CN114895389A - 一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像领域，具体是一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，步骤如下：制作三种数字掩模版；在衬底上旋涂一层负性光刻胶，用一号掩模版进行第一次无掩模曝光，曝光显影得到初步的结构；在第一层光刻胶上旋涂第二层光刻胶，基于二号掩模版进行第二次曝光显影；在第二层光刻胶上选图第三层光刻胶，基于三号掩模版进行第三次曝光显影，得到具有三种不同厚度的多层微柱结构；对多层微柱结构进行热回流工艺处理，封装热回流后的球面微透镜得到多焦点微透镜阵列结构；本发明具有工艺操作简单、成本低等优点，能够满足大景深要求。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体是一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法。
背景技术
微透镜阵列是一种多功能的微光学元件，可以对入射光进行扩散、光束整形、光线均分、光学聚焦等调制，进而实现大视角、低像差、小畸变、高时间分辨率和无限景深等，微透镜阵列被广泛应用于光信息处理、光传感、光计算、光通信和高灵敏度成像等领域。
目前制作微透镜阵列的主要方法有微滴喷射法、灰度光刻、热压印法及光刻胶热回流技术等。
其中微滴喷射法虽然有较高的工作效率，但由于成型透镜阵列的位置精度是靠工作台的移动来保证的，故很难保证成型透镜阵列中透镜分布的一致性；对于灰度光刻法，虽然不存在对准误差等问题，但是该方法在曲面灰阶掩模版设计时复杂，制作成本较高；热压印法操作起来简单，但是对于微透镜阵列特征的调整可控性不是很好。目前应用较广的光刻胶热回流技术是微透镜阵列晶圆级微细加工的关键方法，操作简单、成本低，该技术受限于光刻胶与基底间的接触角，只能制作球状微透镜，很难制作出非球面微透镜及高数值孔径的微透镜阵列结构。
因此，针对上述问题提出一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决传统方法制作的微透镜阵列只有一个焦距，使景深扩展受限，导致成像分辨率不高，而多焦点微透镜阵列可以解决景深受限的问题，本发明提出一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：制作三种数字掩模版，一号掩模版为三个全开图案，二号掩模版为两个打开图案和一个关闭图案，三号掩模版为一个打开图案和两个关闭图案，将三种掩模版信息输入到DMD中；
步骤二：将4英寸高硼硅玻璃作为衬底，清洗并干燥衬底，并涂上附着力促进剂，在衬底上旋涂第一层光刻胶后使用一号掩模版对光刻胶进行曝光烘烤，显影得到第一层微柱结构；
步骤三：在第一层光刻胶上旋涂第二层光刻胶，将二号掩模版与第一次曝光得到的微柱精准对齐，经紫外线充分曝光并显影后，二号掩模版关闭图案部分第二层光刻胶将溶解，掩模版打开图案部分光刻胶固化形成第二层微柱结构；
步骤四：在第二层光刻胶上旋涂第三层光刻胶，将三号掩模版与前两次曝光得到的微柱精准对齐，曝光显影后得到具有三种不同厚度的多层微柱结构；
步骤五：对多层微柱结构进行倒置热回流工艺处理，得到一组球面微透镜；
步骤六：对多组球面微透镜封装形成多焦点微透镜阵列。
优选的，所述光刻胶为DNR L-4615负性光刻胶。
优选的，所述步骤二的衬底还可为二氧化硅玻璃。
优选的，所述步骤二、步骤三和步骤四在光刻胶充分回流的情况下，旋涂光刻胶的厚度与微柱的厚度成正比，多层堆叠的微柱的总厚度和直径可以精确控制透镜的曲率和焦距。
优选的，所述步骤二、步骤三和步骤四的三次曝光掩模图形为虚拟数字掩模图形，三次曝光掩模图形均为圆形；虚拟数字掩模图形替代了传统的物理掩模版图形，从而避免了掩模板的设计和制作。
优选的，所述步骤二、步骤三和步骤四中显影时，显影液采用碱性显影液，显影时间为3-5分钟。
优选的，所述碱性显影液为TMAH(2.38％)。
优选的，所述步骤五中，热回流温度不可过高，过高会影响微透镜形状，温度过低则导致热回流效果不佳，最佳温度为120°～150°，热回流时间30分钟。
优选的，所述步骤六中，三种不同厚度的球面微透镜以恒定间距封装成多焦点微透镜阵列。
