CN110013218A - 用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器的制造方法，属于动态眼压测量领域，包括：在硅衬底上旋涂光刻胶，显影、定影得到由剩余光刻胶形成的微纳米尺寸图纹；以剩余光刻胶做掩膜，利用干法刻蚀硅衬底，得到纳米尺寸图纹；除去剩余光刻胶，得到硅凹模，将其图纹复制到树脂片；在所述树脂片上喷银，然后进行微电铸，将树脂片上的图纹复制在镍片上，得到镍凹模；将制造隐形眼镜的液态原料或固态毛坯注入镍凹模进行铸压，得到用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器。本发明提供了用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器的产业化制造方法，从而为临床应用与研究提供了产业化基础。

Description

用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于动态眼压测量领域，涉及一种基于光学光栅的软性角膜接触镜，更具体地，涉及一种用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器及其制造方法。

背景技术

眼压升高并伴随有眼压波动引起的视神经损害称之为青光眼，它是全球第一位不可逆性致盲眼病，对人体健康危害很大，其导致视神经的缓慢的不可逆损坏，在发病早期很难检测到。眼压升高并不是青光眼损害的唯一因素，病理性的眼压波动同样在青光眼发展中扮演重要角色，而且表现更为隐蔽。人在一天中眼压的波动难以控制，因此，关注眼压的绝对值升高和眼压的24小时波动，二者相比，后者更为重要。

目前，临床用来检测眼压24小时波动的方法通常采用每2小时测量一次，这种以12个检测点表征24小时的方法不足以充分反映眼压波动的全过程。此外，测量常常需要坐位进行，因此，无法获悉患者在自然生活状态下的真实情况，如：睡眠，运动等。因此，有必要对24小时眼压检测技术进行更多的研究。

现有24小时眼压波动监测技术，包括侵入式测量方法和非侵入式测量方法；侵入式测量是将传感器直接置入眼内，眼压变化导致“LC-谐振回路”电容极片距离变化，由外界接收器捕获整体电路共振频率，反映眼压变化与波动。侵入式测量法虽然可以直接进行测量，但是会对眼球造成不可恢复的损害，通常只用于危重青光眼病人，对普通人群的眼压测量是不适用的。

与侵入式测量方法相比，非侵入式测量方法是通过测量角膜在压力变化下的形变来测量眼压，它能够克服侵入式测量法的缺陷。

CN102098956A公开了一种传感器角膜接触镜及测量方法，在角膜接触镜上制备多组电极，测量电极间的电信号(电阻、电流等)及其变化，得到对应眼压及其变化。但其缺点是重复性不够好，传感器部分输出信号无法解析，监测精度不高，灵敏性不够，难以实现多点测量，输出电信号仅能反应压力波动，不能转化为真实眼压幅值，舒适性差、制造工艺复杂，造价昂贵；导致临床推广受到一定限制。

CN104473615A公开了一种光纤光栅传感器为基础的24小时眼压监测系统，将具有布拉格光栅的光纤包在软性角膜接触镜镜片内，其工作原理是：光纤光栅感受眼部压力引起的应变，导致光栅周期发生变化，从而使光栅反射出来的光波波长发生移动。根据反射波长变化，实现光栅所在点压力测量，进而实现多点测量。光谱法多点角膜形变测量与CN102098956A的眼压测量原理相比具有不可比拟的优势。

由于人的眼睛角膜各区域的厚度不同，眼压变化时，角膜各区域的压力及变化是不同的，而每时刻的眼压是唯一的，CN104473615A只能得到角膜各区域的压力及压力变化信息，没有解析出眼压的信息。

CN107908015A公开了一种基于光学光栅的软性角膜接触镜及其眼压测量方法，由患者佩戴角膜接触镜，再通过依次测量其上各个时刻的衍射光谱，获取光学光栅随时间变化的参数；最后递推计算每个时刻的眼压和每段时间眼压的变化值。该专利虽然给出了光学光栅的结构参数范围，但它没有给出传感器光学光栅的软性角膜接触镜的制造方法，本发明解决现有技术存在的缺陷，以满足临床需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器的制造方法，其目的在于，通过合理的工艺及参数设计，实现用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器的产业化制造，从而满足光学光栅柔性传感器在动态眼压测量领域的临床应用与研究的需求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器的制造方法，包括如下步骤：

(1)光刻步骤：首先在硅衬底上旋涂厚度为30nm～15μm的光刻胶，再对光刻胶进行光刻曝光，显影、定影后在硅衬底上得到由剩余光刻胶形成的线宽为30nm～15μm的微纳米尺寸图纹；

(2)干法刻蚀步骤：以剩余光刻胶做掩膜，利用干法刻蚀硅衬底，在其上得到深度为30nm～15μm，线宽为30nm～15μm的微纳米尺寸图纹；

(3)压印步骤：清洗除去硅衬底上剩余光刻胶，得到具有微纳米尺寸图纹的硅凹模，以其作为模板，利用压印将所述硅凹模的图纹复制到树脂片；

(4)微电铸步骤：在所述树脂片上喷银，然后进行微电铸，将树脂片上的图纹复制在镍片上，得到多个厚度为0.04mm～0.15mm的镍凹模，所述镍凹模上具有深度为30nm～15μm、线宽为30nm～15μm的微纳米尺寸图纹；

(5)模压成型步骤：将制造隐形眼镜的液态原料或固态毛坯注入镍凹模进行铸压，批量得到具有深度为30nm～15μm、线宽为30nm～15μm的用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器。

