CN2689294Y - 一种微细光束紫外光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型微细光束的紫外光源，特征是从设置于球面全反射镜1球心的高压汞灯2发出的光与反射镜反射的光一起，经隔热平镜3和带通滤色镜4后，得到峰值波长的365纳米的紫外光束，至平凸透镜5和6会聚为较小的光斑，再通过兼作光阑的磁电式可控光闸7和耦合透镜8和9，将紫外光束传导至石英光纤10，从光纤10出射的光再经光阑11传输到显微物镜12，则在显微物镜12的焦面上可获得微米级紫外光束；可利用计算机控制磁电式可控光闸。本实用新型不仅结构简单，还实现了任意扫描的可选择性曝光。

Description

一种微细光束紫外光源

技术领域：

本实用新型属于快速成型技术领域，特别是涉及用于微细加工的微细光束紫外光源。

背景技术：

据日本日刊工业新闻社1990出版的《光造形法》一书第61-70页介绍，立体光刻成型(Stereo Photo-Lithography)(又称之为快速成型)技术是20世纪80年代初开发出来的集CAD/CAM技术、激光应用技术和高分子功能材料科学于一体，能够快速地制造任意复杂的三维的一种新技术。该书在对相关技术介绍中，给出了其所用紫外光源的类型为波长为325纳米的He-Cd激光器和波长为488纳米的Ar离子激光器。但是，由于激光器及其运行费用较高，在一定程度上限制了光成型技术的推广应用；同时，未见对该技术是否可应用于微细加工领域的介绍，也未见就“微细光成型”技术可能应用的光源予以说明。

据中国《光电工程》(Vol.24，No.2，1997，p1)和《应用光学》(Vol.1999.3，p34-36)介绍，在快速成型技术中可以利用“高压汞灯”来作为紫外光源。但是，有关的文献仅讨论了在普通模型制造中的应用，未见探讨在“微细光成型”技术中应用的可能性。

据中国科学院长春光学精密机械研究所主办的《光学精密工程》(Vol.3，No.2，p11，1996年)介绍，用于微细结构制造的“微光成型”技术已成为研究热点之一，需解决的关键技术之一就是在满足成型固化所需光能量的前提下，尽量减小曝光光斑直径，并正确地控制曝光量，以获得最小的固化线宽和结构。但是，未见能实现微细结构固化的光源的具体介绍。

据《光学技术手册》(王之江等编，机械工业出版社1994年)介绍，非激光的紫外光源虽然已在微细加工中的“光刻机”中得到应用，但仅用于掩模曝光的平面加工，无法用于任意三维扫描曝光的微细光成型技术中。为此，需要设计和研制能满足微细光成型技术的微小结构固化成型又具经济性的紫外光光源。

技术内容：

本实用新型提出一种能进行任意扫描曝光的微细光束的紫外光光源，以克服现有技术的上述缺陷，实现微小结构的扫描固化成型。

本实用新型微细光束的紫外光源，将高压汞灯2设置在一半径为50-80mm的球面全反射镜1的球心，并以高压汞灯2的发光中心高度为水平光轴，其特征在于：在光轴上高压汞灯2的前方50-80mm处设置一隔热平镜3，在隔热平镜3前方10-20mm处放置一带通滤色镜4，再将由两曲面相对放置的一对平凸透镜5和6组成的聚光部件安放在滤色镜4的前方且距离汞灯90-120mm处，该平凸透镜5和6之间的间隙为2-5mm；在平凸透镜5和6聚光部件的光束会聚处设置一兼作光阑的磁电式可控光闸7，该光闸7是一在电磁线圈的铁芯上垂直向上粘接一硅片，该硅片上开有一直径为0.6-1.0mm的通孔，将该通孔与光轴同轴放置；电磁线圈的两端与计算机并口相接；光闸7前方10-20mm处再安放一对两曲面相对放置的平凸形耦合透镜8和9，该两平凸形耦合透镜8和9之间的间隙为3-5mm；用于传导光束的石英光纤10其数值孔径为0.25-0.40、纤芯直径为0.4-0.7mm、长度为1.0-2.0m，该石英光纤10的入射端设置在耦合透镜9的焦点位置，出射端放置一直径为0.05-0.5mm的光阑11，在该光阑11的前方153.0mm处放置一个数值孔径为0.2-0.65的显微物镜12。

使用时，接通高压汞灯2的交流稳压电源后，高压汞灯被点燃并辐射出光，一部分经球面反射镜1反射出来的光与另一部分从高压汞灯直接辐射出来的光一起向前辐射，经隔热平镜3后得到已基本无红外的光束，再经带通滤色镜4后就可得到峰值波长的365纳米的紫外光束，光束继续向前传播至平凸透镜5和6构成的聚光部件，将原发散光束会聚为较小的光斑，再通过兼作光阑的磁电式可控光闸7和耦合透镜8和9，将紫外光束传导至石英光纤10，从光纤10出射的光再经光阑11传输到显微物镜12，则在显微物镜12的焦面13上可获得微米级紫外光束。

