CN117872517A - 一种曲面复眼透镜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种曲面复眼透镜及其制备方法,曲面复眼透镜包括曲面衬底父眼,以及设置在父眼上的若干非球形微透镜子眼,若干子眼具有相同的尺寸并以六方紧凑型结构排列构成微透镜阵列。制备方法包括:对预处理后的基底材料采用玻璃化温度不同的两种光刻胶进行旋涂及前烘;使用无掩膜数字光刻技术对光刻胶进行多重曝光,并在显影后通过热回流处理制备出曲面复眼透镜的光刻胶基板;使用由PDMS混合剂浇筑在光刻胶基板上,经过加热固化后剥离获得凹模;将紫外光固化树脂注入凹模,经过紫外光固化后剥离获得曲面复眼透镜。该曲面复眼透镜可以捕获大部分入射光提高信噪比和光学性能;而该制备方法工艺简单灵活、加工周期短、成本低、形状控制能力好。
Description
技术领域
本发明涉及微透镜技术领域,尤其是涉及一种曲面复眼透镜及其制备方法。
背景技术
微透镜是一种常见的微光学元件,通过设计微透镜,可对入射光进行扩散、光束整形、光线均分、光学聚焦等调制,进而实现许多传统光学元器件难以实现的特殊功能。自20世纪以来随着光学技术与机械自动控制技术的发展,微透镜的制备工艺也得到了大力发展。
由于单透镜的光学系统很难得到宽阔的视场,且传统光学成像系统通常使用组合透镜成像,其结构复杂、体积大、装配难,对于微型光学系统的集成难以为继。而受到昆虫视觉启发,目前多种生物眼部结构被仿生应用。如仿生复眼由于具有小面积、微重量、大视场、高灵敏度等优点,已广泛应用于光电子、生物医学和军事等领域。特别是对于曲面衬底上的曲面复眼阵列,因其具有较大的视场角而受到人们的强烈关注。
目前,在曲面上制备仿生复眼透镜的方法主要有滴液体法、灰度掩模光刻、三维电子束光刻、双光子技术等。在这些技术中,滴液法由于其工艺精度和加工的尺寸大小受到限制,很难获得尺寸小于毫米的透镜。而使用灰度掩膜光刻技术时,可以获得小尺寸透镜,但是其掩膜板设计复杂,制备透镜成本昂贵。双光子飞秒激光技术则已被证明了制造纳米级结构的能力,但它也需要昂贵的设备,并且大面积制造周期长。
因此,如何设计并利用低成本、简单有效的方法制作出高质量的仿生曲面复眼透镜结构仍然存在一些挑战。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题,本发明提供一种曲面复眼透镜及其制备方法,用以解决相关技术中的缺陷。
根据本发明的第一方面,提供一种曲面复眼透镜,所述曲面复眼透镜包括父眼,以及设置在所述父眼上的若干子眼,所述父眼为曲面衬底,所述子眼为非球形微透镜,所述若干子眼具有相同的尺寸并以六方紧凑型结构排列构成微透镜阵列。
优选地,所述父眼的半径R和高度H满足H≥R/23。
优选地,所述子眼的半径r为13~15μm,高度h为4~6μm;所述父眼的半径R为180~220μm,高度为16~20μm。
根据本发明的第二方面,提供一种如本发明任一实施例所述的曲面复眼透镜的制备方法,所述方法包括:
对基底材料进行预处理后,在所述基底材料上依次采用第一光刻胶和第二光刻胶进行旋涂及前烘,其中,所述第二光刻胶的玻璃化温度大于所述第一光刻胶的玻璃化温度;
使用无掩膜数字光刻技术基于根据所述曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版对所述第一光刻胶及所述第二光刻胶进行多重曝光,并在显影后通过热回流处理,制备出所述曲面复眼透镜的光刻胶基板;其中,所述数字掩模版为以六方紧凑型结构排列的若干同心圆环结构阵列,所述光刻胶基板包括由所述第一光刻胶生成的与所述父眼结构相同的父眼光刻胶基板和由所述第二光刻胶生成的与所述子眼阵列结构相同的子眼光刻胶基板;
使用由PDMS与固化液制成的混合剂浇筑在所述光刻胶基板上,经过加热固化后剥离所述光刻胶基板,获得所述曲面复眼透镜的凹模;
将紫外光固化树脂注入所述凹模,经过紫外光固化后剥离所述凹模,获得所述曲面复眼透镜。
优选地,所述基底材料为硅片;所述对基底材料进行预处理,包括:
将所述硅片放入含去离子水和乙醇混合溶液的培养皿中,并在超声波清洗机中清洗2~3min,清洗后再烘烤5~10min。
