CN110471135A - 制造曲面上微透镜阵列的方法以及包括由所述方法制成的曲面上微透镜阵列的光学装置 - Google Patents

制造曲面上微透镜阵列的方法以及包括由所述方法制成的曲面上微透镜阵列的光学装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在曲面上制造微透镜阵列的方法以及一种包括由所述方法制成的微透镜阵列的光学装置。所述在曲面上制造微透镜阵列的方法，包括：在光学基材的表面形成一个光滑的凹面，测量凹面的形状，根据凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在凹面上，生成每个目标光点的全息相位，形成目标光点阵列的全息相位集合，将全息相位集合加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述目标光点阵列的每个目标光点处并对每个目标光点分别进行烧蚀，形成多个烧蚀区，将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，直到每个烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。

Description

制造曲面上微透镜阵列的方法以及包括由所述方法制成的曲 面上微透镜阵列的光学装置
技术领域
本发明涉及一种制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法以及一种包括由所述方法制成的分布在曲面上的微透镜阵列的光学装置。
背景技术
微透镜由于具有体积小、重量轻、易于集成等优点在众多领域具有广泛的应用，同时，微透镜的广泛应用使得对微透镜的需求量急剧增加，对微透镜的要求越来越高，这就要求微透镜的制备具有足够高的效率和精度，以满足各领域的要求。更进一步地，为了实现复杂的功能，还需要将微透镜进行多样化集成，例如阵列化集成，所述阵列包括二维阵列和三维阵列。
制备微透镜阵列通常采用飞秒激光直写法、热光阻剂回流法、液滴法、多光束干涉法及灰度光刻法等。其中，仅飞秒激光直写法和灰度光刻法适用于硬质材料加工。然而，在硬质材料加工方面，飞秒激光直写法存在效率低、精度差的缺点，不适于制备对表面质量有高要求的微透镜。灰度光刻法的效率和精度都非常高，但是造价昂贵，灵活性较差。
此外，目前还存在飞秒激光单点烧蚀结合湿法腐蚀技术，这是一种能够在硬质材料表面快速制备大面积分布的微透镜阵列的方法。该方法制备效率高、粗糙度低、均一性好，但形成的光学曲面形状单一，只能制备球形凹面的微光学曲面。
发明内容
本发明的目的是克服或减轻现有技术中的技术局限和缺点。
本发明的一个方面提供一种制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法，包括：在光学基材的表面形成一个光滑的凹面，测量所述凹面的形状，根据凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在所述凹面上，生成每个目标光点的全息相位，形成所述目标光点阵列的全息相位集合，将所述全息相位集合加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述目标光点阵列的每个目标光点处并对每个目标光点分别进行烧蚀，形成多个烧蚀区，将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，直到每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。
在一个实施例中，所述全息相位包括所述目标光点的空间坐标和相对能量，其中所述相对能量的取值范围为0.2-1。
在一个实施例中，在光学基材的表面形成一个光滑的凹面的步骤包括：利用飞秒激光对光学基材的表面进行单点烧蚀，然后将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中腐蚀，直到被烧蚀的部分的表面形成光滑的凹面为止。
在一个实施例中，使用扫描电镜测量所述凹面的三维形状，根据所述凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在所述凹面上，其中目标光点阵列的目标光点与所述微透镜阵列的微透镜一一对应。
在一个实施例中，将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中腐蚀，同时还进行超声处理。
在一个实施例中，腐蚀步骤之后还包括多次用去离子水清洗所述光学基材，然后用洗耳球将所述光学基材吹干。
本发明的一个方面提供一种光学装置，包括分布在曲面上的微透镜阵列，所述分布在曲面上的微透镜阵列由根据上述方法制成。