进一步地，光学光栅的参数Q包括Λ、W、M、H、D、α：

对于平行条纹光栅或环形条纹光栅：Λ-周期、W-线条顶部线宽、M-线条底部线宽、H-槽深、D-槽的底部宽度、α侧壁角，W≤M，Λ＝M+D，0°＜α≤90°；

对于柱状阵列光栅：Λ-周期、W-柱状线条顶部线宽、M-柱状线条底部线宽、H-柱高、D-邻柱底部间距、α侧壁角，W≤M，Λ＝M+D，0°＜α≤90°；

光学光栅的参数Q按照如下设计步骤确定：

S1、按照如下设计目标选取多组光学光栅的参数Q的解：

1)在给定的入射光下，观察到的衍射光谱信号呈高斯形；

2)在给定的入射光下，观察到的衍射光谱信号只存在零级反射和衍射，或只存在其他指定级次的反射和衍射；

S2、对步骤S1获得的多组解分别进行蒙特卡洛模拟，在同样误差条件下，选择包络线内整体光谱曲线最多的一组解作为Q的最优解，即光学光栅的制造参数；以及，对最优解中的各个参数进行灵敏度分析，所述的灵敏度是指光栅衍射光谱特性对各个参数的变化率，光栅衍射光谱特性对某个参数的变化率越大则该参数的灵敏度越高；

在权利要求1所述的制造步骤中，按照步骤S2确定的最优解制备硅凹模，并在制备过程中按照步骤S2确定的灵敏度顺序，优先保证灵敏度高的制造参数的精度。

进一步地，步骤S1中，先初筛出x组Q的解，或初步给出Q的取值范围，然后对初筛出的x组解或Q的取值范围进行数值优化计算，在给定的设计目标内找到多组解{Q}，使得在某个波段内，满足设计目标，所述数值优化计算的方法为遗传算法、总极值法、最小二乘法或平方根法。

进一步地，步骤S1中，将光栅截面视为任意面型，对于任意面型的光栅结构进行建模时，首先对光栅截面进行分层，并将每一层的光栅面型近似为矩形面型，然后采用严格耦合波分析法、有限元法、边界元法或有限时域差分法对各层矩形面型分别建模计算，最后通过电磁场边界条件将各层的计算结果进行关联，并对影响衍射特性的参数进行数值优化计算，在给定的设计目标内找到Q的多组解。

进一步地，所述蒙特卡洛模拟的步骤如下：

对于从Q的多组解中选取的某个解{Q}＝{Λ,W,M,H,D,α}，根据衍射光谱计算函数，模拟Λ、W、M、H、D、α的各项误差，产生服从误差分布3％～10％的随机数和抽样数列；

对于设定的误差范围，在模拟出的衍射光谱分布图中，每一个光谱的分布均对应一组N维的随机生成的变量，则在包含N个光谱的分布中，每个光谱都有一组随机数与之对应，据此可以判断抽样数列中的某组参数对应的光谱是否在预计范围内。

进一步地，基于蒙特卡洛模拟进行允差分析的方法如下：

对于任意一组解，在3％～10％范围内先设定一个较大的误差，产生该误差分布下的随机数和抽样数列，在包含N个参数的分布中，每个光谱都有一组随机数P_a与之对应，在最后的光谱分布中，每一个随机向量P_a对应一组N维的随机生成的变量值P_a＝[Q_a1，Q_a2，…，Q_aN]，以此判断这组参数对应的光谱是否在预计范围内。

进一步地，基于蒙特卡洛模拟进行允差分析的具体步骤如下：

(2.1A)对步骤S1获得的多组光学结构参数的解中的任意一组，在3％～10％范围内先设定一个较大的误差，作为该组解中各参数的误差范围；

(2.1B)从该组解中选取N≤6个光学结构参数，组成一组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}，b＝1，2，…，N；

在步骤(2.1A)给定的误差范围内，独立生成Q₁～Q_N的误差的标准正态分布，每个标准正态分布均包括n个独立随机数，表示n个独立的随机误差，从而获得模拟该组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}的随机误差分布的随机变量P_a：

P_a＝[Q_a1，Q_a2，...，Q_ab,...,Q_aN]，a＝1，2，…，n；b＝1，2，…，N；

其中，Q_ab为第a个随机变量在第b个光学结构参数中对应的独立随机数，表示第b个光学结构参数的独立随机误差；

进而获得该组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}的考虑了随机误差的随机分布矩阵：

{Q_N×n}＝{||Q₁±|Q_a1|||，||Q₂±|Q_a2|||，...，||Q_b±|Q_ab|||,...,||Q_N±|Q_aN|||}

(2.1C)模拟计算衍射光谱分布

对于各个光学结构参数，从{Q_N×n}中独立进行随机抽样，并通过数值模拟计算得出相应的光谱曲线，光谱曲线的个数最大为n^N个；

给定一个判定标准m≤n^N，m为从{Q_N×n}中对各个光学结构参数进行随机抽样的总次数；

每次随机抽样均计算出相应的光谱曲线，并判断抽样次数是否达到m，是则输出数值模拟计算得到的当前解的光谱分布范围，进入步骤(2.1D)；否则重新进行抽样和光谱曲线计算；

(2.1D)对步骤S1获得的多组光学结构参数的解，均按照步骤(2.1A)～(2.1C)获取各自对应的光谱分布范围，每组解对应的光谱分布范围中均会有一个区域内的光谱曲线非常密集，该区域的外围线即该区域的包络线；