优选地,所述第一光刻胶为AZ4620正性光刻胶,所述第二光刻胶为AZ1500正性光刻胶;
所述在所述基底材料上依次采用第一光刻胶和第二光刻胶进行旋涂及前烘,包括:
将所述AZ4620正性光刻胶旋涂在所述基底材料上,其旋涂速度为600~800rpm,旋涂时间为90~120s,完成旋涂后将所述基底材料在90~110℃的温度下烘烤1~3分钟,后冷却至室温;
再将所述AZ1500正性光刻胶旋涂在已经旋涂了所述AZ4620正性光刻胶的所述基底材料上,其旋涂速度为1500~2000rpm,旋涂时间为25~35s,完成旋涂后将所述基底材料在90~110℃的温度下烘烤1~3分钟,后冷却至室温。
优选地,所述使用无掩膜数字光刻技术基于根据所述曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版对所述第一光刻胶及所述第二光刻胶进行多重曝光,并在显影后通过热回流处理,制备出所述曲面复眼透镜的光刻胶基板,包括:
将根据所述曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版导入DMD无掩模光刻系统中;
使用所述DMD无掩模光刻系统对所述第一光刻胶及所述第二光刻胶进行多重曝光,并对曝光后的所述基底材料进行显影清洗,获得对应所述曲面复眼透镜的预成型多级圆柱结构,包括由所述第一光刻胶生成的父眼大圆柱体以及由所述第二光刻胶生成的若干子眼多级圆柱结构;
对所述预成型多级圆柱结构进行两次热回的玻璃化温度且小于所述第二光刻胶的玻璃化温度,第一次热回流处理的时间为3~5min;第二次热回流处理的温度大于所述第二光刻胶的玻璃化温度,第二次热回流处理的时间为40~60s;其中,所述父眼大圆柱体经过所述第一次热回流处理后形成所述父眼光刻胶基板,所述若干子眼多级圆柱结构经过所述第二次热回流处理后形成所述子眼光刻胶基板。
优选地,所述对曝光后的所述基底材料进行显影清洗包括:
将曝光后的所述基底材料放入AZ300K显影液中进行显影清洗,其显影时间为120~180s。
优选地,所述第二次热回流处理采用倒置热回流加热处理。
优选地,所述由PDMS与固化液制成的混合剂为PDMS母体与固化剂按照10:1的比例制成的PDMS混合剂;在对浇筑了所述PDMS混合剂的所述光刻胶基板进行加热固化时的烘烤温度为65~75℃。
本发明公开了一种曲面复眼透镜,该曲面复眼透镜包括曲面衬底父眼及六方紧凑排列的若干子眼,构成了具有高填充因子的微透镜阵列,可以捕获大部分入射光并提高信噪比和光学性能。同时,本发明还公开了一种曲面复眼透镜的制备方法,其中使用无掩模数字光刻技术仅通过一次光刻就可以在光刻胶上制得具有曲面复眼透镜三维结构的光刻胶基板正模,再对该光刻胶基板经过倒模后转印再进行光固化,即可获得曲面复眼透镜。本发明所述方法避免了直接在曲面衬底上制备微透镜的复杂性,具有工艺简单灵活、加工周期短、成本低、形状控制能力好等优点,将成为曲面复眼透镜阵列制备的一种有前景的方法。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本发明。
附图说明
图1是本发明根据一实施例示出的一种曲面复眼透镜的结构示意图。
图2是本发明根据一实施例示出的一种曲面复眼透镜的制备方法的流程图。
图3是本发明根据一实施例示出的一种DMD无掩模光刻系统的原理图。
图4是本发明根据一实施例示出的一种等弧切片算法的示意图。
图5是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中旋涂光刻胶后的基底材料的示意图。
图6是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中第一次光刻曝光后获得的六边形光刻胶柱体的示意图。
图7是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中进行多重曝光并显影后获得的微透镜的示意图。
图8是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中热回流后获得的外观光滑的微透镜阵列的示意图。
图9是本发明根据一实施例示出的一种DMD无掩膜光刻技术中进行多次曝光的数字掩模版的示意图。
