻胶的基底上同一位置分别进行曝光制作，从而完成曲面微透镜阵列的制作。
本发明是这样来实现的，一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征是:
(1)曲面微透镜阵列在直角坐标系(x,y,z)中可表示为关于x,y,z的体函数F(x,y,z)，将该体函数拆分为曲面体F1(x,y,z)和微透镜阵列F2(x,y,z)两部分；
(2)再将待制作的曲面体F1(x,y,z)和微透镜阵列F2(x,y,z)分别沿z轴方向进行投影，投影运算即是F1(x,y,z)和F2(x,y,z)分别沿z轴方向的定域积分。投影得到的两个关于x,y的函数P1(x,y)和P2(x,y)分别是曲面体和和微透镜阵列的投影函数；
(3)结合空间光调制器(如：DMD、LCD、LCOS等)的像素分布及数字掩模投影系统的单像素制作尺寸分别对这两个投影函数进行离散采样，同时结合空间光调制器的曝光剂量调制曲线和光刻胶响应曲线把离散化的两个投影函数映射为两个独立的灰度数字掩模M1(i,j)和M2(i,j)；
(4)然后通过计算机控制空间光调制器分别按预先设定好的曝光时间投影这两个数字掩模在涂覆光刻胶的基底上进行曝光；
(5)显影定影等工艺后便可在平面基底上得到光刻胶曲面微透镜阵列，再用化学性能稳定的聚合物(如聚二甲基硅氧烷(PDMS))对光刻胶图形进行复制，便可得到性能稳定的曲面微透镜阵列。
进一步的，所述将曲面微透镜阵列拆分为大于两部分的情况下再利用数字掩模制作曲面微透镜阵列。
进一步的，所述拆分包括将一个几何物体按任意形状拆分成几个小的几何物体，拆分后的所有几何物体可以通过代数叠加的方法得到原几何物体。
进一步的，所述沿z轴方向投影包括沿z轴正方向或负方向投影。
进一步的，所述沿z轴方向投影，其主要特征为沿z轴方向对体函数进行定域积分，积分的上下限分别取相应的体函数在z域的定义域。
进一步的，所述其中像素分布包括所有类型的空间光调制器的像素排列分布形式和单像素调制光方式。
进一步的，所述其中灰度包括所有类型的空间光调制器生成的数字掩模对光功率的调制方式。
进一步的，所述其中映射包括的映射函数的特征为将投影得到的函数按空间光调制器像素排列形式进行离散采样，也包括将投影得到的函数值以空间光调制器的等效灰度的控制级数进行离散采样。
进一步的，所述其中数字掩模投影系统包括基于空间光调制器的数字掩模投影光刻系统。
进一步的，所述其中光刻胶包括所有可用于光刻制作的正性或负性胶。
进一步的，所述其中聚合物包括所有化学性质稳定的聚合物，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。
本发明的优点是：将曲面微透镜阵列的体函数分解为两个独立的数字掩模分别进行曝光制作，突破了数字掩模投影光刻制作时纵向深度梯度受限于空间光调制器的灰度级数，使光刻胶接收到的曝光剂量调制级数由空间光调制器的灰度级数扩大为其两倍；利用空间光调制器快速、准确的投影数字掩模，可以避免在掩模与基底相对运动过程中的对准误差；无实体掩模可大大减少掩模制作的费用且掩模设计非常灵活。
附图说明
图1为本发明的曲面微透镜阵列的体函数分解及相应的数字掩模制作示意图。
在图中，(a)为曲面微透镜阵列的体函数F(x,y,z)，
(b)为由曲面微透镜阵列分离的微透镜阵列F2(x,y,z)，
(c)为由曲面微透镜阵列分离的曲面体F1(x,y,z)，
(d)微透镜阵列沿z方向投影P2(x,y)，
(e)曲面体沿z方向投影P1(x,y)，
(f)为结合空间光调制器曝光剂量调制和光刻胶响应的曲线，
(g)微透镜阵列对应的数字掩模M2(i,j)，
(h)曲面体对应的数字掩模M1(i,j)。
具体实施方式
如图1所示，本发明是这样实现的：