在同样误差条件下，选择在包络线内包含光谱曲线数量最多的一组解作为最优解，即用于制备光栅的结构参数。

进一步地，步骤(2.1D)中，若包络线内的光谱曲线数量少于预设值则返回步骤(2.1A)，减小设定误差后继续执行后续步骤，或者增加采样总次数m的值。

进一步地，步骤(5)还包括如下镀膜步骤：

在所述光学光栅柔性传感器的光学光栅表面沉积一层厚度10nm～5μm的光学薄膜，所述光学薄膜材料为金属或非金属，非金属光学薄膜材料的折射率大于所述光学光栅柔性传感器的折射率。

为了实现上述目的，本发明还提供了如前所述的制造方法获得的用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过光刻步骤、干法刻蚀步骤、压印步骤、微电铸步骤、模压成型步骤，实现了光学光栅柔性传感器的产业化制造，从而为临床应用与研究提供了产业化基础，并且，光学光栅的结构参数在光刻步骤中即进行确定。

2、由于从光刻步骤到最后的模压成型步骤还有多个中间步骤，误差会逐步累积，因此需要对误差进行进一步分析，从而提高成品率。针对此问题，本发明基于设计目标，通过蒙特卡洛模拟法进行允差分析，结合灵敏度分析，能够从多组符合设计目标的解中选择在同等误差条件下，有更高的成品率和更低的制造成本的解，用于制备零级衍射光栅，从而能够在实际生产中提高成品率，降低制造成本。

3、基于蒙特卡洛模拟法，对于初步获得的某一组解，在同等误差条件下独立生成各个参数的符合正态分布的随机变量，构建该组解的随机误差矩阵，以模拟实际生产制造过程中可能产生的各种误差，并通过随机抽样生成该组解在实际生产过程中的随机变化的实际结果，进而通过数值模拟计算得到该组解对应的光谱包络范围，其意义在于，包络线内的光谱曲线越多，说明该组解的容错性越强，对误差的容忍度越高，从而成品率越高。因此，通过上述方法获得不同解的光谱范围，并在相同误差条件下对包络线内的光谱曲线数量进行比较，就可以筛选出成品率更高的解。

5、在蒙特卡洛模拟过程中，如果允许的误差范围设计较大，导致难以取得理想的解时，缩小允许的误差范围再重新进行蒙特卡洛模拟，则可以获得理想的解，同时还能够对实际生产时允许的误差范围的设定，提供相应的依据，从而选择能够满足相应误差范围的方法进行光栅制备。

6、引入侧壁角α这一参数，当α＝90°时截面为矩形，当0°＜α＜90°时截面为梯形，从而适用于不同面型的光栅设计；而结合分层建模再通过边界条件进行合并的方式，能够适用于任意面型的光栅设计；在侧壁角α的基础上进行误差分析，则考虑了制造误差对光栅面型的影响，从而解决了现有技术仅以矩形面型进行建模导致的无法兼顾面型制造误差、成品率低、不利于产业应用的问题。

附图说明

图1是本发明优选实施例的设计步骤示意图；

图2是本发明优选实施例的制备步骤示意图；

图3是本发明优选实施例的纳米尺寸图形和光学光栅的结构示意图；

图4是本发明优选实施例所提出的理想的光谱要求曲线；

图5是本发明优选实施例中基于蒙特卡洛模拟的衍射光栅光谱分布范围示意图；

图6是本发明优选实施例中蒙特卡洛模拟的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为便于理解本发明，以下对本发明涉及的概念和术语加以说明：

目前，纳米结构的光学特性建模求解以计算电磁波理论为基础，采用严格耦合波分析(RCWA)法、有限元法(FEM))、边界元法(BEM)、有限时域差分法(FDTD)等方法实现；

严格耦合波分析(RCWA)法可见：

[1]Li L.Use of Fourier series in the analysis of discontinuousperiodic structures[J].Journal of the Optical Society of America A,1996,13(9):1870-1876；

[2]Li L.Formulation and comparison of two recursive matrix algorithmsfor modeling layered diffraction gratings[J].Journal of the Optical Societyof America A,1996,13(5):1024-1035；

[3]Liu S.Y.,Ma Y.,Chen X.G.,and Zhang C.W.,“Estimation of theconvergence order of rigorous coupled-wave analysis for binary gratings inoptical critical dimension metrology,”Opt.Eng.51(8),081504(2012)。

有限元法(FEM))可见：

[4]Bao G,Chen Z M,Wu H J.Adaptive finite-element method fordiffraction gratings[J].Journal of the Optical Society of America A,2005,22(6):1106-1114；

[5]Demésy G,Zolla F,Nicolet A.The finite element method as applied tothe diffraction by an anisotropic grating[J].Optics Express,2007,15(26):18090-18102。

边界元法(BEM)可见：

[6]Nakata Y,Koshiba M.Boundary-element analysis of plane-wavediffraction from groove-type dielectric and metallic gratings[J].Journal ofthe Optical Society of America A,1990,7(8):1494-1502；

[7]Prather D W,Mirotznik M S,Mait J N.Boundary integral methodsapplied to the analysis of diffractive optical elements[J].Journal of theOptical Society of America A,1997,14(1):34-43。