图10是本发明根据一实施例示出的一种DMD无掩膜光刻技术中进行多次曝光后获得的微透镜预成型圆柱体的实验显微镜图。
图11是本发明根据一实施例示出的一种经两次热回流工艺后获得的微透镜阵列的实验显微镜图。
其中,1-父眼;2-子眼;3-基底材料;4-第一光刻胶;5-第二光刻胶;6-父眼大圆柱体;7-子眼小圆柱体;8-子眼多级圆柱结构;9-父眼光刻胶基板;10-子眼光刻胶基板。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解,尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息,但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如,在不脱离本发明范围的情况下,第一信息也可以被称为第二信息,类似地,第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境,如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
如图1所示,图1是本发明根据一实施例示出的一种曲面复眼透镜的结构示意图,该曲面复眼透镜包括父眼1,以及设置在父眼1上的若干子眼2,父眼1为曲面衬底,子眼2为非球形微透镜,若干子眼2具有相同的尺寸并以六方紧凑型结构排列构成微透镜阵列。其中,微透镜阵列呈六方紧凑型结构是指微透镜阵列中的每个子眼2都位于一个等边六边形区域中间,且该等边六边形区域的每一条边都与另一个子眼2所在的等边六边形区域相邻接,所有子眼2所在的等边六边形区域通过公共边共同构成紧凑的、没有间隔空间的阵列结构。
具体地,在该曲面复眼透镜的制备过程中,所使用的热回流工艺是决定最终仿生曲面复眼透镜成型质量的关键因素。然而,而在热回流工艺中经常会发生边缘凸起现象,这是一种关于初始圆柱直径与图形高度的关系,在两者不匹配时就会出现的边缘凸起,使得边缘高度高过圆柱体中心高度,形成不标准的非球形结构的现象。例如,以初始圆柱高度为10μm,底面直径分别为200μm,500μm的两圆柱结构为例进行热回流工艺加工,直径200μm的圆柱体获得的回流微透镜不会出现边缘凸起现象,而直径500μm的圆柱体获得的回流微透镜则会出现边缘凸起现象。因此,为了避免出现边缘凸起现象,应当合理地设置父眼1的半径R和高度H。
具体地,在一些实施例中,父眼1的半径R和高度H应满足H≥R/23,以避免出现边缘凸起现象。
具体地,在一些实施例中,子眼2的半径r可以为13~15μm,高度h则可以为4~6μm;父眼1的半径R则可以为180~220μm,高度则可以为16~20μm。例如,在一些实施例中,子眼2的半径r可以为13μm,高度h则可以为4μm;父眼1的半径R则可以为180μm,高度则可以为16μm;在一些实施例中,子眼2的半径r也可以为14μm,高度h则可以为5μm;父眼1的半径R则可以为200μm,高度则可以为18μm;在一些实施例中,子眼2的半径r也可以为15μm,高度h则可以为6μm;父眼1的半径R则可以为220μm,高度则可以为20μm。具体地,在其他实施例中,子眼2和父眼1的半径和高度也可以设置为满足H≥R/23条件的其他值,其具体可以根据需求进行设置,本发明对此不作限制。
如图2所示,图2是本发明根据一实施例示出的一种曲面复眼透镜的制备方法的流程图,用于制备本发明任一实施例的曲面复眼透镜,所述方法包括:
步骤S201,对基底材料3进行预处理后,在基底材料3上依次采用第一光刻胶4和第二光刻胶5进行旋涂及前烘,其中,第二光刻胶5的玻璃化温度大于第一光刻胶4的玻璃化温度;
步骤S202,使用无掩膜数字光刻技术基于根据曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版对第一光刻胶4及第二光刻胶5进行多重曝光,并在显影后通过热回流处理,制备出曲面复眼透镜的光刻胶基板;其中,数字掩模版为以六方紧凑型结构排列的若干同心圆环结构阵列,光刻胶基板包括由第一光刻胶4生成的与父眼1结构相同的父眼光刻胶基板9和由第二光刻胶5生成的与子眼2阵列结构相同的子眼光刻胶基板10;
