CN105399046A - 无机微光学元件批量化制作方法 - Google Patents

无机微光学元件批量化制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105399046A
CN105399046A CN201510730477.XA CN201510730477A CN105399046A CN 105399046 A CN105399046 A CN 105399046A CN 201510730477 A CN201510730477 A CN 201510730477A CN 105399046 A CN105399046 A CN 105399046A
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
mould
optical elements
optical element
molds
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510730477.XA
Other languages
English (en)
Inventor
张为国
夏良平
朱国栋
朱晓强
张东
杨勰
王德强
杜春雷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Original Assignee
Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS filed Critical Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority to CN201510730477.XA priority Critical patent/CN105399046A/zh
Publication of CN105399046A publication Critical patent/CN105399046A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
    • B81C1/00444—Surface micromachining, i.e. structuring layers on the substrate
    • B81C1/0046—Surface micromachining, i.e. structuring layers on the substrate using stamping, e.g. imprinting

Abstract

本发明利用超精密车削、激光直写、光刻、高能束写的方法制作出任意结构的微光学元件模具，然后将该类模具通过热固化、紫外固化、刻蚀传递等复制工艺将微光学元件模具进行复制成为更多高分子材料或晶体材料模具，再将复制的模具通过电铸工艺转换成热力学性能较好镍材质微光学元件模具，并将其镀膜改性，提升耐磨性和热稳定性，接着将改性后的镍模具用于模压制作无机玻璃微光学元件，最后将模压后的微光学元件外形尺寸修饰成设计值便于装调。该方法利用一个模板便可模压复制加工出上千个无机光学元件，是一效率非常高、成本很低的批量化无机微光学元件制作方法，有望推动微光学元件的应用范围，实现微光学元件的产业化。