根据本发明的制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法具有如下优点：
(1)与飞秒激光直写技术相比，本发明的制造方法的制备效率和表面质量都得到极大提升，并且保持了制备灵活性，适合于制备任意分布的三维微透镜阵列，包括二维平面分布和三维曲面分布。
(2)与灰度光刻相比，本发明的方法无需掩模板及昂贵的刻蚀设备，极大地降低制造成本，并且能够通过灵活调制三维光点阵列的排布形式，实现灵活调控三维微透镜阵列的排列方式。
(3)与单点激光烧蚀结合湿法腐蚀技术相比，本发明的方法引入三维光点阵列，极大地提升了加工效率，加工效率正比于光点数目，同时提高了光能利用率。
附图说明
图1为本发明的制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法的流程示意图；
图2(a)(b)为本发明的方法在光学基材的表面形成的光滑的凹面俯视图和凹面的剖视图；
图3(a)为本发明的方法设定的目标光点阵列的目标光点在凹面的不同深度的俯视剖面中的排布图片，其中，(1)-(4)分别对应深度为12.2μm、10.2μm、6.8μm和2.1μm处的目标光点；
图3(b)为本发明的方法设定的目标光点阵列的目标光点聚焦烧蚀后形成的烧蚀点在凹面的侧视剖面中的排布图片；
图4为本发明的方法中调制后的飞秒激光聚焦于设定目标光点阵列并执行烧蚀后的凹面的俯视图；
图5(a)(b)为本发明的方法中被腐蚀后形成的微透镜阵列的俯视图和侧视剖面图；以及
图6为本发明的方法制造的包括分布在曲面上的微透镜阵列的透镜的成像图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
根据本发明的总体构思，提供一种制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法，包括：在光学基材的表面形成一个光滑的凹面，测量所述凹面的形状，根据凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在所述凹面上，生成每个目标光点的全息相位，形成所述目标光点阵列的全息相位集合，将所述全息相位集合加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述目标光点阵列的每个目标光点处并对每个目标光点分别进行烧蚀，形成多个烧蚀区，将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，直到每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。
另外，在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或更多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
图1为本发明的制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法的流程示意图。由图1可知，制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法，其流程为先利用单脉冲烧蚀+腐蚀得到所需大尺寸的凹球面型曲面，然后再利用三维光点阵列对曲面进行三维并行烧蚀，最终再次腐蚀得到所需位于曲面的微透镜阵列结构。如图1所示，本发明的制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法，包括：首先，在光学基材的表面形成一个光滑的凹面，具体为利用飞秒激光对光学基材的表面进行单点烧蚀，然后将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中腐蚀，直到被烧蚀的部分的表面形成光滑的凹面为止。
其中，所用光学基材为石英片100，型号为JGS1，尺寸为5mm ×5mm×0.5mm，使用的物镜的放大倍数为20-50，飞秒激光波长为 514-810nm，单脉冲能量为1-5μJ；首先利用物镜将一个大脉冲能量的飞秒激光聚焦到石英片表面的待加工位置111，并进行单脉冲烧蚀；然后，烧蚀后的石英片置于氢氟酸溶液中腐蚀，所用氢氟酸溶液体积浓度为20-60％，所用时间为90-300min，温度为18-50℃，烧蚀区域逐渐被腐蚀成具有较光滑表面的凹球面110，其中凹面110 的直径为17.5-84.1μm，深度为12.8-14.0μm。
可选地，腐蚀步骤之后还包括多次用去离子水清洗石英片，然后用洗耳球将所述光学基材吹干。在一个实施例中，使用去离子水将石英片清洗5-10次。
图2(a)(b)为本发明的方法在光学基材的表面形成的光滑的凹面俯视图和凹面的剖视图。
