CN106226851B - 一种微透镜阵列和其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微透镜阵列和其制造方法，包括：在光学材料的衬底基板上形成金属膜；利用机械加工工艺使所述金属膜上形成对应微透镜阵列的图案；以形成有所述图案的所述金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述光学材料的衬底基板上形成与所述图案对应的微透镜阵列。本发明还公开相应的微透镜阵列。

Description

一种微透镜阵列和其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微透镜阵列和其制造方法。

背景技术

目前，玻璃表面微透镜阵列一般采用二元光学技术、微/纳光学元件直写技术或机械加工方法获得。

二元光学技术是利用曝光和刻蚀的方法，在光学玻璃等材料为基底的光刻胶掩膜上形成平面图形，再通过刻蚀技术将曝光形成的图形转移到光学材料基底上。该方法制造三维结构的关键在于需要制作多相位台阶面型以不断逼近连续光学表面面型，并需要克服多次套刻过程中在已有图形的基片上再制作图形所引起的对准问题，不足之处在于加工工艺步骤复杂。

直写技术则是基于“点扫描”的制造技术，利用高密度能量束流实现三维微结构的制造。该方法避免了二元光学方法复杂的加工步骤，但缺点在于逐点加工方法的加工速度缓慢，成本高、效率低。

采用超精密切削技术加工光学材料表面微结构阵列。利用金刚石刀具等对玻璃材料进行切削去除，通过机床的插补，形成表面微结构阵列形貌。该技术能加工高精度、光滑的复杂曲面，但存在着加工脆硬性光学玻璃等材料时，因刀具磨损严重而导致的加工精度和加工质量下降的问题，所加工出的光学器件也易出现微结构损伤、裂缝等缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微透镜阵列和其制造方法，以力图解决或者至少缓解上面存在的问题。

第一方面，本发明提供一种微透镜阵列的制备方法，包括：

在光学材料的衬底基板上形成金属膜；

利用机械加工工艺使所述金属膜上形成对应微透镜阵列的图案；

以形成有所述图案的所述金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述光学材料的衬底基板上形成与所述图案对应的微透镜阵列。

可选地，在根据本发明的方法中，所述在光学材料的衬底基板上形成金属膜，包括：

利用物理镀工艺或化学镀工艺在所述光学材料的衬底基板上形成所述金属膜。

可选地，在根据本发明的方法中，所述利用机械加工工艺使所述金属膜上形成对应微透镜阵列的图案，包括：

利用切削加工方法或铣削加工方法使所述金属膜上形成对应微透镜阵列的图案。

可选地，在根据本发明的方法中，所述以形成有所述图案的所述金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述光学材料的衬底基板上形成与所述图案对应的微透镜阵列，包括：

以形成有所述图案的所述金属膜为掩膜板，利用干法刻蚀方法或湿法刻蚀方法在所述光学材料的衬底基板上形成与所述图案对应的微透镜阵列。

可选地，在根据本发明的方法中，所述干法刻蚀方法包括物理性刻蚀方法和化学性刻蚀方法。

可选地，在根据本发明的方法中，所述光学材料的衬底基板包括玻璃、石英和蓝宝石其中之一。

可选地，在根据本发明的方法中，所述金属膜的材料包括铜、铝和镍其中之一。

可选地，在根据本发明的方法中，所述金属膜的厚度为100微米到500微米。

第二方面，本发明提供一种微透镜阵列，采用如上的方法制备，所述微透镜阵列包括光学材料的衬底基板和形成于所述光学材料的衬底基板上的微透镜阵列。

可选地，在根据本发明的微透镜阵列中，所述光学材料的衬底基板包括玻璃、石英和蓝宝石其中之一。

根据本发明的技术方案，采用机械工艺与刻蚀工艺相结合的方式，降低了加工工艺难度，减少了加工周期，提高了加工精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种微透镜阵列的制造方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种电镀工艺原理的示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种微透镜阵列对应图案的示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的铣削加工工艺的示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的微透镜阵列的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了根据本发明实施例所提供的一种微透镜阵列的制造方法的流程图。如图1所示，该方法始于步骤S110。