本发明的有益之处在于：
1.本发明中，通过发明制作出的多焦点微透镜阵列结构具有景深大、成像分辨率高、成本低、结构可控及制作工艺简单等特点。本发明结合了多层光刻技术和热回流技术，可以同时制作不同焦距的透镜，弥补了传统微透镜阵列单一焦距的缺陷，实现了大景深、高成像分辨率的优势。
2.本发明中，三次无掩模图形的曝光采用的是数字微镜器件(DMD)无掩模光刻技术，可以方便快速的设计出所需的透镜掩模图形，避免了物理掩模板的制作，具有成本低、灵活性高的优点。
3.本发明中，最终多焦点微透镜阵列结构的形成主要是通过光刻胶热回流技术来完成的，且多焦微透镜阵列的所有透镜参数都可由光刻胶厚度和透镜直径精确控制，实现了结构可控的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明中制作方法的流程图；
图2为本发明中制作工艺示意图；
图3为本发明中多焦点微透镜阵列图；
图4为本发明中无掩模光刻加工装置示意图。
图中：1、一号掩模版；2、二号掩模版；3、三号掩模版；4、高硼硅玻璃衬底；5、DNR L-4615负性光刻胶；6、多层微柱结构；7、球面微透镜；8、垫片；9、对流烤箱；10、计算机；11、DMD芯片；12、反射镜；13、UV-LED光源；14、匀光元件；15、准直元件；16、投影物镜；17、X,Y轴可移动平台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图4所示，一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：制作三种数字掩模版，一号掩模版1为三个全开图案，二号掩模版2为两个打开图案和一个关闭图案，三号掩模版3为一个打开图案和两个关闭图案，将三种掩模版信息输入到DMD中；
步骤二：将4英寸高硼硅玻璃作为衬底，清洗并干燥衬底，并涂上附着力促进剂，在衬底上旋涂第一层光刻胶后使用一号掩模版1对光刻胶进行曝光烘烤，显影得到第一层微柱结构；
步骤三：在第一层光刻胶上旋涂第二层光刻胶，将二号掩模版2与第一次曝光得到的微柱精准对齐，经紫外线充分曝光并显影后，二号掩模版2关闭图案部分第二层光刻胶将溶解，掩模版打开图案部分光刻胶固化形成第二层微柱结构；
步骤四：在第二层光刻胶上旋涂第三层光刻胶，将三号掩模版3与前两次曝光得到的微柱精准对齐，曝光显影后得到具有三种不同厚度的多层微柱结构6；
步骤五：对多层微柱结构6进行倒置热回流工艺处理，得到一组球面微透镜7；
步骤六：对多组球面微透镜7封装形成多焦点微透镜阵列。
所述光刻胶为DNR L-4615负性光刻胶5。
所述步骤二的衬底还可为二氧化硅玻璃。
所述步骤二、步骤三和步骤四在光刻胶充分回流的情况下，旋涂光刻胶的厚度与微柱的厚度成正比，多层堆叠的微柱的总厚度和直径可以精确控制透镜的曲率和焦距。
所述步骤二、步骤三和步骤四的三次曝光掩模图形为虚拟数字掩模图形，三次曝光掩模图形均为圆形；虚拟数字掩模图形替代了传统的物理掩模版图形，从而避免了掩模板的设计和制作。
所述步骤二、步骤三和步骤四中显影时，显影液采用碱性显影液，显影时间为3-5分钟。
所述碱性显影液为TMAH(2.38％)。
所述步骤五中，热回流温度不可过高，过高会影响微透镜形状，温度过低则导致热回流效果不佳，最佳温度为120°～150°，热回流时间30分钟。
所述步骤六中，三种不同厚度的球面微透镜7以恒定间距封装成多焦点微透镜阵列。
下面给出一个实施例：
本实施例包括：热回流后单层微柱厚度为9.5μm，双层微柱厚度为15μm，三层微柱厚度为20.2μm，焦距分别为249μm、310μm和460μm，该实施例制作得到的球面微透镜7结构如图2(f)所示。以25μm的恒定间隙将球面微透镜7按规律封装，制作得到的多焦点微透镜阵列透镜直径为120μm，如图3所示。
本实施例通过以下步骤进行制作：
第一步：制作三种数字掩模版。
三个全开图案的一号掩模版1，两个打开图案和一个关闭图案的二号掩模版2，一个打开图案和两个关闭图案的三号掩模版3，将三种掩模版信息输入到DMD中；
第二步：制作第一层微柱结构。