为了将目前仅用于模型制造的“光成型”技术引入到微小/微型机械制造领域来进行微细结构的成型制造，本实用新型选用“球形超高压汞灯”作为紫外发光源，具有价格便宜、结构简单，紫外辐射相对稳定等优点；

本实用新型通过在高压汞灯的前方光路中设置隔热平镜和带通滤色镜，可以方便地获得所需带宽的紫外光；采用双片式两平凸透镜构成的聚光部件结构简单、光学元件制造和组装容易；在双片式聚光后的光路上设置一兼作光阑的磁电式可控光闸，可利用计算机控制，能根据需要实现可选择性曝光；采用石英光纤传导方式的导光部件，结构简单，不仅紫外光传导损失小，且由于光纤优良的可绕性，使得由光阑和显微物镜构成的微细光刻头能随三维成型工作台作任意扫描曝光运动，满足了使光刻头可在X-Y平面内作任意扫描运动的要求；通过在光纤出射端设置一光阑和一个显微物镜的缩微作用，可获得所需的微米级曝光光斑。

若使用国产He-Cd激光器作为光源，仅其成本就约3.0-4.0万元，还需配套设计导光、光刻头和光闸等部件，如再考虑其使用和维护成本，费用将更大；如应用Ar离子激光器或染料激光器则费用更高；而本实用新型的“微细光束紫外光源”结构简单，、便于使用和维护，成本低，可以实现的曝光光斑为4-20μm，其制造成本仅约0.8万元；可利用“微细光成型技术”进行扫描曝光，使任意三维微细结构的微细加工得以实际应用。

附图说明：

图1为实用新型“微细光束紫外光源”的光源光路原理图。

图2为高压汞灯的光谱发光光谱。

图3为XRB1的光谱特性曲线。

图4为ZWB2的光谱特性曲线。

图5为微细固化线形放大190倍的SEM照片。

图6为固化成型的微小双联齿轮放大40倍的SEM照片。

具体实施方式：

实施例1：

按附图1所示的光源光路原理图组装“微细光束紫外光源”。首先，在一基础平台上设置一支撑架以垂直放置紫外发光源的“高压汞灯2”，在高压汞灯的后方设置一面半径为60mm的球面全反射镜1，并使高压汞灯2位于球面全反射镜1的球心，以此来提高光能的利用率；在高压汞灯的前方70mm处设置一面隔热平镜3，隔热平镜3的前方30mm处放置一面带通滤光镜4；将一对平凸透镜5和6将其两透镜曲面相对放置，使两平凸透镜5和6之间的间隙为3mm，并将两者构成的双片式聚光系统安放在滤色镜的前方离汞灯110mm处，且使平凸透镜的光轴与汞灯发光中心等高；在平凸透镜5和6聚光部件的光束会聚处设置一兼作光阑的磁电式可控光闸7，该可控光闸7是一在电磁线圈的铁芯上垂直向上粘接一长方形的硅片，该硅片的另一端开有一直径为0.6-1.0mm的通孔，将该通孔与光轴同轴放置；电磁线圈的两端引线与计算机并口相接，使硅片上孔径为1.0mm的通孔与光轴同轴，再在光闸后0.5mm放置透镜8和9，透镜8和9之间的间隙为5mm，并在耦合透镜9的焦点处同轴设置一数值孔径为0.37、纤芯直径为0.6mm、长度为1.0m的石英光纤10；在光纤的出射端面设置一孔径为0.2mm的光阑11，并在光阑11的前方153.0mm处放置一显微物镜12，并使显微物镜12与光阑11同轴，则在显微物镜12的焦面13上就可实现直径约为10.0μm的紫外光斑，即得到一体化的、能获得微米级光束的紫外光源。

本实施例采用的主要光学元件的参数列于表1。

                                    表1 主要元件的参数(mm)

	球面反射镜1	聚光镜5	聚光镜6	耦合透镜8	耦合透镜8	光阑11	光纤直径10
								直径	60.000	54.000	54.000	12.000	12.000	0.2	0.6
焦距	60.000	120.589	72.337	29.128	15.082		NA：0.37

其中“球形超高压汞灯”的功率为200W，隔热平镜为XRB1型，透紫外光滤光镜为ZWB2型，选取UV级荧光物镜、NA＝0.65、放大倍率为25x的显微物镜。

使用时，当接通高压汞灯2的220V交流稳压电源后，高压汞灯被点燃并辐射出光，一部分光线经球面反射镜1反射后与另一部分由高压汞灯直接辐射出的光线一起向前辐射，经隔热平镜3后得到已基本无红外的光束，再经带通滤色镜4后，可得到峰值波长的365纳米的紫外光束，光束继续向前传播至两曲面相对放置的平凸透镜5和6聚光部件，将原发散光束会聚直径为0.8mm的光斑，再通过兼作光阑的磁电式可控光闸7的通孔和两曲面相对放置的耦合透镜8和9，将紫外光束耦合至石英光纤10，光纤出射光再经直径为0.2mm的光阑11传导至显微物镜12，则在显微物镜12的焦面13上就可实现直径约为10.0μm的紫外光斑。