Description

无机微光学元件批量化制作方法
技术领域
本发明涉及一种新型微纳加工方法，可无机微光学元件的高效率、低成本、批量化制作，从而为微光学从实验室推向产业化提供一种有效的技术途经。隶属微纳光学的范畴。
背景技术
传统光学元件如球面、非球面、柱透镜、棱镜等，多采用机械磨抛的方式加工，体积大，重量重，难以集成，无法适应小型化、轻量化、紧凑型光电系统的发展趋势。上世纪80年代，国际上提出微光学元件的概念，利用超大规模集成电路工艺，将微透镜和衍射光栅做在石英、硅等晶体材质平面基底上，可实现几十微米子孔径连续面型微透镜列阵和亚微米特征尺寸衍射光栅的高精度制作，对光互连、集成光学等学科的研究起到极大的推动作用。目前微光学元件已经广泛应用于光束准直、光束匀化、聚焦、分束、光束整形光路中，成为在国防、工业、民用等各种紧凑型光电设备中的元件。
市场上有机光学元件多采用注塑的工艺，已经实现产业化，广泛应用于全息防伪、光电显示等行业。然而有机微光学元件的热稳定性及抗紫外辐照等性能较差，环境适应能力不强，只能应用于照明光功率较小、环境相对温和的领域。而激光器作为光源的系统，只能采用热稳定性好、环境适应性较强的无机材质微光学元件。现有无机微光学元件加工方法是在超大规模集成电路制作技术基础上发展起来的，多采用光刻、刻蚀的工艺，仅能加工硅、石英、锗等晶体材料，对于光学系统中的玻璃材料无能为力，极大限制了微光学系统光学设计的自由度，同时采用单片制作工艺，成本较高，效率较低，很难实现大范围内推广应用。
无机小型光学元件如小型球面、非球面透镜，批量化模压工艺目前已经得到应用，如富士康、乙太光电等企业已经利用模压工艺将低熔点玻璃小球模压成手机摄像头镜头，广泛应用于各种智能手机中。然而由于目前模具多采用钨钢材料，智能用超精密磨削加工的方式制作，现有技术仅能制作出单个有面型表达式的球面或非球面小透镜，对于列阵式、自由曲面、衍射面微光学元件则无能为力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术无法实现列阵化、自由曲面、衍射面等无机微光学元件批量化、高效率、低成本制作的问题，提出一种采用模具制作、模具复制、模具改性、模压复制、外形修饰等工艺流程的无机微光学元件加工方法，可实现任意面型结构、各种低熔点玻璃材料的无机微光学元件批量化制作，为无机微光学元件产业化应用提供一种有效途径。
本发明利用超精密车削、激光直写、光刻、高能束写的方法制作出任意结构的微光学元件模具，然后将该类模具通过热固化、紫外固化、刻蚀传递等复制工艺将微光学元件模具进行复制成为更多高分子材料或晶体材料模具，再将复制的模具通过电铸工艺转换成热力学性能较好镍材质微光学元件模具，并将其镀膜改性，提升耐磨性和热稳定性，接着将改性后的镍模具用于模压制作无机玻璃微光学元件，最后将模压后的微光学元件外形尺寸修饰成设计值便于装调。该方法利用一个模板便可模压复制加工出上千个无机光学元件，是一效率非常高、成本很低的批量化无机微光学元件制作方法，有望推动微光学元件的应用范围，实现微光学元件的产业化。
本发明的技术方案是：采用金刚石车削、激光直写、光刻、聚焦离子束写等工艺在塑料、金属、胶体及晶体等材料上制作2D和3D微光学元件原始图形模具。然后将带有微光学元件图案的原始模具通过热固化、紫外固化、刻蚀传递等复制工艺制作出PDMS、光敏胶、晶体等材质的模具，从而利于模具的保存。再将复制的模具通过电铸工艺转换成热力学性能较好镍材质微光学元件模具，并在镍模具上镀SiC或金刚石性碳膜，改善镍模具表面耐磨性。接着将改性后的镍模具在高温和惰性气体保护氛围中，用于模压制作无机玻璃微光学元件。最后将模压后的微光学元件通过激光切割、砂轮划片或磨边等方法，将微光学元件外形尺寸修饰成设计值。
本发明与现有技术相比，属于全新的微光学元件制作技术，相似的有机微光学元件注塑工艺、无机微光学元件刻蚀工艺及小透镜模压工艺。(1)与有机微光学元件注塑工艺相比，有机注塑温度均在200℃以下，只能用于有机PMMA等材质的制作，。本发明最高能在850℃高温下工作，可以实现无机玻璃微光学元件批量化制作，所制作的元件环境适应性更好。(2)与现有无机微光学元件单片刻蚀工艺相比，可以批量化复制，效率更高，成本更低，产品一致性更好，同时适用材料种类更丰富。(3)与现有小透镜高温模压相比，可以兼容小透镜模压工艺，同时可以实现衍射面、列阵面和自由曲面等特殊结构的批量化制作，适用范围有极大拓展。
附图说明
图1为无机微光学元件批量化制作工艺流程示意图。
图2为超精密车削金属铜列阵微光学元件模具。
图3为超精密车削铝衍射面微光学元件模具。
图4为激光直写光刻胶扇形微光元件模具。
图5为光刻出的微透镜列阵模具。
图6为复制的PDMS材质模具。
图7为复制的光敏胶材质微光学元件模具。
图8为电铸的镍金属模具。
图9为模压的平面结构无机微光学元件。
图10为模压的连续面型列阵微光学元件。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。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，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例一：无机玻璃微柱透镜批量化制作：
(1)利用金刚石车床Y轴切削功能，或飞刀切削功能加工PMMA微柱透镜列阵，微柱透镜深225um，口径1mm，长Y轴运动速度200mm/min，Z轴粗车进给量5～40um每次，精车进给量1～10um每次，粗车X轴进给量5～20um每步，精车X轴进给量1～3um每步。
(2)将金刚石车削的柱透镜列阵原始模具用于PDMS复制，PDMS与固化剂比例10：1，80度真空烘箱烘烤30min。
(3)将PDMS模具通过紫外固化光敏胶复制成光敏胶图形，光敏胶型号NOA68，照明光强10mW/cm2，固话时间15min。
(4)将光敏胶材质微柱透镜列阵模具用于电铸，电铸电流密度不大于5A.h/dm2，电铸板厚度大于2mm，然后利用CVD在镍板有图形面生长50nm厚类金刚石性薄膜。
(5)将镍微柱透镜模具，玻璃基片装配好置于模压机中压片台上，从300℃～600℃逐步升温，再用0.1～0.5MPa压力对装配好的工件施压，保持20s～10min后，逐渐冷却至常温，分离基片和镍微柱透镜模具，此时玻璃基片上以印有微柱透镜。
(6)将玻璃基片微柱透镜列阵利用砂轮切割成为2mm*10mm*1mm大小，并对玻璃切割刃口处打磨圆润。
实施例二：无机微透镜列阵，发明的实施步骤为：
(1)利用激光直写设备在光刻胶直接制作出连续面型微透镜列阵，微透镜列阵口径400um，矢高10um，采用2mm激光直写头，将MATLAB编程得到灰度图形，输入激光直写系统进行连续面型结构加工。
(2)采用等离子体干法刻蚀工艺，利用三氟甲烷和六氟化硫两种气体，刻蚀功率80W～150W，刻蚀8小时。
(3)将干法刻蚀的微透镜列阵模具用于电铸，电铸电流密度不大于5A.h/dm2，电铸板厚度大于2mm，然后利用磁控溅射在镍板有图形面生长50nm厚SiC薄膜。
(4)将镍微透镜列阵模具，玻璃基片装配好置于模压机中压片台上，从300℃～600℃逐步升温，加热采用多站步进式加热，每站保温1～10min，再用0.1～0.5MPa压力对装配好的工件施压，保持20s～10min后，逐渐冷却至常温，分离基片和镍微透镜列阵模具，此时玻璃基片上以印有微透镜。
(5)将玻璃基片微透镜列阵利用砂轮切割成为10mm*10mm*1mm大小，并对玻璃切割刃口处打磨圆润。
实施例三：无机平面衍射光学元件批量制作，发明的实施步骤为：
(1)利用光刻技术，制作特征尺寸10um以下衍射光栅结构，采用涂胶、前烘、曝光、显影的工艺步骤，制作出光刻胶衍射光栅模具。
(2)将光刻胶衍射光栅模具用于电铸，电铸电流密度不大于5A.h/dm2，电铸板厚度大于2mm，然后利用磁控溅射在镍板有图形面生长50nm厚SiC薄膜。
(3)将镍衍射光栅模具，玻璃基片装配好置于模压机中压片台上，从300℃～600℃逐步升温，加热采用多站步进式加热，每站保温1～10min，再用0.1～0.5MPa压力对装配好的工件施压，保持20s～10min后，采用分步式冷却，每步冷却时间20s～10min，直至冷却至常温。分离基片和镍衍射光栅模具，此时玻璃基片上以印有微透镜。
(5)将玻璃基片衍射光栅用激光切割成为10mm*10mm*1mm外形。工出上千个无机光学元件，是一效率非常高、成本很低的。