有限时域差分法(FDTD)可见：

[8]Judkins J B,Ziolkowski R W.Finite-difference time-domain modelingof nonperfectly conducting metallic thin-film gratings[J].Journal of theOptical Society of America A,1995,12(9):1974-1983；

[9]Ichikawa H.Electromagnetic analysis of diffraction gratings by thefinite-difference time-domain method[J].Journal of the Optical Society ofAmerica A,1998,15(1):152-157；

[10]Taflove A,Hagness S C.Computational Electrodynamics:The Finite-Difference Time-Domain Method(Third Edition)[M].London:Artech House,2005。

本发明的一个优选实施例如下：

1.结构特征

1.1所述光学光栅制备于软性角膜接触镜镜片上，使得光学光栅与软性角膜接触镜成一体；

1.2所述软性角膜接触镜镜片材料为软性硅水凝胶材料，所述软性硅水凝胶材料为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯或者甲基丙烯酸甘油酯的水合聚合物。

1.3所述软性角膜接触镜镜片材料为软性硅水凝胶材料，以适合人或动物佩戴；所述软性角膜接触镜镜片的形状呈球冠状、直径12mm～18mm、厚度为40μm～110μm，以与患者眼球形状紧密贴合；

1.4所述光学光栅为周期排列的平行条纹或环形条纹，条纹截面为矩形或等腰梯形，线条顶部线宽30nm～15μm、线条底部线宽度30nm～15μm、槽深30nm～15μm，槽的底部宽度30nm～15μm，周期Λ为线条底部线宽与槽的底部宽度之和；

1.5所述光学光栅可以为周期排列的圆柱或棱柱阵列，条纹截面为矩形或等腰梯形，线条顶部直径30nm～15μm、线条底部直径30nm～15μm、柱高30nm～15μm，柱阵列底部间隔30nm～15μm，周期Λ为单个柱底部直径与底部柱间间隔之和；

1.6作为进一步的优化方案，还可以在所述光学光栅上沉积一层厚度10nm～5μm的光学薄膜，以使得光谱仪更容易读出光学光栅反射出来的衍射光谱及特征波长；

所述光学薄膜材料可以是金属或非金属，非金属光学薄膜材料的折射率需大于所述角膜接触镜的折射率。

1.7测量采用的衍射光谱信号可以是对入射光只存在零级反射的衍射光，由于没有高级次衍射波，零级衍射波的衍射效率很高，故应用在可见光波段时，同一观察角度，用肉眼就可很容易的分辨出衍射光的颜色随眼压在变化；因此，如果将光学光栅设计为零级衍射光栅，则可以直接通过肉眼观察颜色变化，判断出眼压的变化；如果是其他级次的衍射光栅，则可以通过光学仪器进行衍射光识别，零级衍射也可以通过光学仪器识别。

1.8测量用的衍射光谱信号也可以是0或1或2级……,或N级(N为整数)。

1.9当采用平行条纹光栅，且条纹截面为矩形时，所述线条顶部线条宽度和底部线条宽度为矩形的水平边边长、槽深为矩形的竖直边边长；当条纹截面为等腰梯形时，所述线条顶部线宽为等腰梯形的顶边边长、线条底部线宽为等腰梯形的底边边长、槽深为等腰梯形的高。

2.设计步骤(如图1)：

为了获得所期望的衍射特性，设计光栅需要做以下工作：

2.1依据严格耦合波分析(RCWA)法、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、有限时域差分法(FDTD)等方法进行计算，这里使用的是其中的耦合波理论；

2.2进一步采用数学优化算法对影响衍射特性的参数进行优化，得到多组参数；

2.3对数学优化计算得到的每组结构进行误差分析：

2.31采用蒙特卡洛模拟，对每组结构进行误允差分析；

2.32对每组结构进行灵敏度分析。

最终选择其中有较大的容差的结构来进行制造，并关注灵敏度的大小，以应用于临床动态眼压测量。

3.制造步骤特征(如图2)：

以可见光的光栅制造为例：

3.1光刻步骤；首先在硅衬底上旋涂厚度为30nm～3μm的光刻胶，再进行光刻曝光在光刻胶上制作光栅结构的微纳米尺寸图形，显影、定影后在硅衬底上得到线宽为30nm～3μm的纳米尺寸图形；

3.2干法刻蚀步骤:以剩余光刻胶做掩膜，利用干法刻蚀硅衬底，在其上得到深度为30nm～3μm,线宽为30nm～3μm的纳米尺寸图纹；

3.3压印步骤:清洗除去硅衬底上剩余光刻胶，得到具有纳米尺寸图纹和微纳尺寸图纹的硅凹模，以其作为模板，利用压印将所述硅凹模的图纹复制到树脂片；

3.4微电铸步骤：在所述树脂片上喷银，然后进行微电铸，将树脂片上的图纹复制在镍片上，得到多个厚度为0.04～0.15mm的镍凹模，所述镍凹模上具有深度为30nm～3μm、线宽为30nm～3μm的微纳米尺寸图纹。

3.5模压成型步骤：将制造隐形眼镜的液态原料或固态毛坯注入凹模进行铸压，批量得到具有深度为30nm～3μm、线宽为30nm～3μm的纳米尺寸图纹隐形眼镜光栅传感器。

基于可见光的光栅制造的隐形眼镜光栅传感器，既可以直接通过肉眼观察衍射光变化获知眼压变化，也可以通过光学仪器检测衍射光变化。在其他实施例中，深度、线宽为3μm以上时则可以将衍射光范围扩展至红外线，通过光学仪器检测其变化。