在步骤S110中，在光学材料的衬底基板上形成金属膜。

光学材料的衬底基板可以为玻璃、石英和蓝宝石其中之一，但不限于上述几种材料。所有可以作为光学材料的衬底基板的材料都在本发明的保护范围内。

金属膜的材料可以为铜、铝和镍其中之一，金属膜的厚度为100微米到500微米。此处应当理解，金属膜的材料不限于上述两种材料，所有可以形成金属膜的材料都在本发明的保护范围内，在实际应用中，应根据具体情况确定。

利用物理镀工艺、化学镀工艺、喷涂工艺中任意一种在光学材料的所述光学材料的衬底基板上形成金属膜。

物理镀工艺是采用物理的方式沉积薄膜，物理方式可以为真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等。真空蒸镀是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后凝结在相对温度较低的基板表面上。常用的基板为硬质材料、塑料薄膜或纸张，也可以是金属、陶瓷、合成树脂、蜡、木材、玻璃等制品。溅射镀膜是用荷能离子(通常为Ar⁺)轰击靶材料表面，使靶材料的原子或分子从其表射出，然后沉积在基板表面。离子镀是在溅射镀膜的基础上，加上了高压源，基板为阴极，镀料原子被电离后沉积在基板上。

化学镀工艺中常用的为电镀工艺和化学浸镀。电镀工艺的原理可参考图2，电镀工艺中基材一般包括金属和非金属，金属可以为铸铁、不锈钢、合金钢等，非金属一般在电镀前通过化学镀在其表面沉积一层金属，使其具有导电性，然后再进行电镀加厚。具体的操作过程为：除油—水洗—浸蚀(活化)—水洗—电镀—水洗—钝化—水洗—烘干。而化学浸镀工艺是在PH>11的碱性环境中，甲醛与铜离子发生氧化还原反应，反应式为：Cu²⁺+2HCHO+4OH^-＝Cu+2HCOO^-+2H₂O+H₂↑，具体的操作过程为：除油—水洗-浸蚀(活化)-水洗-预浸-活化-解胶-水洗-化学浸镀。其次，还可以通过电刷镀在电镀的基础上，增加待镀工件与电镀刷之间的相对运动，提高电镀速度。

喷涂工艺是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在模具表面。由于在喷涂过程中模具与氧气接触会发生氧化，可以采用真空喷涂。也可以采用喷涂工艺和激光熔覆工艺相结合的方式，通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成熔覆层，一次熔覆厚度就能达到0.5mm左右。

不过应当理解，形成金属膜的方式不限于上述几种方式，所有可以形成金属膜的方式都在本发明的保护范围内。

在步骤S120中，利用机械加工工艺使所述金属膜上形成对应微透镜阵列的图案。

微透镜是一种微结构功能表面，它是指微小透镜，直径一般为l0μm到lmm级，在基板上，由这些微小透镜按一定的位置和形状排列形成的阵列叫做微透镜阵列；从光子学范畴来确定微透镜范围很广泛，包含直径可达几毫米的透镜，微透镜阵列数目从几百到上千个，多至几万个；相对于传统透镜，微透镜阵列具有集成程度高、单元尺寸小的特点，它能构成许多新型的光学系统，拥有传统透镜不能实现的功能；在微透镜阵列中，其中单个微透镜形状一般有正方形、六边形和半球形等形状。图3为典型的微透镜阵列。微透镜阵列具有非常高的衍射效率、特有的色散性能、广泛的选材性、更广的设计自由以及特有的光学性能。

机械加工工艺可以为切削加工方法或铣削加工方法中的一种。不过应当理解，上述两种方法仅仅是示意性的，所有可以在金属膜上形成对应微透镜阵列的图案的方法都在本发明的保护范围内。

切削加工方法是用刀具从工件如金属膜上切除多余材料，从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件的加工过程。实现这一切削过程必须具备三个条件：工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动；刀具材料必须具备一定的切削性能；刀具必须具有适当的几何参数，即切削角度等。

铣削加工方法是以铣刀作为刀具加工物体表面的一种机械加工方法。本发明通过金刚石球头铣刀在金属膜铣削出微透镜阵列。微透镜阵列的加工过程是由球头铣刀围绕主轴中心的旋转运动和球头铣刀分别沿着X轴、Y轴和Z轴的进给运动共同完成的。每一个球形腔阵点的加工过程为:主轴以转速n旋转带动刀具旋转，同时以V_fz的速度沿着Z方向进给。切削刃碰到工件以后进行铣削加工，即圆弧刃沿着主轴旋转一转形成的表面就是加工的球形腔的内部表面。设所加工的球形腔的最大圆截面半径为r，球头铣刀的半径为R，则球形腔的铣削深度h满足如下关系式：