将4英寸高硼硅玻璃作为衬底，在食人鱼溶液(H2SO4/H2O2＝5：1)中清洗，并在200℃的烘箱中脱水30分钟，然后用六甲基二硅胺处理作为附着力促进剂，在衬底上旋涂光刻胶；第一层光刻胶层以1000转/分的转速旋转涂层30秒，厚度为12μm，并在100℃下软烤120秒以去除溶剂；基于图4的DMD无掩模光刻系统进行曝光，曝光光源为550nm UV-LED灯13，光源发出16mw紫外光，并使用匀光元件14与准直元件15提高紫外光的均匀性，由反射镜16反射到DMD芯片11表面，使用计算机10绘制出一号掩模版1，将一号掩模版1信息逐行输入到DMD的CMOS存储芯片上，控制DMD微镜的开关，进而形成实时虚拟光学图形，紫外光经DMD反射后通过投影物镜16最终打到X、Y轴可移动平台17上；然后在110℃下对第一层光刻胶充分曝光后烘烤90秒，显影得到第一层微柱结构；所用显影液TMAH 2.38％碱性显影液，显影时长为5分钟。
第三步：制作第二层微柱结构。
在第一层光刻胶上以6000转/分的转速旋涂第二层光刻胶，旋涂时间为30秒，旋涂厚度为18.5μm，将二号掩模版2与第一次曝光得到的微柱精准对齐，经紫外线充分曝光并显影后，二号掩模版2关闭图案部分第二层光刻胶将溶解，二号掩模版2打开图案部分光刻胶固化形成第二层微柱结构；
第四步：制作第三层微柱结构。
在第二层光刻胶上以6000转/分的转速旋涂第三层光刻胶，旋涂时间为30秒，旋涂厚度为22μm，将三号掩模版3与前两次曝光得到的微柱精准对齐，曝光显影后得到具有三种不同厚度的多层微柱结构6，如图2所示(图2中a、b、c、d、e、f指的是制作顺序)；
第五步：对多层微柱结构6进行热回流工艺处理。
通过垫片8将上述微柱结构倒置于对流烤箱9中，对多层微柱结构6进行热回流工艺处理，热回流工艺中参数设置为：温度140摄氏度，时间30分钟，经热回流处理后得到三种不同焦距的球面微透镜7。
第六步：制作多焦点微透镜阵列。
热回流处理后的球面微透镜7经自然冷却后，以25μm的恒定间隙按规律封装，可得到设计的多焦点微透镜阵列结构，三种焦距分别为f1＝249μm,f2＝310μm和f3＝460μm，通过图像传感器在物距分别为10mm，16mm，30mm处测得，多焦点微透镜阵列的景深范围分别为8-12mm，12-21mm，21-49mm，景深从8mm到49mm，多焦点微透镜阵列景深范围扩大了将近6倍。
总之，本发明成功地证明了多焦微透镜阵列可扩展景深，解决了传统方法制造的微透镜只有单一焦距而导致景深受限的问题。通过利用数字微镜器件(DMD)无掩模光刻技术可以简单方便的生成各种微柱结构，以及利用热回流技术处理微柱结构，具有工艺操作简单、加工周期短、成本低以及形状可控等优点，能够很好的满足大景深的要求。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (9)
1.一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：制作三种数字掩模版，一号掩模版为三个全开图案，二号掩模版为两个打开图案和一个关闭图案，三号掩模版为一个打开图案和两个关闭图案，将三种掩模版信息输入到DMD中；
步骤二：将4英寸高硼硅玻璃作为衬底，清洗并干燥衬底，并涂上附着力促进剂，在衬底上旋涂第一层光刻胶后使用一号掩模版对光刻胶进行曝光烘烤，显影得到第一层微柱结构；
步骤三：在第一层光刻胶上旋涂第二层光刻胶，将二号掩模版与第一次曝光得到的微柱精准对齐，经紫外线充分曝光并显影后，二号掩模版关闭图案部分第二层光刻胶将溶解，掩模版打开图案部分光刻胶固化形成第二层微柱结构；
步骤四：在第二层光刻胶上旋涂第三层光刻胶，将三号掩模版与前两次曝光得到的微柱精准对齐，曝光显影后得到具有三种不同厚度的多层微柱结构；
步骤五：对多层微柱结构进行倒置热回流工艺处理，得到一组球面微透镜；
步骤六：对多组球面微透镜封装形成多焦点微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述光刻胶为DNR L-4615负性光刻胶。
3.根据权利要求2所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述步骤二的衬底还可为二氧化硅玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述步骤二、步骤三和步骤四在光刻胶充分回流的情况下，旋涂光刻胶的厚度与微柱的厚度成正比，多层堆叠的微柱的总厚度和直径可以精确控制透镜的曲率和焦距。