下面以严格耦合波理论为例，对本实施例进行进一步介绍：

(1)光学特性参量的建模和计算原理

图3是矩形槽亚波长衍射光栅的衍射图,偏振角为δ的偏振光以入射角θ照射到一个槽深为d和周期为Λ的矩形光栅上,为入射面与x轴方向(光栅槽)的夹角(方位角)。

利用RCWA对一维矩形面型光栅进行电磁场建模，将光栅结构分为区域1、区域2和光栅区域这三个区域，如图3所示，自上而下分别为入射/反射区域1，其纵向坐标z﹤0；光栅区域2，其纵向坐标0﹤z﹤H；透射区域3，z﹥H；

矩形光栅的周期为Λ，线条顶部线宽为W，线条底部线宽为M，槽深为H，槽的底部宽度为D，侧壁角为α，即光学结构参数Q为：

Q＝[Λ，W，M，H，D，α]

入射区介电常数为ε₁，透射区介电常数为ε₂,光栅区介电常数为ε(x)，对于任意面形的光栅来说,在光栅区域,光栅区介电常数ε(x)可展开为傅里叶形式：

其中，j为虚数单位，K＝2π/Λ表示光栅的波数，h＝0、±1、±2、…；

其中ε_h是光栅区域相对介电常数的傅里叶展开项第h级次的系数，n₁为区域1的复折射率，n₂为区域2的复折射率，将光栅区域中脊部的复折射率记为n_rd，槽部的复折射率记为n_gr。

将梯形面型分解为多层矩形光栅的拼合结果，如果光栅脊部的折射率为n_rd＝n₂，槽部n_gr＝n₁，则对于每一层矩形光栅，ε_h均具有如下形式：

f为矩形光栅的占空比(即线宽与周期之比)。

上述将光栅区的电场矢量和磁场矢量代入麦克斯韦方程，与各层矩形面型进行拼合的边界条件一起求解，即得到任意面型光栅区各个衍射级次的电磁场振幅，从而得到各个衍射级次的衍射效率DE_ri。

其中，R_s,i，R_p,i，分别为入射光第i级衍射波的s偏振光波反射率和P偏振光反射率，R_xi，R_yi，R_zi分别是电场反射振幅R在直角坐标系三个坐标轴方向的分量；k₀＝2π/λ₀为入射波波数，λ₀为入射光在自由空间中的波长，n₁为区域1的复折射率，θ为入射角，为入射光与光栅主截面所成方位角，k_1,zi表示区域1的第i级衍射波波矢的z分量，k_xi、k_y分别表示第i级衍射波波矢的x、y分量；上述公式中的参数都是由光栅结构及入射光参数决定的，并且其具体数值通过数值代入和数值模拟方式求解，因此，第i级衍射波反射公式的函数关系式可以简写为：

E_ri是函数关系的简写示意。

由于θ,可以根据设计目标预先规定，实际只需要求解Λ,W,M,H,D,α，因此，上式可以进一步简写为DE_ri＝E_ri(Λ,W,M,H,D,α)。

由严格耦合波理论计算得到的结果表明,光栅的各级衍射光谱,即衍射效率随波长变化的曲线具有波峰特性。作为眼压测量用的光栅设计要求就是希望可以设计该波峰的大小、位置和形状。

发生在光栅中的衍射现象需要使用矢量衍射理论来进行分析,其衍射效率与多个因素有关，不同于标量衍射时衍射效率仅依赖于光栅的占空比,而是与许多参数有关，如：入射光区域和光栅区域的介质折射率等材料光学参数，光栅的槽形、深度、顶部和底部线宽等结构形貌参数，以及入射光波长、入射角、方位角、偏振角等测量配置参数。衍射效率DE_ri是一个多变量函数，函数与变量之间是复杂的非线性关系，衍射效率DE_ri不能表达为上述各个参数的显函数(故用E_ri进行简写示意)，但是可以通过代入具体数值进行计算得到衍射效率的数值解。

基于以上和从实际准确完整获取光栅衍射光谱信号考虑，用于测量眼压的光栅，对其理想的衍射光谱信号要求，即设计目标如下：

1)获取反射的光谱信号尽可能呈高斯形，中央主波长衍射效率极大，如图4；图4中，λ₀为峰值波长，T_max为衍射效率的峰值反射率，2Δλ是半峰值反射率对应的波长宽度；

2)衍射光谱信号可以是对入射光只存在零级反射和衍射，也可以是只存在其他指定级次的反射和衍射。

(2)设计优化与计算

依据严格耦合波理论，采用数学优化方法，目的是在给定配置的条件下，例如给定一些解，或只给定各参数的取值范围时，从中找到一组解{Q}，也就是光栅的结构参数，使在给定波段内，满足上边的设计目标，因此需要构建评价函数。

用于计算光栅结构参数的评价函数有多种，常见的有遗传算法、总极值法、最小二乘法及平方根法等，在本发明的一个优选实施例中，采用了平方根型评价函数，使用f(Q)作为评价函数来进行计算：

其中E_rke(λ_k)为在某个波长λ_k下的期望衍射波反射率，E_rkc(λ_k)为在同样的波长下的计算衍射波反射率，当评价函数值越小，表明当前这组参数越接近全局最优解，ω_k为权重因子，0≤ω_k≤1，不同的权重因子能在优化时分清主次，重点优化的值权重因子高，次要优化的值权重因子低；q为正整数，表示波长的数目。