本说明书附图给出的图2为高压汞灯的光谱发光光谱，图3为XRB1的光谱特性曲线，图4为ZWB2的光谱特性曲线。

由附图2可知球形超高压汞灯的辐射光谱谱线较宽，在波长为365纳米处的紫外辐射较强，但微细光成型技术要求曝光光斑的带宽较小，故不能直接应用；因此，本设计通过在其前方选用一面隔热平镜(其光谱线如附图3所示)和一面带通滤色镜(其光谱线如附图4所示)，即通过附图3中的“b”位置和附图4中的“c”位置的合成，来获得附图2中“a”位置所示的峰值波长为365纳米的紫外光。

位于隔热平镜和带通滤色镜前方的聚光部件，是用来会聚汞灯出射的发散光能，虽然它不象物体成像系统对像差有较高的要求，但是，为了既能获得足够的光能，又有利于后续导光及光纤耦合部件的设计，本实用新型选用了双片式结构型式的两平凸透镜系统。

导光及光纤耦合部件的功能是将聚光部件所得的会聚光束在较小能量损失下传导至微缩光束系统的光刻头，为此，选用光纤传导方式，同时，通过选取合适数值孔径、纤芯直径的石英光纤，并通过透镜耦合方式，来提高光能传输效率，使得导光及光纤耦合部件具有结构简单，并能在X-Y平面内作任意扫描运动。

微细光刻头的任务是将光纤传输来的光束进一步缩微，使其能达到数微米量级，根据显微镜成像原理，将其光路倒置使用，并通过选取不同分辨率的显微物镜和在光路中插入不同大小的光阑，就很容易获得不同大小的微米级曝光光斑。

另外，在聚光部件与导光及光纤耦合部件之间设置一个光闸，以满足微细光成型技术对不同图形的可选择性扫描曝光的要求，同时，为了满足选择性曝光对光闸的响应频率性，要求，本实用新型选用“磁电式”音圈驱动结构来实现计算机的随机控制。

本说明书给出的实施例1已在一套微细光成型系统中得到了应用。附图5给出了曝光固化实验的微细直线线形的放大190倍的SEM照片；附图6给出了固化的微小三维实体零件双联齿轮的放大40倍的SEM照片。而本实用新型还可以通过光路有关参数的变化实现不同的需要，如“球形超高压汞灯”可以选用50W-500W不同的功率来实现不同输出能量的要求；隔热平镜3和带通滤光镜4与高压汞灯的距离以及两者之间的距离，双片式聚光系统与汞灯之间的距离都可以在一定范围内变化，来实现不同聚光效能的需求；石英光纤10的直径和其出射端光阑11的直径以及显微物镜12的数值孔径，也可以通过不同的优化匹配，来获得不同直径的紫外曝光光斑。

本实用新型“微细光束紫外光源”具有结构简单，成本低、易于实现、便于使用和维护等众多优点；由实施例显示的任意三维微细结构的微细加工成果可知，它不仅能满足“微细光成型技术”选择性扫描曝光的要求，还将能在快速成型技术领域发挥作用。

Claims (1)

1、一种微细光束的紫外光源，将高压汞灯(2)设置在一半径为50-80mm的球面全反射镜(1)的球心，并以高压汞灯(2)的发光中心高度为水平光轴，其特征在于：在光轴上高压汞灯(2)的前方50-80mm处设置一隔热平镜(3)，在隔热平镜(3)前方10-20mm处放置一带通滤色镜(4)，再将由两曲面相对放置的一对平凸透镜(5)和(6)组成的聚光部件安放在滤色镜的前方且距离汞灯90-120mm处，该平凸透镜(5)和(6)之间的间隙为2-5mm在平凸透镜(5)和(6)聚光部件的光束会聚处设置一兼作光阑的磁电式可控光闸(7)，该光闸(7)是一在电磁线圈的铁芯上垂直向上粘接一硅片，该硅片上开有一直径为0.6-1.0mm的通孔，将该通孔与光轴同轴放置；电磁线圈的两端与计算机并口相接；光闸(7)前方10-20mm处再安放一对两曲面相对放置的平凸形耦合透镜(8)和(9)，该两平凸形耦合透镜(8)和(9)之间的间隙为3-5mm；用于传导光束的石英光纤(10)其数值孔径为0.25-0.40、纤芯直径为0.4-0.7mm、长度为1.0-2.0m，该石英光纤(10)的入射端设置在耦合透镜(9)的焦点位置，出射端放置一直径为0.05-0.5mm的光阑(11)，在该光阑(11)的前方153.0mm处放置一个数值孔径为0.2-0.65的显微物镜(12)，则在显微物镜(12)的焦面(13)上可获得微米级紫外光束。

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