步骤S203,使用由PDMS与固化液制成的混合剂浇注在光刻胶基板上,经过加热固化后剥离光刻胶基板,获得曲面复眼透镜的凹模;
步骤S204,将紫外光固化树脂注入凹模,经过紫外光固化后剥离凹模,获得曲面复眼透镜。
具体地,在步骤S201中,首先对基底材料3进行预处理,然后再在预处理后的基底材料3上采用玻璃化温度不同的两种光刻胶进行旋涂,以获得用于制备曲面复眼透镜光刻胶基板正模的基底。
具体地,在一些实施例中,在步骤S201中所使用的基底材料3可以为硅片;则对基底材料3进行预处理的步骤可以包括:
将硅片放入含去离子水和乙醇混合溶液的培养皿中,并在超声波清洗机中清洗2~3min,清洗后再烘烤5~10min。
例如,在一些实施例中,可以选取硅片为基板,将硅片放入去含离子水和乙醇混合溶液的培养皿中,在超声波清洗机中清洗3min,再将硅片放置于烘箱中烘烤5min,从而蒸发多余水分,保证硅片表面干燥。
具体地,在其他实施例中,本发明所使用的用于制备曲面复眼透镜的基底材料3也可以是其他材料,相应地该基底材料3的预处理过程也可以是对应的其他方式,本发明对此不作限制。
具体地,在本发明所述制备方法中,所使用的用于制备曲面复眼透镜光刻胶基板的光刻胶材料,包括第一光刻胶4和第二光刻胶5可以根据光刻胶的胶厚以及光刻胶的玻璃化温度(Glass Transition Temperature,TG)进行选取。具体地,由于第一光刻胶4用于制备与父眼1结构相同的父眼光刻胶基板9,而第二光刻胶5用于制备与子眼2阵列结构相同的子眼光刻胶基板10,因此,第一光刻胶4应该具有与父眼1的高度相应的胶厚,而第二光刻胶5则应该具有与子眼2的高度相应的胶厚;另外,由于需要先制备父眼1对应结构的父眼光刻胶基板9,再制备设置在父眼光刻胶基板9上的子眼2对应结构的子眼光刻胶基板10,因此,第一光刻胶4应该具有比第二光刻胶5的TG更小的TG,以利用两层光刻胶玻璃化温度的差异,通过分步热回流工艺形成多级微观结构,即可以使用不同温度来进行热回流,从而可以操纵热回流步骤,使得父眼1与子眼2分层分次回流来得到轮廓精良的微透镜阵列模板。
具体地,在一些实施例中,第一光刻胶4可以为AZ4620正性光刻胶,第二光刻胶5则可以为AZ1500正性光刻胶。具体地,在其他的实施例中,第一光刻胶4和第二光刻胶5也可以使用其他符合上述条件的光刻胶材料,本发明对此不作限制。
具体地,由于当研究的图形厚度较厚时,需要进行多次旋涂才能达到所需厚度。因此,在涂胶方式的研究中,可以采用的多层涂覆方式,并且在每次旋涂结束时都可以进行合理的前烘来稳定胶层,从而可以避免下一次涂覆的影响,进而可以精确获得不同厚度的胶层,且各胶层均匀性也可以得到保证。
具体地,步骤S201中在基底材料3上依次采用第一光刻胶4和第二光刻胶5进行旋涂及前烘时,具体可以包括:
将AZ4620正性光刻胶旋涂在基底材料3上,其旋涂速度为600~800rpm,旋涂时间为90~120s,完成旋涂后将基底材料3在90~110℃的温度下烘烤1~3分钟,后冷却至室温;
再将AZ1500正性光刻胶旋涂在已经旋涂了AZ4620正性光刻胶的基底材料3上,其旋涂速度为1500~2000rpm,旋涂时间为25~35s,完成旋涂后将基底材料3在90~110℃的温度下烘烤1~3分钟,后冷却至室温。
例如,在一些实施例中,可以将AZ4620正性光刻胶旋涂在硅片上,其旋涂速度为600~800rpm,旋涂时间为90s,再将硅片在110℃的温度下烘烤2分钟,冷却至室温后再将AZ1500正性光刻胶旋涂在其上,其旋涂速度为12000rpm,旋涂时间为30s,再将硅片在110℃的温度下烘烤2分钟,烘烤结束后,需将硅片放置于洁净环境下静置数分钟,等待其冷却至室温后即可。
具体地,根据使用的光刻胶材料的不同,以及期望获得的各个胶层厚度的不同,上述旋涂及前烘也可以设置为其他的方式,例如不同的旋涂速度、不同的旋涂时间,或者不同的前烘时间及前烘温度,其具体可以根据需求进行设置,本发明对此不作限制。
具体地,在步骤S202中,可以使用无掩模数字光刻技术对步骤S201获得的基底材料3进行曝光、显影,并通过热回流工艺来制备曲面复眼透镜光刻胶基板正模。