利用评价函数，采用遗传算法等数学优化方法，可以计算出多组满足设计目标的解。

事实上，由于光栅的建模理论早已成熟，步骤(2)中的取值范围一般可以直接根据经验值选取一个较宽的范围，亦或者，直接通过数值模拟的方式给出一个较优的取值范围或多个初步的解，再通过数学优化法进行筛选。该取值范围如何获取及设定，以及如何通过数学优化法筛选满足设计目标的解，并非本发明的重点。本发明的重点在于，如何从理论上满足设计目标的多组解中，选取更适用于实际生产的解并指导生产过程中的误差控制，即后续的允差分析和灵敏度分析步骤。

(3)误差分析：

计算出多组满足设计原则的解后，还需做误差分析，光栅的误差分析，一般需要做两方面工作，一是光栅衍射光谱的灵敏度分析，二是计算模拟光栅结构的允差分析。分析结果对于制定光栅制造工艺，分析光栅衍射光谱保证成品率，选择眼压测量参数有重要的指导意义。

·光栅衍射光谱的灵敏度分析

光栅衍射光谱的灵敏度分析是指光栅衍射光谱特性对各结构参数周期Λ、W、M、H、D、α的变化率 这个概念可以指明哪个参数对误差最敏感，以及用误差的观点来讲哪个参数的变化对衍射光谱影响最大，制备也就要求最苛刻，从测量角度来看，选择较敏感参量，便于实现快速测量。最终选择哪一个参量作为测量的变量，可依据制造的成本、难易程度和测量的要求选取。·光栅衍射光谱的允差分析

光栅衍射光谱结构的允差就是光栅结构参数允许的最大误差，分析光栅的允差是很重要的，为了达到光谱要求，有不同的结构实现这一目标，不同的结构允差的范围也是不同的。这个工作能解决三个问题：一是掌握所设计的某个光栅结构的误差变化与相应光谱变化关系，图5中间的粗黑色实线，是理想的光谱曲线(即无误差情况下的光谱曲线)，上下两侧的细曲线是包络线，包络线的范围由给定的误差确定，也就是说对于给定误差，理想的解的光谱不能在这个包络线之外；二是对于给定的结构采用哪种制备方法最合理，在同样误差条件下，选择合理的制备方法实现更高的成品率；三是当有几种结构都满足特定的光谱要求时，应选择同等误差条件下具有较大容差的设计，使制备出的光栅有更高的成品率。

允差分析的核心思想为：对于每组满足设计目标的光学结构参数，以及设定的误差范围，在最后的光谱分布中，每一个随机向量P_a对应一组N维的随机生成的变量值P_a＝[Q_a1，Q_a2，…，Q_aN]，在包含N个参数的分布中，每个光谱都有一组随机数P_a与之对应，以此判断这组参数对应的光谱是否在预计范围内。

本实施例借助MATLAB软件编制分析程序模拟允差蒙特卡洛模拟分析，利用MATLAB自带函数完成光谱允差分析。具体分析流程是首先在分析程序中输入需要模拟的次数m，并设置光栅结构的统一误差，产生符合正态分布的伪随机数并随机抽样，模拟实际生产制造过程中在允许误差范围内可能出现的实际结果的数列，然后根据光谱计算公式或直接利用MATLAB进行数值模拟，得到每组解的衍射光谱分布曲线，并忽略无法计算衍射光谱分布的解；然后，对比每个包络线内的光谱曲线数量，内部光谱曲线数量最多的包络线对应的解即为最优解，该组解具有较大的容差，成品率最高。如图6所示，具体步骤如下：

(2.1A)每组光学结构参数中，对各参数依次设定相同误差范围3％再进行以下过程：

(2.1B)对于任意一组{Q}＝{Λ,W,M,H,H₀,D,α}，从中选取N≤6个光学结构参数，组成一组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}，b＝1，2，…，N。独立生成Q₁～Q_N的误差的标准正态分布，每个标准正态分布中随机选取n个独立随机数，且该n个独立随机数的均值为零，以模拟光学结构参数中各参数在实际制造时在给定误差范围内可能的误差分布。

比如随机生成一个包含N个独立的标准正态分布的N维随机变量P_a：

P_a＝[Q_a1，Q_a2，...，Q_ab,...,Q_aN]，a＝1，2，…，n；b＝1，2，…，N；

其中，Q_ab为第a个随机变量在第b个光学结构参数中对应的独立随机数，表示第b个光学结构参数的独立随机误差；

进而获得该组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}的考虑了随机误差的随机分布矩阵：

{Q_N×n}＝{||Q₁±|Q_a1|||，||Q₂±|Q_a2|||，...，||Q_b±|Q_ab|||,...,||Q_N±|Q_aN|||}

(2.1C)模拟计算衍射光谱分布

对于各个光学结构参数，从{Q_N×n}中独立进行随机抽样形成N维数列后，通过衍射效率计算公式：DE_ri＝E_ri(Λ,W,M,H,H₀,D,α)或者直接通过数值模拟方式，可以得出相应的光谱曲线。由于有N个参数通过随机取样n次，然后再通过组合得到光谱分布，那么将通过计算取得光谱线的个数最大为n^N个。

给定一个判定标准m≤n^N，m为从{Q_N×n}中对各个光学结构参数进行随机抽样的总次数，同时m也是谱线的个数，m值越大获得的结果越精细，每次抽样均计算出相应的光谱曲线，并判断抽样次数是否达到m，是则得到如图5示意光谱衍射效率分布范围模拟计算结果，进行过程(2.1D)；