根据待制作的曲面微透镜阵列的实际尺寸计算出曲面微透镜阵列在直角坐标系(x,y,z)中的体函数(a)；将该体函数分解为曲面体(c)和微透镜阵列(b)两部分，其对应的体函数分别为F1(x,y,z)和F2(x,y,z)；通过定域积分分别计算这两部分沿z轴的投影，积分域分别取F1(x,y,z)和F2(x,y,z)对应的z轴范围；因此微透镜阵列沿z方向投影曲面体沿z方向投影其中z0＝{z1-min,z2-min}，zm＝{z1-max,z2-max}，Z1-min、Z1-max分别为曲面体在z域的最小与最大值；Z2-min、Z2-max分别为微透镜阵列在z域的最小与最大值；σ(x)为根据光刻胶响应曲线和空间光调制器调制曲线拟合的制作深度到数字掩模灰度的转化函数；空间光调制器以数字微镜(DMD)为例说明将投影函数进行离散采样生成数字掩模。若DMD像素为1024×768，灰阶为256阶，单像素通过投影系统可制作的横、纵向最小尺寸为δx和δx。配合DMD的像素分布和灰阶级数将两个投影函数分别进行离散化，int(x)为取整运算。然后通过精缩透镜将空间光调制器调制过的紫外光投影在涂覆光刻胶的基底上的同一个位置。完成曝光后经显影、定影、后烘等工艺后曲面微透镜阵列就被制作在基底上的光刻胶中，再用PDMS对光刻胶图形进行复制，便可得到性能稳定的曲面微透镜阵列。

Claims (10)

1.一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于方法步骤如下：
（1）曲面微透镜阵列在直角坐标系（x, y, z）中可表示为关于x, y, z的体函数F(x,y, z)，将该体函数拆分为曲面体F1(x, y, z)和微透镜阵列F2(x, y, z)两部分；
（2）再将待制作的曲面体F1(x, y, z)和微透镜阵列F2(x, y, z)分别沿z轴方向进行投影，投影运算即是F1(x, y, z)和F2(x, y, z)分别沿z轴方向的定域积分；投影得到的两个关于x, y的函数P1(x, y)和P2(x, y)分别是曲面体和微透镜阵列的投影函数；
（3）结合空间光调制器的像素分布及数字掩模投影系统的单像素制作尺寸分别对这两个投影函数进行离散采样，同时结合空间光调制器的曝光剂量调制曲线和光刻胶响应曲线把离散化的两个投影函数映射为两个独立的灰度数字掩模M1(i, j)和M2(i, j)；
（4）然后通过计算机控制空间光调制器分别按预先设定好的曝光时间投影这两个数字掩模在涂覆光刻胶的基底上进行曝光；
（5）显影定影等工艺后便可在平面基底上得到光刻胶曲面微透镜阵列，再用化学性能稳定的聚合物对光刻胶图形进行复制，便可得到性能稳定的曲面微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：拆分包括将一个几何物体按任意形状拆分成几个小的几何物体，拆分后的所有几何物体可以通过代数叠加的方法得到原几何物体。
3.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述沿z轴方向投影包括沿z轴正方向或负方向投影。
4.根据权利要求1或3所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述沿z轴方向投影，其主要特征为沿z轴方向对体函数进行定域积分，积分的上下限分别取相应的体函数在z域的定义域。
5.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述像素分布包括所有类型的空间光调制器的像素排列分布形式和单像素调制光方式。
6.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述灰度包括所有类型的空间光调制器生成的数字掩模对光功率的调制方式。
7.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述映射包括的映射函数将投影得到的函数按空间光调制器像素排列形式进行离散采样，也包括将投影得到的函数值以空间光调制器的等效灰度的控制级数进行离散采样。
8.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述数字掩模投影系统包括基于空间光调制器的数字掩模投影光刻系统。
9.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述光刻胶包括所有可用于光刻制作的正性或负性胶。
10.根据权利要求1所述的一种利用数字掩模制作曲面微透镜阵列的方法，其特征在于：所述聚合物包括所有化学性质稳定的聚合物。
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