Claims (1)

1.一种无机微光学元件批量化制作方法，包括模具制作、模具复制、模具改性、模压成形、外形修饰，其特征是该方法工艺步骤如下：
(1)模具制作
主要采用金刚石车削、激光直写、光刻刻蚀、聚焦离子束直写、电子束曝光等技术等技术是吸纳，模具中微光学特征尺寸从100nm到数毫米，面积为1mm～300mm，厚度从0.1mm～100mm。结构形貌包括连续面型、衍射面、平面结构、自由曲面、列阵结构等，模具材料包括光刻胶等胶体材料，有机玻璃等高分子固体材料，铜、金、铝等金属材料，石英、硅等晶体材料，该工艺主要用于生产原始模具；
(2)模具复制
采用光敏胶复制工艺、干法刻蚀复制工艺或热固化复制工艺等软复制工艺、将精密的原始模具进行快速精确地复制在石英、硅、锗、光敏胶、PDMS、PMMA及其他高分子材料上；
(3)模具改性
将通过电铸工艺将复制的高分子塑料模具和晶体模具转移热学性能和机械性能较好的镍材质模具，并在镍材质模具图形表面采用CVD、磁控溅射等方法制作SiC或类金刚石薄膜等热稳定较好的材料，从而改善镍模具的耐磨性能；
(4)模压成形
采用高温模压工艺将改性后的金属模具图案压印至软化的玻璃材质基片上，压印面积为1mm～65mm,压印温度为400℃～800℃，压印可采用单片升温—模压——降温的程序，也可采用多站步进式升温——模压——降温的方式；
(5)外形修饰
采用激光划片、机械砂轮划片和机械磨边等加工方式，将无机微光学元件修饰成设计形状，修饰的后的最终形状科委圆形、方向、多边形等任意形状，外形尺寸误差可达正负0.01mm。
CN201510730477.XA 2015-11-02 2015-11-02 无机微光学元件批量化制作方法 Pending CN105399046A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510730477.XA CN105399046A (zh) 2015-11-02 2015-11-02 无机微光学元件批量化制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510730477.XA CN105399046A (zh) 2015-11-02 2015-11-02 无机微光学元件批量化制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105399046A true CN105399046A (zh) 2016-03-16