否则重新进行抽样和光谱曲线计算；若某次抽样的计算、模拟结果错误或无结果，则自动忽略，直接进行下次抽样。

(2.1D)对步骤1获得的多组光学结构参数的解，均按照步骤(2.1A)～(2.1C)获取各自对应的光谱分布范围，输出模拟计算得到的各组光学结构参数对应的光谱分布范围，在获得的光谱分布范围中会有一个区域内的光谱非常密集，这个区域的外围线即该区域的包络线，根据计算得到的光谱分布范围选择具体结构参数的方法如下：

对多组光学结构参数的光谱分布范围进行比较，在同样误差条件下，选择在包络线内包含光谱曲线数量最多的一组光学结构参数作为制备光栅的结构参数；然后进行子步骤(2.2)。

在其他实施例中，作为步骤(2.1D)进一步的补充，若包络线内的光谱曲线数量少于预设值则返回步骤(2.1A)，扩大设定误差后继续执行后续步骤(例如在误差10％下获得的结果不满意，则缩小误差范围至5％或3％)，或者增加采样总次数m的值，m值越大获得的结果越精细。

步骤(2.1)的意义在于，先给定一个误差范围，然后在给定的误差范围内通过独立生成各个参数制造误差的标准正态分布，能够模拟制造过程中可能出现的随机误差，包络线内的光谱曲线数量越多，说明该组参数在该误差范围下的产品合格率越高；如果所有的解对应的包络线内的光谱曲线数量都比较少，可以调高m的值，最高调至m＝n^N，使结果更加精细；但是若包络线内的光谱曲线数量仍然较少，则说明设定的误差范围可能过于宽松，需要适当缩小允许的误差范围，从而在缩小后的误差范围内选出更适于生产制造的解，即提高制造精度要求，从而提高产品合格率。

(2.2)光栅衍射光谱的灵敏度分析：

光栅衍射光谱的灵敏度分析是指光栅衍射光谱特性对周期Λ、顶部线宽W、底部线宽M、槽深H和所镀薄膜厚度H₀等结构参数的变化率；某个参数变化率越大，该参数对误差越敏感，该参数的变化对衍射光谱影响越大。这个概念可以指明那一个参数对误差最敏感，以及用误差的观点来讲哪个参数的变化对衍射光谱影响最大，制备也就要求最苛刻。

通常可以将该组光学结构参数的反射率函数分别对各参数求偏导，得到各参数变化率：

对光学结构参数中的各参数变化率从大到小排队，制备光栅时优先保证变化率较大，即灵敏度较高的参数的制备精度。

在筛选出最适于生产制造的一组光学结构参数的解之后，再通过上述灵敏度分析，找出其中对误差最敏感的参数，可以指导生产过程中的误差控制，即，生产过程中，应当重点关注误差灵敏度较高的参数的制造环节，对其误差控制要求更高。

最终选择其中有较大的容差和恰当灵敏度的结构，按照图2的流程进行制造，以制备零级衍射光栅。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器的制造方法，其特征在于，包括如下制造步骤：

(1)光刻步骤：首先在硅衬底上旋涂厚度为30nm～15μm的光刻胶，再对光刻胶进行光刻曝光，显影、定影后在硅衬底上得到由剩余光刻胶形成的线宽为30nm～15μm的微纳米尺寸图纹；

(2)干法刻蚀步骤：以剩余光刻胶做掩膜，利用干法刻蚀硅衬底，在其上得到深度为30nm～15μm，线宽为30nm～15μm的微纳米尺寸图纹；

(3)压印步骤：清洗除去硅衬底上剩余光刻胶，得到具有微纳米尺寸图纹的硅凹模，以其作为模板，利用压印将所述硅凹模的图纹复制到树脂片；

(4)微电铸步骤：在所述树脂片上喷银，然后进行微电铸，将树脂片上的图纹复制在镍片上，得到多个厚度为0.04mm～0.15mm的镍凹模，所述镍凹模上具有深度为30nm～15μm、线宽为30nm～15μm的微纳米尺寸图纹；

(5)模压成型步骤：将制造隐形眼镜的液态原料或固态毛坯注入镍凹模进行铸压，批量得到具有深度为30nm～15μm、线宽为30nm～15μm的用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器。

2.如权利要求1所述的一种用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器的制造方法，其特征在于，光学光栅的参数Q包括Λ、W、M、H、D、α：

对于平行条纹光栅或环形条纹光栅：Λ-周期、W-线条顶部线宽、M-线条底部线宽、H-槽深、D-槽的底部宽度、α侧壁角，W≤M，Λ＝M+D，0°＜α≤90°；

对于柱状阵列光栅：Λ-周期、W-柱状线条顶部线宽、M-柱状线条底部线宽、H-柱高、D-邻柱底部间距、α侧壁角，W≤M，Λ＝M+D，0°＜α≤90°；

光学光栅的参数Q按照如下设计步骤确定：

S1、按照如下设计目标选取多组光学光栅的参数Q的解：

1)在给定的入射光下，观察到的衍射光谱信号呈高斯形；

2)在给定的入射光下，观察到的衍射光谱信号只存在零级反射和衍射，或只存在其他指定级次的反射和衍射；

S2、对步骤S1获得的多组解分别进行蒙特卡洛模拟，在同样误差条件下，选择包络线内整体光谱曲线最多的一组解作为Q的最优解，即光学光栅的制造参数；以及，对最优解中的各个参数进行灵敏度分析，所述的灵敏度是指光栅衍射光谱特性对各个参数的变化率，光栅衍射光谱特性对某个参数的变化率越大则该参数的灵敏度越高；