当一个球形腔阵点加工完成之后，刀具沿着X轴或Y轴进给，移动一个阵点之间的间距，然后进行下一个阵点的加工。重复以上过程，一直到阵列加工完成。具体可参考图4。

在步骤S130中，以形成有所述图案的所述金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述光学材料的衬底基板上形成与所述图案对应的微透镜阵列。

本发明中的构图工艺可以为干法刻蚀方法或湿法刻蚀方法中一种，具体应以实际情况为准，此处仅仅是示意性的。

刻蚀是用化学或物理方法有选择地从基底表面去除不需要的材料，在基底上复制所需图形的工艺步骤。干法刻蚀方法可分为物理性刻蚀与化学性刻蚀两种方式。

物理性刻蚀是利用辉光放电将气体(如氩)电离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被刻蚀物的表面而将被刻蚀物的原子击出，该过程完全是物理上的能量转移，故称为物理性刻蚀。其特色在于，具有非常好的方向性，可获得接近垂直的刻蚀轮廓。

化学性刻蚀或称为等离子体刻蚀，是利用等离子体将刻蚀气体电离并形成带电离子、分子及反应性很强的原子团，它们扩散到被刻蚀薄膜表面后与被刻蚀薄膜的表面原子反应生成具有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种反应完全利用化学反应，故称为化学性刻蚀。这种刻蚀方式与前面所讲的湿法刻蚀类似，只是反应物与产物的状态从液态改为气态，并以等离子体来加快反应速率。

具体地，在等离子体刻蚀工艺中，首先通过曝光显影工艺在硅晶片表面形成具有图案的掩膜。接着再把这种待加工的硅晶片放置到具有化学活性的低温等离子体中，进行等离子体刻蚀。这种具有化学活性的等离子体通常是由氯气或碳氟气体放电产生的，它不仅含有电子和离子，还含有大量的活性自由基。这些活性基团沉积到裸露的硅晶片上时，与硅原子相互结合而形成挥发性的氯化硅或氟化硅分子，从而对晶片进行刻蚀。

在一个实施例，实验中采用CHF₃作为刻蚀气体，对SiO₂基片进行刻蚀加工。当反应室中通入CHF₃时，在辉光放电中发生化学反应为

生成的F原子到达SiO₂表面时，发生的反应为：

SiO₂+4F→SiF₄↑+O₂↑

SiO₂分解出来的氧离子在高压情况下与CHF₂基团反应，生成CO↑、CO₂↑、H₂O↑、OF↑等多种挥发性气体，并通过抽气系统将生成的气体抽离反应腔体，完成对SiO₂刻蚀。

不过应当理解，本发明中的实施例仅仅是示意性的，本发明不受实施例的限制。

本发明还公开了一种微透镜阵列可参考图5，采用如上所述的方法制备，微透镜阵列包括光学材料的衬底基板和形成于所述光学材料的衬底基板上的微透镜阵列。光学材料的衬底基板包括玻璃、石英和蓝宝石其中之一。上文中已对光学材料的衬底基板进行详细的解释，此处不再进行过多说明。

根据本发明的技术方案，采用机械工艺与刻蚀工艺相结合的方式，降低了加工工艺，减少了加工周期，提高了加工精度。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括：

利用物理镀工艺或化学镀工艺在光学材料的衬底基板上形成厚度为100微米到500微米的金属膜，所述金属膜为铜、铝或镍；所述光学材料的衬底基板包括玻璃、石英和蓝宝石其中之一；

利用刀具在所述金属膜上切削加工形成微透镜阵列的图案；所述切削为铣削；

以形成有所述图案的所述金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述光学材料的衬底基板上形成与所述图案对应的微透镜阵列，包括：

以形成有所述图案的所述金属膜为掩膜板，利用干法刻蚀方法在所述光学材料的衬底基板上形成与所述图案对应的微透镜阵列。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干法刻蚀方法包括物理性刻蚀方法和化学性刻蚀方法。

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