CN110515148A - 一种阵列微棱镜结构的制作方法 - Google Patents

一种阵列微棱镜结构的制作方法 Download PDF

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Abstract

一种阵列微棱镜结构的制作方法，所述阵列微棱镜结构中，构成阵列的每一个微棱镜单元均相同，所述微棱镜单元的结构由底边长度L和斜边与底边所夹角度a来表示，所述空气的折射率和阵列微棱镜材料的折射率分别用n1和n2表示，经过阵列微棱镜的光线以角度b进入人眼，所述角度b是指光线与y轴的夹角；在传统光刻技术基础上，引入曝光量连续变化配合精密平移机构，实现阵列微棱镜结构的制作。本发明具有可加工斜面、结构精度高、可在线批量制作等优点。

Description

一种阵列微棱镜结构的制作方法
技术领域
本发明涉及微结构光学器件的制作技术，尤其是一种用于眼视光领域的阵列微棱镜结构的制作方法。
背景技术
阵列微棱镜结构属于微结构光学器件中的一种，可以对入射的光线进行偏折。通过阵列微棱镜结构参数的设计，可以人为地连续控制物体成像的位置变化。将这样的阵列微棱镜结构用于眼视光领域，能够起到缓解用眼疲劳的作用。随着个人电脑、平板、手机等电子产品在工作和娱乐中的迅速普及，用眼人群和用眼量呈指数上升，随之而来的眼疲劳现象也凸显出来。长期用眼疲劳得不到缓解，容易引发屈光不正(近视或远视)、弱视、斜视等眼部疾病；或者引起眼干、眼涩等眼部不适症状。当前，用眼疲劳常见于所有用眼人群，但对眼睛处于发育过程中的青少年的影响特别大。筛查数据显示，近年来，我国青少年屈光不正发病率持续飙升，高中阶段近视率最高，超过80％。因此，研制阵列微棱镜结构并将其应用于眼视光领域，缓解用眼疲劳是十分有意义的。
与其他微结构光学器件类似，阵列微棱镜结构的制作首先需要制作符合阵列微棱镜结构参数要求的模板，然后利用模板在光学材料上压印或者注塑完成。目前带有微结构图形的模板制作主要包括精密机械加工和光刻技术两种。机密机械加工方法，比如单点金刚石车削，对于角度小于25度棱角加工极其困难。而光刻技术则无法加工连续斜面结构(比如微棱镜)，只能将斜面细分为一个个微小的矩形台阶进行加工，由于近似程度较大，光学成像性能会受到较大影响。
发明内容
为了克服已有阵列微棱镜结构的制作技术或者加工过程极度困难、或者加工精度难以保证的缺陷和不足，本发明提供一种阵列微棱镜结构的制作方法，在传统光刻技术基础上，引入曝光量连续变化配合精密平移机构，实现阵列微棱镜结构的制作，具有可加工斜面、结构精度高、可在线批量制作等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种阵列微棱镜结构的制作方法，所述阵列微棱镜结构中，构成阵列的每一个微棱镜单元均相同，所述微棱镜单元的结构由底边长度L和斜边与底边所夹角度a来表示，所述空气的折射率和阵列微棱镜材料的折射率分别用n1和n2表示，经过阵列微棱镜的光线以角度b进入人眼，所述角度b是指光线与y轴的夹角；
所述角度a和角度b满足公式(1)：
所述角度b的取值范围是0.1°至6°；
所述底边长度L的取值满足公式(2)：
e-α·L tan a＞85％ (2)
公式(2)中α代表阵列微透镜材料的吸收系数；
所述阵列微棱镜结构的制作方法，包括以下步骤：
1)根据阵列微棱镜结构的参数，制作光刻掩模版备用；
2)在清洁后硅片上涂覆光刻胶；
3)对步骤2)涂覆好的光刻胶进行加热固化；
4)对步骤3)固化后的光刻胶进行曝光，使用步骤1)的光刻掩模版，曝光过程中控制曝光量呈周期性地由大变小，与此同时控制涂覆了光刻胶的硅片匀速平移，平移长度达到阵列微棱镜结构中一个单元的底边长度L时，恰好完成曝光量由大变小的一个周期，然后开始曝光量由大变小的第二个周期，依次类推；曝光量周期变化时，涂敷了光刻胶的硅片始终保持匀速平移运动，直到完成阵列微棱镜结构中最后一个单元的曝光；
5)对经步骤4)曝光的样片进行显影、第二次加热固化；
6)对经步骤5)处理的样片镀膜，镀膜厚度10微米至100微米；
7)对经步骤6)处理的样片进行电铸，电铸厚度1毫米至3毫米；
8)将经步骤7)处理的样片放入光刻胶去胶剂中，去除光刻胶，完成阵列微棱镜结构模板的制作。
9)使用步骤(8)中制作的阵列微棱镜结构模板，制作出阵列微棱镜结构。
进一步，所述步骤2)中，所述光刻胶包括但不限于SU-8光刻胶、聚酰亚胺(PI)光刻胶等。
所述步骤6)中，镀膜材料可以是但不限于银、铜等金属材料。
所述步骤7)中，电铸材料可以是但不限于镍、铝等金属材料或者合金材料。
再进一步，所述步骤9)中，可以采用但不限于热压或者注塑的方法制作出阵列微棱镜结构。
所述步骤9)中，所述阵列微棱镜的材料，选择在可见光波段光学性能良好的光学塑料，包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。
本发明的有益效果主要表现在：发明一种新型阵列微棱镜结构的制作方法，具有可加工斜面、结构精度高、可在线批量制作等优点。
附图说明
图1是本发明一种阵列微棱镜结构的制作方法中阵列微棱镜结构的示意图。
图2是本发明一种阵列微棱镜结构的制作方法中阵列微棱镜结构的截面图。
图3是本发明一种阵列微棱镜结构的制作方法中阵列微棱镜结构的微棱镜单元示意图。其中x和y代表坐标系的横轴与纵轴，L是微棱镜单元的底边长度，a是微棱镜斜边与底边的夹角，n1和n2分别代表空气的折射率和阵列微棱镜材料的折射率，角度b表示经过阵列微棱镜的光线与y轴的夹角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种阵列微棱镜结构的制作方法，所述阵列微棱镜结构中，构成阵列的每一个微棱镜单元均相同，所述微棱镜单元的结构由底边长度L和斜边与底边(x轴)所夹角度a来表示，所述空气的折射率和阵列微棱镜材料的折射率分别用n1和n2表示，经过阵列微棱镜的光线以角度b进入人眼，所述角度b是指光线与y轴的夹角(参见附图3)；
所述角度a和角度b满足公式(1)：
所述角度b的取值范围是0.1°至6°；
所述底边长度L的取值满足公式(2)：
e-α·L tan a＞85％ (2)
公式(2)中α代表阵列微透镜材料的吸收系数；
1)根据阵列微棱镜结构的参数，制作光刻掩模版备用；
2)在清洁后硅片上涂覆光刻胶；
3)对步骤2)涂覆好的光刻胶进行加热固化；
4)对步骤3)固化后的光刻胶进行曝光，使用步骤1)的光刻掩模版，曝光过程中控制曝光量呈周期性地由大变小，与此同时控制涂覆了光刻胶的硅片匀速平移，平移长度达到阵列微棱镜结构中一个单元的底边长度L时，恰好完成曝光量由大变小的一个周期，然后开始曝光量由大变小的第二个周期，依次类推；曝光量周期变化时，涂敷了光刻胶的硅片始终保持匀速平移运动，直到完成阵列微棱镜结构中最后一个单元的曝光；
5)对经步骤4)曝光的样片进行显影、第二次加热固化；
6)对经步骤5)处理的样片镀膜，镀膜厚度10微米至100微米；
7)对经步骤6)处理的样片进行电铸，电铸厚度1毫米至3毫米；
8)将经步骤7)处理的样片放入光刻胶去胶剂中，去除光刻胶，完成阵列微棱镜结构模板的制作。
9)使用步骤(8)中制作的阵列微棱镜结构模板，制作出阵列微棱镜结构。
进一步，所述步骤2)中，所述光刻胶包括但不限于SU-8光刻胶、聚酰亚胺(PI)光刻胶等。
所述步骤6)中，镀膜材料可以是但不限于银、铜等金属材料。
所述步骤7)中，电铸材料可以是但不限于镍、铝等金属材料或者合金材料。
再进一步，所述步骤9)中，可以采用但不限于热压或者注塑的方法制作出阵列微棱镜结构。
所述步骤9)中，所述阵列微棱镜的材料，选择在可见光波段光学性能良好的光学塑料，包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等。