5.根据权利要求1所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述步骤二、步骤三和步骤四的三次曝光掩模图形为虚拟数字掩模图形，三次曝光掩模图形均为圆形。
6.根据权利要求1所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述步骤二、步骤三和步骤四中显影时，显影液采用碱性显影液，显影时间为3-5分钟。
7.根据权利要求6所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述碱性显影液为TMAH(2.38％)。
8.根据权利要求1所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述步骤五中，热回流温度不可过高，过高会影响微透镜形状，温度过低则导致热回流效果不佳，最佳温度为120°～150°，热回流时间30分钟。
9.根据权利要求1所述的一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述步骤六中，三种不同厚度的球面微透镜以恒定间距封装成多焦点微透镜阵列。
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| CN202210458849.8A Pending CN114895389A (zh) | 2022-04-25 | 2022-04-25 | 一种柔性制作多焦点微透镜阵列结构的方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN114895389A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117826286A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 苏州苏纳光电有限公司 | 阵列式级联微透镜组的制备方法、阵列化曝光装置及应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102540284A (zh) * | 2012-02-07 | 2012-07-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于负性光刻胶和掩膜移动曝光工艺的微透镜阵列制备方法 |
| CN106199781A (zh) * | 2016-09-07 | 2016-12-07 | 中国科学技术大学 | 一种柔性制作曲面仿生复眼结构的方法 |
| CN113238306A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-08-10 | 福州大学 | 提高集成成像3d显示景深的多焦距微透镜阵列及制备方法 |
-
2022
- 2022-04-25 CN CN202210458849.8A patent/CN114895389A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102540284A (zh) * | 2012-02-07 | 2012-07-04 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于负性光刻胶和掩膜移动曝光工艺的微透镜阵列制备方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117826286A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 苏州苏纳光电有限公司 | 阵列式级联微透镜组的制备方法、阵列化曝光装置及应用 |
| CN117826286B (zh) * | 2024-03-05 | 2024-05-28 | 苏州苏纳光电有限公司 | 阵列式级联微透镜组的制备方法、阵列化曝光装置及应用 |
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