无掩模数字光刻技术是近年来提出的一种基于数字微镜器件(DigitalMicromirror Devices,DMD)的新型光刻方法,可以方便地进行三维微结构的加工。在无掩模数字光刻技术中,计算机可以将掩码图像转换为二进制数据来控制数字微镜器件,因此,掩模图案可以在生产过程中随时生成,从而避免了与使用物理掩模相关的高成本和长制造周期。与传统光刻方法相比,该方法可以避免误差,从而在3D微结构的制造中具有更好的重复性。
具体地,如图3所示,图3是本发明根据一实施例示出的一种DMD无掩模光刻系统的原理图。其基本组件是曝光光源、DMD芯片,以及由反射镜和物镜组成的投影系统。基于DMD的实时无掩模光刻系统示意图如图3所示。基本部件是曝光光源、DMD芯片和投影系统。紫外发光二极管(Light-emitting Diode,LED)发出的波长为405nm的近紫外光束经过均化和准直,转换为所需照度均匀、准直度高的曝光光。曝光光线经镜子反射并投射到DMD芯片上,入射光反射到物镜中形成空间图像并聚焦在光刻胶表面上。其中,DMD芯片是美国德州仪器公司生产的空间光调制器。DMD无掩模光刻系统采用的DMD芯片,其全场宽度为2048×1024像素,每个微镜的尺寸为10.8成10.8μm²,可以在两种状态之间切换,每个微镜根据二进制图像的像素信息进行切换,代表计算机控制的图案的一个像素,取代物理二进制掩模。当图案的一个像素为白色时,对应的微镜引起+12°偏转,入射光被反射到物镜中形成航拍图像,聚焦在光刻胶表面。当像素为黑色时,相应的微镜引起-12°的偏转,入射光被反射而不能进入投影透镜。
具体地,步骤S202中使用无掩膜数字光刻技术基于根据曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版对第一光刻胶4及第二光刻胶5进行多重曝光,并在显影后通过热回流处理,制备出曲面复眼透镜的光刻胶基板的过程,具体可以包括:
将根据曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版导入DMD无掩模光刻系统中;
使用DMD无掩模光刻系统对第一光刻胶4及第二光刻胶5进行多重曝光,并对曝光后的基底材料3进行显影清洗,获得对应曲面复眼透镜的预成型多级圆柱结构,包括由第一光刻胶4生成的父眼大圆柱体6以及由第二光刻胶5生成的若干子眼多级圆柱结构8;
对预成型多级圆柱结构进行两次热回流处理,获得曲面复眼透镜的光刻胶基板;其中,第一次热回流处理的温度大于第一光刻胶4的玻璃化温度且小于第二光刻胶5的玻璃化温度,第一次热回流处理的时间为3~5min;第二次热回流处理的温度大于第二光刻胶5的玻璃化温度,第二次热回流处理的时间为40~60s;其中,父眼大圆柱体6经过第一次热回流处理后形成父眼光刻胶基板9,若干子眼多级圆柱结构8经过第二次热回流处理后形成子眼光刻胶基板10。
具体地,对应曲面复眼透镜的数字掩模版可以使用在l-edit软件上画出的相应模板进行制作,也可以通过其他方式进行获取,本发明对此不作限制。
具体地,在步骤S202中,DMD无掩模光刻系统所使用紫外光源功率可以为5.5W,而虚拟掩模图案可以为六边形阵图。
为了提高基于DMD的无掩模光刻技术制造三维微结构的精度,可以单次扫描方法,即通过一次扫描完成三维微结构的制造过程。采用DMD无掩膜光刻的单次扫描技术可以连续进行多幅数字掩膜图形的曝光,过程中需要合理地控制曝光剂量来得到高质量的预成型圆柱。
而一般来说,在无掩模光刻中制造三维微结构的方法涉及到使用多层切片来重建设计模型。现有的切片方法包括有等高度扫描法、等曝光剂量扫描法和等弧平均切片法。
具体地,本发明可以基于曝光剂量调剂计算出微透镜抛物面轮廓所需的剂量分布,并使用等弧切片法得到一组不同直径的圆形图层以适应目标轮廓的曲率,提升构建非球面微透镜抛物面精度。
等曝光剂量扫描策略无法适应变曲率的设计轮廓,当设计轮廓为变曲率曲线时,会导致模型重建时出现较大的轮廓误差,我们采用等弧均值切片策略来制造微透镜阵列。根据等弧原理将设计轮廓量化为多层,生成一系列合适的图案。该方法能够更好地适应设计轮廓的曲率变化,保证轮廓精度,如图4所示,图4是本发明根据一实施例示出的一种等弧切片算法的示意图,其基本算法流程如下:
