CN111965739A - 一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法 - Google Patents

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杜俊峰
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Abstract

本发明公开了一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法，首先，利用接触式曝光和显影技术在平面基底上制备下层圆柱体光刻胶阵列结构；然后，利用对准标记套刻技术辅助上层结构进行确定性曝光，显影后实现同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构的制备；最后，利用高温热回流方法使圆柱体光刻胶结构热熔成球冠状结构，同时并行使用低温气体吹拂基片表面进行冷却辅助，避免了双层圆柱体光刻胶结构热熔成单个球冠状结构，从而制备出双层球冠状结构，冷却后即可获得双焦距微透镜阵列结构。本发明原理简单易行，实现了双焦距微透镜阵列结构的简便制备；并且，通过改变掩膜图形设计和工艺参数，可以获得具有不同微结构尺寸和焦距的双焦距微透镜阵列结构。

Description

一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法。
背景技术
微透镜阵列结构具有区别于传统折射透镜的很多特性，包括：厚度仅为微米量级、可将入射波面分成若干个区域、生成的光束具有阵列性等。近年来，被广泛地应用于激光光束整形技术、仿生复眼系统、光纤耦合系统、光场相机、3D立体显示等领域。
具有两个光学会聚焦点距离的双焦距微透镜阵列结构，是对传统微透镜阵列结构的变形，它的结构特征可以简单地描述为：周期相同的小口径微透镜阵列与大口径微透镜阵列结构的几何叠加。这种特殊的微结构在很多前沿研究领域具有潜在的应用价值，如：运动物体实时捕捉和定位、三维重建、多景深成像等领域。现阶段，已报导的双焦距微透镜阵列结构制备方法包括：飞秒激光加工辅助湿法腐蚀技术、移动掩膜曝光技术等。但是，上述方法采用的加工技术均工艺复杂、技术门槛较高，无法实现双焦距微透镜阵列结构的简便制备。
以上因素限制了具有两个焦距的微透镜阵列结构在光学领域的发展和广泛应用，因此，亟待提出一种技术原理简单易行、制作效率高、加工成本低的双焦距微透镜阵列结构的制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法：首先，利用接触式曝光和显影技术在平面基底上制备下层圆柱体光刻胶阵列结构；然后，利用对准标记套刻技术辅助上层结构进行确定性曝光，显影后实现同轴双层圆柱体(下层直径大，上层直径小)光刻胶阵列结构的制备；最后，利用高温热回流方法使圆柱体光刻胶结构热熔成球冠状结构，同时并行使用低温气体吹拂基片表面进行冷却辅助，避免了双层圆柱体光刻胶结构热熔成单个球冠状结构，从而制备出双层球冠状结构(下层底面直径大，上层底面直径小)，冷却后即可获得双焦距微透镜阵列结构。与现有加工方法相比，本发明提出的制备方法技术原理简单易行，实现了双焦距微透镜阵列结构的简便制备；并且，通过改变掩膜图形设计和工艺参数，可以获得具有不同微结构尺寸和焦距的双焦距微透镜阵列结构。
本发明通过以下技术方案进行实施：一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法，包括以下步骤：
步骤1、取一块表面平整的基板，将基板表面清洗干净；
步骤2、在基底表面均匀涂覆一层光刻胶，并进行低温预烘烤；
步骤3、取一块传统硬质下层结构曝光用掩膜板，并利用接触式曝光技术对光刻胶进行紫外曝光；
步骤4、对光刻胶进行显影处理，获得下层圆柱体光刻胶阵列结构；
步骤5、取一块传统硬质上层结构曝光用掩膜板，并利用对准标记套刻技术辅助上层结构进行确定性曝光；
步骤6、对光刻胶进行显影处理，获得下层直径大，上层直径小的同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构；
步骤7、利用电热板对基片进行阶梯升温加热，同时并行采用低温(或室温)气体吹拂基片表面进行冷却辅助，从而制备出下层底面直径大，上层底面直径小的双层球冠状微结构；
步骤8、冷却后，即可获得双焦距微透镜阵列结构。
其中，所述步骤3中所用下层结构曝光用掩膜板上的圆形阵列遮光图形的直径，大于步骤5中所用上层结构曝光用掩膜板上的圆形阵列遮光图形的直径，这样经过第一次常规曝光和第二次对准曝光以后，可以获得下层直径大，上层直径小的同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构。
其中，所述步骤7中，利用电热板对基片进行阶梯升温加热，使光刻胶达到玻璃态转化温度以上，在流体自身表面张力的作用下，圆柱体光刻胶结构热熔成球冠状结构；在加热的同时，并行采用低温(或室温)气体吹拂基片表面进行冷却辅助，避免了双层圆柱体光刻胶结构热熔成单个球冠状结构，从而制备出下层底面直径大，上层底面直径小的双层球冠状微结构。
本发明的优点在于：
(1)本发明提出的制备方法，技术原理简单易行，实现了双焦距微透镜阵列结构的简便制备。
(2)本发明提出的制备方法，通过改变掩膜图形设计和加工工艺参数，可以获得具有不同微结构尺寸和焦距的双焦距微透镜阵列结构。