在权利要求1所述的制造步骤中，按照步骤S2确定的最优解制备硅凹模，并在制备过程中按照步骤S2确定的灵敏度顺序，优先保证灵敏度高的制造参数的精度。

3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤S1中，先初筛出x组Q的解，或初步给出Q的取值范围，然后对初筛出的x组解或Q的取值范围进行数值优化计算，在给定的设计目标内找到多组解{Q}，使得在某个波段内，满足设计目标，所述数值优化计算的方法为遗传算法、总极值法、最小二乘法或平方根法。

4.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，步骤S1中，将光栅截面视为任意面型，对于任意面型的光栅结构进行建模时，首先对光栅截面进行分层，并将每一层的光栅面型近似为矩形面型，然后采用严格耦合波分析法、有限元法、边界元法或有限时域差分法对各层矩形面型分别建模计算，最后通过电磁场边界条件将各层的计算结果进行关联，并对影响衍射特性的参数进行数值优化计算，在给定的设计目标内找到Q的多组解。

5.如权利要求2～4任意一项所述的制造方法，其特征在于，所述蒙特卡洛模拟的步骤如下：

对于从Q的多组解中选取的某个解{Q}＝{Λ,W,M,H,D,α}，根据衍射光谱计算函数，模拟Λ、W、M、H、D、α的各项误差，产生服从误差分布3％～10％的随机数和抽样数列；

对于设定的误差范围，在模拟出的衍射光谱分布图中，每一个光谱的分布均对应一组N维的随机生成的变量，则在包含N个光谱的分布中，每个光谱都有一组随机数与之对应，据此可以判断抽样数列中的某组参数对应的光谱是否在预计范围内。

6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，基于蒙特卡洛模拟进行允差分析的方法如下：

对于任意一组解，在3％～10％范围内先设定一个较大的误差，产生该误差分布下的随机数和抽样数列，在包含N个参数的分布中，每个光谱都有一组随机数P_a与之对应，在最后的光谱分布中，每一个随机向量P_a对应一组N维的随机生成的变量值P_a＝[Q_a1，Q_a2，…，Q_aN]，以此判断这组参数对应的光谱是否在预计范围内。

7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，基于蒙特卡洛模拟进行允差分析的具体步骤如下：

(2.1A)对步骤S1获得的多组光学结构参数的解中的任意一组，在3％～10％范围内先设定一个较大的误差，作为该组解中各参数的误差范围；

(2.1B)从该组解中选取N≤6个光学结构参数，组成一组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}，b＝1，2，…，N；

在步骤(2.1A)给定的误差范围内，独立生成Q₁～Q_N的误差的标准正态分布，每个标准正态分布均包括n个独立随机数，表示n个独立的随机误差，从而获得模拟该组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}的随机误差分布的随机变量P_a：

P_a＝[Q_a1，Q_a2，...，Q_ab,...,Q_aN]，a＝1，2，…，n；b＝1，2，…，N；

其中，Q_ab为第a个随机变量在第b个光学结构参数中对应的独立随机数，表示第b个光学结构参数的独立随机误差；

进而获得该组光学结构参数{Q}＝{Q₁，Q₂，...，Q_b,...,Q_N}的考虑了随机误差的随机分布矩阵：

{Q_N×n}＝{||Q₁±|Q_a1|||，||Q₂±|Q_a2|||，...，||Q_b±|Q_ab|||,...,||Q_N±|Q_aN|||}

(2.1C)模拟计算衍射光谱分布

对于各个光学结构参数，从{Q_N×n}中独立进行随机抽样，并通过数值模拟计算得出相应的光谱曲线，光谱曲线的个数最大为n^N个；

给定一个判定标准m≤n^N，m为从{Q_N×n}中对各个光学结构参数进行随机抽样的总次数；

每次随机抽样均计算出相应的光谱曲线，并判断抽样次数是否达到m，是则输出数值模拟计算得到的当前解的光谱分布范围，进入步骤(2.1D)；否则重新进行抽样和光谱曲线计算；

(2.1D)对步骤S1获得的多组光学结构参数的解，均按照步骤(2.1A)～(2.1C)获取各自对应的光谱分布范围，每组解对应的光谱分布范围中均会有一个区域内的光谱曲线非常密集，该区域的外围线即该区域的包络线；

在同样误差条件下，选择在包络线内包含光谱曲线数量最多的一组解作为最优解，即用于制备光栅的结构参数。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，步骤(2.1D)中，若包络线内的光谱曲线数量少于预设值则返回步骤(2.1A)，减小设定误差后继续执行后续步骤，或者增加采样总次数m的值。

9.如权利要求1～4任意一项所述的制造方法，其特征在于，步骤(5)还包括如下镀膜步骤：

在所述光学光栅柔性传感器的光学光栅表面沉积一层厚度10nm～5μm的光学薄膜，所述光学薄膜材料为金属或非金属，非金属光学薄膜材料的折射率大于所述光学光栅柔性传感器的折射率。

10.如权利要求1～9任意一项所述的制造方法获得的用于动态眼压测量的光学光栅柔性传感器。