Claims (6)

1.一种阵列微棱镜结构的制作方法，其特征在于，所述阵列微棱镜结构中，构成阵列的每一个微棱镜单元均相同，所述微棱镜单元的结构由底边长度L和斜边与底边所夹角度a来表示，所述空气的折射率和阵列微棱镜材料的折射率分别用n1和n2表示，经过阵列微棱镜的光线以角度b进入人眼，所述角度b是指光线与y轴的夹角；
所述角度a和角度b满足公式(1)：
所述角度b的取值范围是0.1°至6°；
所述底边长度L的取值满足公式(2)：
e-α·L tan a＞85％ (2)
公式(2)中α代表阵列微透镜材料的吸收系数；
1)根据阵列微棱镜结构的参数，制作光刻掩模版备用；
2)在清洁后硅片上涂覆光刻胶；
3)对步骤2)涂覆好的光刻胶进行加热固化；
4)对步骤3)固化后的光刻胶进行曝光，使用步骤1)的光刻掩模版，曝光过程中控制曝光量呈周期性地由大变小，与此同时控制涂覆了光刻胶的硅片匀速平移，平移长度达到阵列微棱镜结构中一个单元的底边长度L时，恰好完成曝光量由大变小的一个周期，然后开始曝光量由大变小的第二个周期，依次类推；曝光量周期变化时，涂敷了光刻胶的硅片始终保持匀速平移运动，直到完成阵列微棱镜结构中最后一个单元的曝光；
5)对经步骤4)曝光的样片进行显影、第二次加热固化；
6)对经步骤5)处理的样片镀膜，镀膜厚度10微米至100微米；
7)对经步骤6)处理的样片进行电铸，电铸厚度1毫米至3毫米；
8)将经步骤7)处理的样片放入光刻胶去胶剂中，去除光刻胶，完成阵列微棱镜结构模板的制作。
9)使用步骤(8)中制作的阵列微棱镜结构模板，制作出阵列微棱镜结构。
2.如权利要求1所述的一种阵列微棱镜结构的制作方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述光刻胶为SU-8光刻胶或聚酰亚胺光刻胶。
3.如权利要求1或2所述的一种阵列微棱镜结构的制作方法，其特征在于，所述步骤6)中，镀膜材料为银或铜。
4.如权利要求1或2所述的一种阵列微棱镜结构的制作方法，其特征在于，所述步骤7)中，电铸材料为镍或铝。
5.如权利要求1或2所述的一种阵列微棱镜结构的制作方法，其特征在于，所述步骤9)中，采用热压或者注塑的方法制作出阵列微棱镜结构。
6.如权利要求1或2所述的一种阵列微棱镜结构的制作方法，其特征在于，所述步骤9)中，所述阵列微棱镜的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。
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