Family

ID=55464861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510730477.XA Pending CN105399046A (zh) 2015-11-02 2015-11-02 无机微光学元件批量化制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105399046A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108456869A (zh) * 2018-04-12 2018-08-28 河南机电职业学院 一种手机装饰图案用高耐磨微槽模具及其制备方法
CN110908020A (zh) * 2019-11-27 2020-03-24 瑞声通讯科技(常州)有限公司 整版多穴菲涅尔微结构模具的制作方法
CN111103640A (zh) * 2019-11-27 2020-05-05 瑞声通讯科技(常州)有限公司 菲涅尔透镜金属模具制作方法
CN112897455A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 西安应用光学研究所 一种基于icp刻蚀的连续曲面三维微结构制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1693182A (zh) * 2005-06-09 2005-11-09 西安交通大学 深亚微米三维滚压模具及其制作方法
CN1791558A (zh) * 2003-05-22 2006-06-21 独立行政法人科学技术振兴机构 压制玻璃用模具的制造方法
CN101198903A (zh) * 2005-06-10 2008-06-11 奥贝达克特公司 利用中间印模的图案复制
CN101234744A (zh) * 2007-01-30 2008-08-06 厦门大学 GaAs上微/纳光学元件制备方法
JP2011206981A (ja) * 2010-03-29 2011-10-20 Dainippon Printing Co Ltd ナノインプリントモールドの製造方法、パターン形成体の製造方法、およびナノインプリントモールド
CN102448692A (zh) * 2009-02-17 2012-05-09 伊利诺伊大学评议会 制造微结构的方法
CN103402908A (zh) * 2010-10-13 2013-11-20 马克思-普朗克科学促进协会 在大面积上生产高度有序的纳米柱或纳米孔结构的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1791558A (zh) * 2003-05-22 2006-06-21 独立行政法人科学技术振兴机构 压制玻璃用模具的制造方法
CN1693182A (zh) * 2005-06-09 2005-11-09 西安交通大学 深亚微米三维滚压模具及其制作方法
CN101198903A (zh) * 2005-06-10 2008-06-11 奥贝达克特公司 利用中间印模的图案复制
CN101234744A (zh) * 2007-01-30 2008-08-06 厦门大学 GaAs上微/纳光学元件制备方法
CN102448692A (zh) * 2009-02-17 2012-05-09 伊利诺伊大学评议会 制造微结构的方法
JP2011206981A (ja) * 2010-03-29 2011-10-20 Dainippon Printing Co Ltd ナノインプリントモールドの製造方法、パターン形成体の製造方法、およびナノインプリントモールド
CN103402908A (zh) * 2010-10-13 2013-11-20 马克思-普朗克科学促进协会 在大面积上生产高度有序的纳米柱或纳米孔结构的方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108456869A (zh) * 2018-04-12 2018-08-28 河南机电职业学院 一种手机装饰图案用高耐磨微槽模具及其制备方法
CN110908020A (zh) * 2019-11-27 2020-03-24 瑞声通讯科技(常州)有限公司 整版多穴菲涅尔微结构模具的制作方法
CN111103640A (zh) * 2019-11-27 2020-05-05 瑞声通讯科技(常州)有限公司 菲涅尔透镜金属模具制作方法
CN111103640B (zh) * 2019-11-27 2021-11-12 诚瑞光学(常州)股份有限公司 菲涅尔透镜金属模具制作方法
CN112897455A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 西安应用光学研究所 一种基于icp刻蚀的连续曲面三维微结构制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110304816B (zh) 一种阵列成形逐一切割的玻璃透镜制造方法
CN101221358A (zh) 基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工方法
WO2021017077A1 (zh) 一种近眼显示器衍射光栅波导的制备方法
CN105399046A (zh) 无机微光学元件批量化制作方法
Yin et al. Review of small aspheric glass lens molding technologies
JP4811032B2 (ja) 反射型レプリカ光学素子
CN112630872A (zh) 一种三维微透镜阵列的制备方法
CN110333562B (zh) 一种制作硅透镜的方法
CN109709636A (zh) 一种曲面光栅的加工装置及加工方法
CN103913784A (zh) 一种聚合物微透镜阵列的制备方法
CN105607163B (zh) 一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法
CN100564241C (zh) GaAs上微/纳光学元件制备方法
Meng et al. Ultra-precision machining of polygonal Fresnel lens on roller mold
CN101131538A (zh) 应用热压印技术制作微光学元件的方法
CN112649905B (zh) 一种自由曲面基底的复眼透镜的制备方法
Huang et al. Research on surface quality difference of microlens array fabricated by fast tool servo cutting
Zhou et al. Study on nonisothermal glass molding press for aspherical lens
CN105372734A (zh) 微棱镜反光材料制作方法
CN213648656U (zh) 透镜压印模具及镜头模组
CN111522206B (zh) 一种基于反射式光场增强的微纳光印制造方法
CN108319033A (zh) 一种阵列式光纤准直器
CN102230979B (zh) 批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法
Zhou Precision molding of microstructures on chalcogenide glass for infrared optics
JP2010179586A (ja) 型形成用材料、型材、成形型及び光学レンズ素子製造方法
CN103128516A (zh) 一种非球面玻璃镜片的高精度批量制造技术

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160316

RJ01 Rejection of invention patent application after publication