首先,按照每层的弧长相等的原则将高度为H的设计轮廓量化成n层,则有:
如图则可以得到:
而通过均分每层台阶线的值可以很好地适应轮廓曲率的变化和补偿在曝光过程中由于衍射引起的邻近效应产生的轮廓边缘误差,因此,本发明设计的轮廓方程如下:
具体地,在进行多重曝光时,在第一次曝光后可以获得父眼大圆柱体6后,而接下来所进行的多重曝光,所使用的掩模版为一系列不同半径的同心圆环,并按照曝光剂量分布对应的曝光剂量,其中,对应设计的抛物线轮廓可以如下式所示:
其中,为父眼1底部半径,/>为父眼1的固化深度。而多重曝光可以一次完成,正性光刻胶会保留未曝光的部分,最后生成对应曲面复眼透镜的预成型多级圆柱结构。
具体地,在步骤S202中,对曝光后的基底材料3进行显影清洗的具体过程可以包括:
将曝光后的基底材料3放入AZ300K显影液中进行显影清洗,其显影时间为120~180s。
例如,在一些实施例中,可以将曝光后的基板放入AZ300K显影液中显影,显影时间为150s,而在显影后再进行温度为120℃热回流处理,热回流会让热塑性光刻胶在加热时能发生流动变形,冷却后还能保持原来形状。
具体地,在其他实施例中,对曝光后的基底材料3也可以使用其他方式进行显影清洗,本发明对此不作限制。
具体地,在第一次热回流处理时,可以将预成型的柱状结构放置在热板上进行热回流处理使得父眼大圆柱体6结构热回流成为球面形状,而使得子眼多级圆柱结构8对应的小圆柱体形状不变。而在第二次热回流处理中,则可以使得顶部子眼多级圆柱结构8对应的小圆柱变成所需要的小球面透镜形状。
具体地,为了使得顶部的小圆柱变成所需要的小球面透镜形状时又保证底部成型的球面结构不受影响,第二次热回流处理还可以采用倒置热回流加热处理,这样能够使得热回流过程均匀受热,减少图形缺陷和误差。
具体地,本发明还通过附图示例了本发明所述曲面复眼透镜中使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的具体过程,如图5-图8所示,本发明根据一实施例示出了一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程。其中,图5是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中旋涂光刻胶后的基底材料3的示意图,其中,基底材料3上依次为第一光刻胶4和第二光刻胶5;图6则是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中第一次光刻曝光后获得的六边形光刻胶柱体的示意图,其中,第一光刻胶4形成了父眼大圆柱体6,而第二光刻胶5则形成了子眼小圆柱体7;图7则是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中进行多重曝光并显影后获得的微透镜的示意图,其中,子眼小圆柱体7进一步形成了子眼多级圆柱结构8;图8则是本发明根据一实施例示出的一种使用DMD无掩膜光刻技术制备曲面复眼透镜光刻胶基板的制备过程中热回流后获得的外观光滑的微透镜阵列的示意图,其中,父眼大圆柱体6形成了父眼光刻胶基板9,子眼多级圆柱结构8则形成了子眼光刻胶基板10。
具体地,本发明还通过图9、10和11示出了一种DMD无掩膜光刻技术中所使用的数字掩模版,生成的微透镜预成型圆柱体以及经两次热回流工艺后获得的微透镜阵列。其中,图9是本发明根据一实施例示出的一种DMD无掩膜光刻技术中进行多次曝光的数字掩模版的示意图,其中使用的是底面直径为400μm,顶面直径为27μmDMD数字掩膜图形。图10则是本发明根据一实施例示出的一种DMD无掩膜光刻技术中进行多次曝光后获得的微透镜预成型圆柱体的实验显微镜图。图11则是本发明根据一实施例示出的一种经两次热回流工艺后获得的微透镜阵列的实验显微镜图。
具体地,在步骤S203中,可以将PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)与固化液按照比例制成混合剂,静置后浇筑在步骤S202中制备的光刻胶基板上,再次静置后放到烤箱加热,冷却后剥离形成凹模。而剥离光刻胶后,可以形成凹面PDMS图案,用于将紫外固化树脂注入凹面模板中,得到具有透光性的微透镜结构。