测量所述凹面的形状，根据凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在所述凹面上，生成每个目标光点的全息相位，形成所述目标光点阵列的全息相位集合，所述全息相位包括所述目标光点的空间坐标和相对能量，其中所述相对能量的取值范围为0.2-1。
在一个实施例中，使用扫描电镜测量所述凹面的三维形状，根据所述凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在所述凹面上，其中目标光点阵列的目标光点与所述微透镜阵列的微透镜一一对应。
图3(a)为本发明的方法设定的目标光点阵列的目标光点在凹面的不同深度的俯视剖面中的排布图片，其中，(1)-(4)分别对应深度为12.2μm、10.2μm、6.8μm和2.1μm处的目标光点121。图 3(b)本发明的方法设定的目标光点阵列的目标光点聚焦烧蚀后形成的烧蚀点在凹面110的侧视剖面中的排布图片。
具体步骤为，需生成的目标光点的数目为37-91，生成的全息相位的深度为8位，具有256个灰度值，分辨率为1024×1024；首先，利用激光共聚焦扫描显微镜形成的凹面进行扫描，获取石英片的侧向剖面轮廓曲线(即沿石英片的凹面沿深度剖开的剖面)；然后，从该侧向剖面的轮廓曲线底部的最低点开始，在轮廓曲线上左右对称地、等间隔(所述等间隔表示仅仅沿侧向剖面中的水平方向等间隔) 取点，如图3(b)所示，取点个数为1+2n个，3≤n≤5，取点间隔为ΔX＝10-30μm，然后，在这些点所在的深度处的俯视剖面上，以最低点在该剖面的投影为圆心，以这些点与所述投影之间的距离为半径画圆，获得处于不同深度的相互平行的n个同心圆；随后，分别在n个同心圆的圆周上沿圆周方向等间距地取点6m个(m＝1,2，…，n)，如此完成取点，如图3(a)所示。然后计算各点的坐标，最终得到包含圆心的1+3n(n+1)个点的坐标，即为所需三维目标光点阵列的空间位置坐标；将这些目标光点的三维坐标写入TXT文件，并在每一个坐标后面加上“1”,表示所有光点的相对能量都相等，坐标与光点能量、坐标与坐标之间均以逗号分隔开；最后，将包含光点阵列坐标的TXT文件导入matlab，并使用ORA 算法进行迭代计算，迭代次数为5-10000次，直至满足精度要求 99％-99.9％，从而得到所需的三维光点阵列对应的全息相位集合。
由图3(a)可知，飞秒激光经过光场调制后的形成三维光点阵列，除了中心光点外，这些光点呈5个同心圆排布。利用扫描电子显微镜的照相机从不同深度位置观察了4个同心圆，可依次看到每个同心圆上等间距分布的光点。从图3(1)-(4)，分别可以清楚观察到由内向外第一同心圆(包含6个光点)、第二同心圆(包含12个光点)、第三同心圆(包含18个光点)和第四同心圆(包含24个光点)。这些光点构成了沿待加工曲面表面分布的三维目标光点阵列，经由单次 (单脉冲)烧蚀即可完成整个微透镜阵列的烧蚀，比起现有技术的逐点多次烧蚀，大大提高了加工效率。
将所述全息相位集合加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述目标光点阵列的每个目标光点处并对每个目标光点分别进行烧蚀，形成多个烧蚀区。
图4为本发明的方法中调制后的飞秒激光聚焦于设定目标光点阵列并执行烧蚀后的凹面的俯视图。
从图中可以看出，利用光场调制形成的三维光点阵列，对待加工曲面进行单次烧蚀(即三维并行烧蚀)。由于三维光点阵列的空间排布与曲面轮廓严丝合缝，因此烧蚀后在曲面上形成了与三维光点阵列一一对应的烧蚀点，这些烧蚀点经由后续腐蚀即可形成高填充率的微透镜阵列结构。这说明本发明提供的方法相较于现有技术，对于微透镜阵列结构具有更高的设计性和可控性。
其中，飞秒激光波长为514-810nm，单脉冲能量为10-30μJ；物镜的放大倍数为50-100，数据孔径为0.6-0.9；所用激光的重复频率为10Hz-10KHz，烧蚀时间为1-1000ms。
在一个实施例中，所用飞秒激光波长为514nm，单脉冲能量为 10μJ；物镜的放大倍数为100，数据孔径为0.6；所用激光的重复频率为10Hz，烧蚀时间为1000ms。
具体步骤为：使激光器出来的飞秒激光光束依次经过焦点距为 -50mm和250mm的透镜，光束直径放大至原来的五倍，使得其能够完全覆盖空间光调制器(LC-SLM)的液晶面板，提高液晶像素的利用率；然后，生成的全息相位加载到LC-SLM上，放大之后的光束经LC-SLM反射之后，其相位由原先的相位转化为所需三维光点阵列对应的相位，即相位调制；随后，使调制之后的光束依次经过焦距为400nm和300nm的透镜到达物镜的入瞳处，此时的光束缩小至原来的75％，使得光能够完全进入透镜，完全利用激光能量；接着，光束进入物镜，经过物镜之后，在物镜焦平面附近形成所需三维光点阵列，其中中心光点即为零级光；将形成有凹面的石英片固定在平台上，并使凹面正对着光入射的方向，并移动固定平台，将凹面和三维目标光点阵列进行位置对准，具体为：位置对准过程中，通过CCD观察三维目标光点阵列中的中心光点及凹面的位置，移动平台使得中心光点的坐标与凹面底部中心点坐标重合，即完成对准；最后，打开光闸烧蚀，在凹面上制备三维烧蚀点阵列。