综上所述，本发明公开了一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法，该方法技术原理简单易行、制作效率高、加工成本低，为具有双焦距的微透镜阵列结构的广泛应用和发展提供了技术支撑。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明公开的一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法的技术原理图。其中：1-基板，2-光刻胶，3-下层结构曝光用掩膜板，4-紫外光，21-下层圆柱体光刻胶阵列结构，5-上层结构曝光用掩膜板，22-同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构(下层直径大，上层直径小)，6-电热板，7-低温(或室温)气体，23-双焦距微透镜阵列结构(下层底面直径大，上层底面直径小)。
图2为本发明公开的一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法的加工流程图。
图3为双焦距微透镜阵列结构的二维模型图。其中：d1、h1、f1分别为下层微透镜阵列结构的底面直径、矢高、焦距；d2、h2、f2分别为上层微透镜阵列结构的底面直径、矢高、焦距。
图4为第一实施实例所制备的同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构(下层直径大，上层直径小)的光学显微照片。
图5为第一实施实例所制备的双焦距微透镜阵列结构(下层底面直径大，上层底面直径小)的光学显微镜检测照片。
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，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。通过以下实施例，本领域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：
如图1所示为本发明公开的一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法的技术原理图，依次包含以下步骤：
如图1中1-1所示，取一块表面平整的石英基板1，使用酒精、丙酮、超声波清洗机将基板表面清洗干净；
如图1中1-2所示，调整光刻胶旋转涂敷机参数：转速8500转/分钟，旋转时间30s，在基底表面均匀涂覆一层AZ9260(520cp)光刻胶2，并进行90℃的低温预烘烤；
如图1中1-3所示，取一块传统硬质下层结构曝光用掩膜板3，圆形阵列遮光图形周期T＝100μm，直径D＝96μm，利用接触式曝光技术对光刻胶进行紫外曝光，曝光功率为3mw/cm2，曝光时间为14s；
如图1中1-4所示，使用AZ400K显影液对光刻胶进行湿法显影处理，获得下层圆柱体光刻胶阵列结构21；
如图1中1-5所示，取一块传统硬质上层结构曝光用掩膜板5，圆形阵列遮光图形周期T＝100μm，直径D＝60μm，利用对准标记套刻技术辅助上层结构进行确定性曝光，曝光功率为3mw/cm2，曝光时间为7s；
如图1中1-6所示，使用AZ400K显影液对光刻胶进行湿法显影处理，获得下层直径大，上层直径小的同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构22，其光学显微镜检测照片如图4所示；
如图1中1-7所示，利用电热板6对基片进行阶梯升温加热，从90℃阶梯升温至135℃，同时并行采用室温气体7吹拂基片表面进行冷却辅助，从而制备出下层底面直径大，上层底面直径小的双层球冠状微结构；
如图1中1-8所示，冷却后，即可获得双焦距微透镜阵列结构23，其光学显微镜检测照片如图5所示。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、取一块表面平整的基板(1)，将基板表面清洗干净；
步骤2、在基底表面均匀涂覆一层光刻胶(2)，并进行低温预烘烤；
步骤3、取一块传统硬质下层结构曝光用掩膜板(3)，并利用接触式曝光技术对光刻胶进行紫外曝光；
步骤4、对光刻胶进行显影处理，获得下层圆柱体光刻胶阵列结构(21)；
步骤5、取一块传统硬质上层结构曝光用掩膜板(5)，并利用对准标记套刻技术辅助上层结构进行确定性曝光；
步骤6、对光刻胶进行显影处理，获得下层直径大，上层直径小的同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构(22)；
步骤7、利用电热板(6)对基片进行阶梯升温加热，同时并行使用低温或室温气体(7)吹拂基片表面进行冷却辅助，从而制备出下层底面直径大，上层底面直径小的双层球冠状微结构；
步骤8、冷却后，即可获得双焦距微透镜阵列结构(23)。
2.根据权利要求1所述的一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法，其特征在于：步骤3中所用下层结构曝光用掩膜板(3)上的圆形阵列遮光图形的直径，大于步骤5中所用上层结构曝光用掩膜板(5)上的圆形阵列遮光图形的直径，这样经过第一次常规曝光和第二次对准曝光以后，可以获得下层直径大，上层直径小的同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构(22)。
3.根据权利要求1所述的一种双焦距微透镜阵列结构的简便制备方法，其特征在于：步骤7中，利用电热板(6)对基片进行阶梯升温加热，使同轴双层圆柱体光刻胶阵列结构(22)达到玻璃态转化温度以上，在流体自身表面张力的作用下，圆柱体光刻胶阵列结构热熔成球冠状结构；在加热的同时，并行使用低温或室温气体吹拂基片表面进行冷却辅助，避免了双层圆柱体光刻胶阵列结构热熔成单个球冠状结构，从而制备出下层底面直径大，上层底面直径小的双层球冠状微结构。
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