具体地,在一些实施例中,可以由PDMS与固化液制成的混合剂为PDMS母体与固化剂按照10:1的比例制成的PDMS混合剂;而在对浇筑了PDMS混合剂的光刻胶基板进行加热固化时的烘烤温度为65~75℃。
具体地,在其他实施例中,也可以使用按其他比例制成的PDMS混合剂来,其具体可以根据需求进行设置,本发明对此不作限制。
具体地,在步骤S204中,可以在步骤S203中制备的凹模上进行转印,再滴入水洗型紫外光固化树脂,并按上载玻片后进行紫外光固化,剥离后获得曲面复眼微透镜。
本发明公开了一种曲面复眼透镜,该曲面复眼透镜包括曲面衬底父眼1及六方紧凑排列的若干子眼2,构成了具有高填充因子的微透镜阵列,可以捕获大部分入射光并提高信噪比和光学性能。同时,本发明还公开了一种曲面复眼透镜的制备方法,其中使用无掩模数字光刻技术仅通过一次光刻就可以在光刻胶上制得具有曲面复眼透镜三维结构的光刻胶基板正模,再对该光刻胶基板经过倒模后转印再进行光固化,即可获得曲面复眼透镜。本发明所述方法避免了直接在曲面衬底上制备微透镜的复杂性,具有工艺简单灵活、加工周期短、成本低、形状控制能力好等优点,将成为曲面复眼透镜阵列制备的一种有前景的方法。
具体地,本发明将无掩模投影光刻技术与热回流工艺相结合,成功制备了曲面基板上的复眼透镜阵列。而且,基于DMD的无掩模光刻可以方便地控制设计的分层微观结构的基本形状和尺寸,并且可以通过单一扫描策略快速完成曝光过程。而预先形成的分层微结构则将通过两步热回流工艺形成最终预期的复眼透镜阵列微结构。
进一步地,本发明还采用基于剂量调制计算了曝光剂量在设计剖面上的分布,并采用等弧平均切片策略得到了一系列不同半径的圆形图,切片数目越多,轮廓精度越高。这种制造微透镜的方法具有速度快、精度高的优点。
具体地,本发明公开了一种基于数字微透镜的无掩膜光刻技术快速制备双层六方微透镜阵列的方法,引入两次旋涂的形成双层结构的方法,并在无掩膜光刻中多次曝光形成以圆柱体为基底和基底上方覆盖高填充的逐层光刻的微透镜阵列结构。基于曝光剂量调剂计算出微透镜抛物面轮廓所需的剂量分布,使用等弧切片法得到一组不同直径的圆形图层以适应目标轮廓的曲率,提升构建非球面微透镜抛物面精度。利用两层光刻胶玻璃化温度的差异,通过分步热回流工艺形成多级微观结构。最终实验得到表面光滑、高质量的微透镜,检测实际轮廓与设计吻合。研究表明方法可行,能够简单、快速地制备高品质的分层仿真复眼微透镜阵列。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。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,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种曲面复眼透镜,其特征在于,所述曲面复眼透镜包括父眼(1),以及设置在所述父眼(1)上的若干子眼(2),所述父眼(1)为曲面衬底,所述子眼(2)为非球形微透镜,所述若干子眼(2)具有相同的尺寸并以六方紧凑型结构排列构成微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的曲面复眼透镜,其特征在于,所述父眼(1)的半径R和高度H满足H≥R/23。
3.根据权利要求2所述的曲面复眼透镜,其特征在于,所述子眼(2)的半径r为13~15μm,高度h为4~6μm;所述父眼(1)的半径R为180~220μm,高度为16~20μm。
4.根据权利要求1-3任一所述的曲面复眼透镜的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
对基底材料(3)进行预处理后,在所述基底材料(3)上依次采用第一光刻胶(4)和第二光刻胶(5)进行旋涂及前烘,其中,所述第二光刻胶(5)的玻璃化温度大于所述第一光刻胶(4)的玻璃化温度;
使用无掩膜数字光刻技术基于根据所述曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版对所述第一光刻胶(4)及所述第二光刻胶(5)进行多重曝光,并在显影后通过热回流处理,制备出所述曲面复眼透镜的光刻胶基板;其中,所述数字掩模版为以六方紧凑型结构排列的若干同心圆环结构阵列,所述光刻胶基板包括由所述第一光刻胶(4)生成的与所述父眼(1)结构相同的父眼光刻胶基板(9)和由所述第二光刻胶(5)生成的与所述子眼(2)阵列结构相同的子眼光刻胶基板(10);
