球面基底上制作微柱面透鏡工藝研究

尹航，董連和，宋璇，陳哲

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

微透鏡是一系列孔徑尺寸在毫米至微米量級(jí)的微小透鏡，相同尺寸的透鏡按一定周期或規(guī)律排列在一個(gè)平面或曲面上便構(gòu)成了微透鏡陣列。由于微透鏡及其陣列具有多重成像和聚能的功能作用，在軍事、航天、工業(yè)、醫(yī)療、以及科研等領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化、輕量化、陣列化、集成化和智能化中發(fā)揮了重要的作用［1］。

目前，在微透鏡及其陣列的制作方面，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，平面基底上制作微透鏡陣列的技術(shù)已逐步趨于成熟，其中比較穩(wěn)定的制作方法主要包括光刻膠熱熔法、離子交換法、光敏玻璃熱成型法以及模壓法等［2-5］，微透鏡口徑的最小尺寸達(dá)到幾十微米量級(jí)。在球面基底上制作微透鏡陣列技術(shù)的發(fā)展則不盡然，一部分應(yīng)用中為了得到復(fù)眼透鏡陣列仍然采用人工方式，將預(yù)先加工成型的孔徑尺寸在3～8mm微透鏡陣列拼接粘合在曲面基底上［6］。與此同時(shí)，據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，先后有研究人員提及柔性材料曲面復(fù)型法，以及模鑄法、金剛石車削等方法，并進(jìn)行了相應(yīng)理論上的以及模擬實(shí)驗(yàn)的研究［7，8］。以上方法加工工藝復(fù)雜，制作透鏡尺寸較大，所需加工成本較高，因此提高球面微透鏡陣列的制作工藝具有重要意義。

本文提出一種新的非平面加工光學(xué)微結(jié)構(gòu)的方法。采用改造的球面刻劃?rùn)C(jī)，把刻刀替換為波長(zhǎng)為405nm的半導(dǎo)體激光器，對(duì)涂覆好BP212光刻膠的球面基底進(jìn)行曝光，通過(guò)顯影技術(shù)在球面基底上形成微浮雕結(jié)構(gòu)，并利用光刻膠熱熔工藝在球面基底上成功加工出了微柱面透鏡陣列，最后采取離子刻蝕的方法將微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基底。結(jié)果表明此種方法在球面上制作微透鏡陣列具有很好的可行性。

1 球面刻劃?rùn)C(jī)的改造

1.1 球面激光直寫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

平面基底上制作微透鏡陣列的工藝已經(jīng)非常完善，而且透鏡表面光潔、均勻，成像效果良好，但在球面基底上制作微透鏡陣列的工藝還不成熟，主要是由于球面曝光的能量不均勻，激光束難以一直保持在基底上聚焦。為了使激光束的焦點(diǎn)一直在基底上、曝光均勻、利于光刻膠成型，本文改造了球面刻劃?rùn)C(jī)，使用405nm的半導(dǎo)體激光器代替刻刀，激光直寫系統(tǒng)（圖1）由激光器、準(zhǔn)直物鏡、精縮物鏡和計(jì)算機(jī)組成，在計(jì)算機(jī)控制下，入射激光經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制和透鏡組準(zhǔn)直后聚焦到球面上，并利用舊球面刻劃?rùn)C(jī)的軸系、分度蝸輪蝸桿、機(jī)械傳動(dòng)等部分構(gòu)成間距可調(diào)控的分度系統(tǒng)，使其在一定范圍內(nèi)適應(yīng)于不同曲率半徑的球面基底，組成了一種類似經(jīng)緯儀的可旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的激光曝光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 激光直寫設(shè)備

1.2 球面等間距直寫原理

首先設(shè)球體為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球體（圖2），XX′過(guò)球體的中心，并可隨著XX′作同軸正反方向的360°旋轉(zhuǎn)；設(shè)YY′同樣過(guò)球中心并與XX′正交；設(shè)球體可以繞YY′作水平角位移，并且激光器的出光方向始終正對(duì)準(zhǔn)球體的中心點(diǎn)。當(dāng)球體繞XX′逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)BOB′角時(shí)，球上的B點(diǎn)就移到了B′點(diǎn)，此時(shí)激光器Z與XX′構(gòu)成DOD′角，光斑位置為B點(diǎn)。當(dāng)球體繞XX′順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)BOB′角后，B′點(diǎn)為直寫截止點(diǎn)，激光器Z就在球表面上直寫出了表面弧BB′，同理寫出CC′，余下可以此類推。

圖2 球面等間距直寫原理

2 光刻膠熱熔技術(shù)原理

在利用光刻膠熱熔工藝制作微透鏡陣列前，必須先了解和設(shè)計(jì)幾個(gè)參數(shù)，這樣有利于質(zhì)量控制，提高成品率。為了達(dá)到指定參數(shù)，要確定熱熔前后的膠層厚度和線寬，長(zhǎng)為L(zhǎng)，如圖3長(zhǎng)方體光刻膠在熱熔后成為柱狀，其切面曲率半徑為R。

圖3 微柱透鏡切面示意圖

設(shè)長(zhǎng)方體光刻膠的體積為：

當(dāng)光刻膠被加熱到一定溫度時(shí)會(huì)成為熔融狀，它具有一定的流動(dòng)性。由于液體的表面張力作用，當(dāng)它穩(wěn)定下來(lái)的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)固體、液體、氣體相接觸的情況，固體表面和液體的切面所成的夾角α，即為臨界角。