完成三维并行烧蚀后，将形成有多个烧蚀点的石英片置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，使得烧蚀点阵列变成具有较光滑表面三维微透镜阵列。
其中，氢氟酸溶液浓度为10-40％，腐蚀时间为30-50min，温度为18-30℃。
腐蚀完成后，将石英片取出，利用去离子水清洗5-10次，并用洗耳球吹干，即实现了三维微透镜阵列制备。
图5(a)为本发明的方法中被腐蚀后形成的微透镜阵列的俯视图；图5(b)为本发明的方法中被腐蚀后形成的微透镜阵列的侧视剖面图。从这些图中可以看出，待加工曲面经过三维并行烧蚀并结合腐蚀，最终可形成具有高填充率的高质量微透镜阵列结构，说明本发明的方法在大大提高了加工效率的同时保证了高加工质量。
针对现有技术的不足，本发明提供一种制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法。在任意曲面上设置三维目标光点阵列进行三维并行烧蚀，再结合湿法腐蚀技术，实现任意曲面上三维微透镜阵列的制备。在三维并行烧蚀中，根据曲面轮廓，利用空间光场调制技术将飞秒激光调制成三维目标光点阵列，与曲面进行对准之后，进行三维并行烧蚀；随后，将烧蚀的光学基材置于一定浓度的氢氟酸中，一定温度下处理一段时间之后，三维烧蚀点阵列演变成三维微透镜阵列。本发明的方法结合了三维光场调制和湿法腐蚀技术，在保证微透镜表面质量的同时，兼顾了加工效率、加工灵活性，解决了现有技术中任意曲面三维微透镜阵列的制备难题。
本发明还提供了一种光学装置，包括分布在曲面上的微透镜阵列，其中，分布在曲面上的微透镜阵列由上述方法制成。
图6为本发明的方法制造的微透镜阵列的成像图。由图6可知，利用本发明的方法在大尺寸凹面上加工出的微透镜阵列，其由于具有高加工质量(较高的表面光滑度和高填充率)，具有较高的成像质量，阵列中每个微透镜都能成较清晰的像。其中，由于光源与透镜的相对位置不同，每个微透镜的成像效果具有差别，在本实施例中，位于中心区的透镜所成的像比位于边缘的微透镜所成的像更加清晰。但这并不绝对，微透镜在凹面中所处的深度是影响成像清晰度的一个因素。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (7)

1.一种制造分布在曲面上的微透镜阵列的方法，包括：
在光学基材的表面形成一个光滑的凹面，
测量所述凹面的形状，根据凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在所述凹面上，生成每个目标光点的全息相位，形成所述目标光点阵列的全息相位集合，
将所述全息相位集合加载至空间光调制器后对飞秒激光进行调制，然后将被调制后的飞秒激光通过多个透镜分别聚焦于所述目标光点阵列的每个目标光点处并对每个目标光点分别进行烧蚀，形成多个烧蚀区，
将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中进行腐蚀，直到每个所述烧蚀区的表面形状变成光滑的凹面为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述全息相位包括所述目标光点的空间坐标和相对能量，其中所述相对能量的取值范围为0.2-1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
在光学基材的表面形成一个光滑的凹面的步骤包括：利用飞秒激光对光学基材的表面进行单点烧蚀，然后将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中腐蚀，直到被烧蚀的部分的表面形成光滑的凹面为止。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
使用扫描电镜测量所述凹面的三维形状，根据所述凹面的形状设定目标光点阵列，使得目标光点阵列的每个目标光点都定位在所述凹面上，其中目标光点阵列的目标光点与所述微透镜阵列的微透镜一一对应。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其中，
将烧蚀后的光学基材置于氢氟酸溶液中腐蚀，同时还进行超声处理。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其中，
腐蚀步骤之后还包括多次用去离子水清洗所述光学基材，然后用洗耳球将所述光学基材吹干。
7.一种光学装置，包括分布在曲面上的微透镜阵列，所述分布在曲面上的微透镜阵列由根据权利要求1-6中任一项所述的方法制成。
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