使用由PDMS与固化液制成的混合剂浇筑在所述光刻胶基板上,经过加热固化后剥离所述光刻胶基板,获得所述曲面复眼透镜的凹模;
将紫外光固化树脂注入所述凹模,经过紫外光固化后剥离所述凹模,获得所述曲面复眼透镜。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述基底材料(3)为硅片;所述对基底材料(3)进行预处理,包括:
将所述硅片放入含去离子水和乙醇混合溶液的培养皿中,并在超声波清洗机中清洗2~3min,清洗后再烘烤5~10min。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述第一光刻胶(4)为AZ4620正性光刻胶,所述第二光刻胶(5)为AZ1500正性光刻胶;
所述在所述基底材料(3)上依次采用第一光刻胶(4)和第二光刻胶(5)进行旋涂及前烘,包括:
将所述AZ4620正性光刻胶旋涂在所述基底材料(3)上,其旋涂速度为600~800rpm,旋涂时间为90~120s,完成旋涂后将所述基底材料(3)在90~110℃的温度下烘烤1~3分钟,后冷却至室温;
再将所述AZ1500正性光刻胶旋涂在已经旋涂了所述AZ4620正性光刻胶的所述基底材料(3)上,其旋涂速度为1500~2000rpm,旋涂时间为25~35s,完成旋涂后将所述基底材料(3)在90~110℃的温度下烘烤1~3分钟,后冷却至室温。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述使用无掩膜数字光刻技术基于根据所述曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版对所述第一光刻胶(4)及所述第二光刻胶(5)进行多重曝光,并在显影后通过热回流处理,制备出所述曲面复眼透镜的光刻胶基板,包括:
将根据所述曲面复眼透镜预先制作的数字掩模版导入DMD无掩模光刻系统中;
使用所述DMD无掩模光刻系统对所述第一光刻胶(4)及所述第二光刻胶(5)进行多重曝光,并对曝光后的所述基底材料(3)进行显影清洗,获得对应所述曲面复眼透镜的预成型多级圆柱结构,包括由所述第一光刻胶(4)生成的父眼大圆柱体(6)以及由所述第二光刻胶(5)生成的若干子眼多级圆柱结构(8);
对所述预成型多级圆柱结构进行两次热回流处理,获得所述曲面复眼透镜的光刻胶基板;其中,第一次热回流处理的温度大于所述第一光刻胶(4)的玻璃化温度且小于所述第二光刻胶(5)的玻璃化温度,第一次热回流处理的时间为3~5min;第二次热回流处理的温度大于所述第二光刻胶(5)的玻璃化温度,第二次热回流处理的时间为40~60s;其中,所述父眼大圆柱体(6)经过所述第一次热回流处理后形成所述父眼光刻胶基板(9),所述若干子眼多级圆柱结构(8)经过所述第二次热回流处理后形成所述子眼光刻胶基板(10)。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述对曝光后的所述基底材料(3)进行显影清洗包括:
将曝光后的所述基底材料(3)放入AZ300K显影液中进行显影清洗,其显影时间为120~180s。
9.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述第二次热回流处理采用倒置热回流加热处理。
10.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述由PDMS与固化液制成的混合剂为PDMS母体与固化剂按照10:1的比例制成的PDMS混合剂;在对浇筑了所述PDMS混合剂的所述光刻胶基板进行加热固化时的烘烤温度为65~75℃。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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