由切面示意圖（3）可知

由此看來(lái)當(dāng)在同一基底上涂覆相同光刻膠，熱熔時(shí)臨界角與涂膠厚度和線寬大小有關(guān)。

在光刻膠熱熔的過(guò)程中，光刻膠內(nèi)的溶劑蒸發(fā)或反應(yīng)，光刻膠體積會(huì)縮小，這個(gè)縮小的比率我們?cè)O(shè)為k。設(shè)Vt為熱熔后的體積，中心角θ=2α，Vt等于柱體的側(cè)面積與長(zhǎng)度的乘積。

由這些參數(shù)可以制作微透鏡陣列，但是要制得成像效果良好的微透鏡陣列需要多次試驗(yàn)，總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)的加工工藝參數(shù)，確定形變率k和臨界角α。根據(jù)現(xiàn)有條件和理論計(jì)算，最后依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行制作。

3 微柱透鏡的制作工藝

本文提出的這種在球面上加工微透鏡陣列的方法如圖4所示，主要包括五個(gè)步驟：

（1）涂光刻膠：使用旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠的方法，控制機(jī)器的轉(zhuǎn)速和光刻膠的粘度從而在球面上均勻涂覆光刻膠。

（2）激光直寫：利用激光器對(duì)涂覆在球面基底上的光刻膠進(jìn)行定點(diǎn)、定量的紫外曝光。

（3）顯影成型：通過(guò)對(duì)曝光過(guò)的光刻膠進(jìn)行顯影得到長(zhǎng)方形膠體。

（4）熱熔膠體：對(duì)長(zhǎng)方形膠體加熱使其達(dá)到熔融狀態(tài)，利用其表面張力形成柱狀膠體。

（5）圖形轉(zhuǎn)移：通過(guò)ICP（感應(yīng)耦合等離子體）刻蝕，控制刻蝕深度，將柱狀膠體轉(zhuǎn)移到基底材料上，完成微透鏡陣列的制作。

圖4 球面基底制作微柱面透鏡流程圖

3.1 涂膠

實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)在口徑為23mm、曲率半徑為15mm的球面基底上涂膠時(shí)，使用旋涂BP212正型光刻膠的方法，在轉(zhuǎn)速為3000r/min、旋涂40s時(shí)，可以得到均勻的光刻膠層，厚度約為0.8μm。涂膠的厚度和均勻性與光刻膠的粘度、旋涂轉(zhuǎn)速、球面的切線傾角有關(guān)。在傾斜角度一定的情況下，通過(guò)增加旋轉(zhuǎn)涂膠的轉(zhuǎn)速和減小光刻膠的粘度，可以縮小球面傾角對(duì)膠層厚度的影響，使膠層均勻。受光刻膠特性的限制，在光刻膠熱熔前，最重要的是涂覆一定厚度的光刻膠，以保證所制成的微光學(xué)元件成型完整，具有足夠的曲率。由于所需膠層較厚，需要進(jìn)行多次涂膠，在此過(guò)程中需進(jìn)行前烘環(huán)節(jié)以去除光刻膠內(nèi)多余溶劑，使膠層牢固，提高粘附力，為了不影響光刻膠的化學(xué)性質(zhì)，保持曝光的敏感性，本實(shí)驗(yàn)前后涂膠3次，分別前烘8min、12min、20min，使每層的光刻膠內(nèi)的溶劑含量相同，以提高曝光質(zhì)量。在此之后進(jìn)行激光直寫曝光和顯影環(huán)節(jié)，在球面上形成長(zhǎng)方形柱狀光刻膠線條。

3.2 熱熔光刻膠

首先，熔融狀態(tài)的光刻膠在基片上的形狀與膠厚、膠體的性質(zhì)和溫度，還有基片浸潤(rùn)程度等有關(guān)。當(dāng)涂膠量不足時(shí)，熱熔后球面出現(xiàn)凹陷（如圖5熱熔后膠量不足時(shí)的AFM圖、圖6輪廓儀測(cè)面型圖），當(dāng)涂膠量過(guò)多時(shí)，由于液體的流動(dòng)性和表面張力的限制，過(guò)多的膠體向下流動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的線寬變寬，對(duì)整體的微透鏡陣列的成像質(zhì)量有影響。

圖5 熱熔后膠量不足時(shí)的AFM圖

圖6 輪廓儀測(cè)面形圖

其次，根據(jù)光刻膠熱熔原理，微柱面透鏡的尺寸依據(jù)所需的長(zhǎng)方體體積而定，以使微透鏡陣列得到預(yù)期的形狀，但影響其成形的外因有很多，在試驗(yàn)中看到，不僅熔融溫度影響微透鏡的質(zhì)量，而且加熱速率以及加熱方式也會(huì)改變形成的質(zhì)量。當(dāng)利用加熱板加熱時(shí)，光刻膠從下部開始受熱，受熱不均勻的光刻膠表面形成許多氣泡，嚴(yán)重影響面型，由于加熱板加熱升溫迅速，光刻膠表面容易烤焦，因此我們選擇恒溫爐對(duì)光刻膠進(jìn)行烘烤。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，微透鏡的形成過(guò)程雖有理論支撐和參數(shù)指導(dǎo)，但仍依賴實(shí)驗(yàn)人員的水平的高低。最終采用恒溫爐加熱，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最后確定BP212正性光刻膠在180℃～200℃時(shí)成熔融狀態(tài)，由于熔融狀態(tài)的光刻膠在一定曲率的球面基底上具有流動(dòng)性，質(zhì)點(diǎn)所受的合力方向向下，容易出現(xiàn)塌陷（圖7）和微柱面透鏡曲率（圖8）不同的現(xiàn)象。圖中凸起部分為微透鏡陣列，之間凸起的平臺(tái)是由于測(cè)試設(shè)備接收投射到被測(cè)物體的反射光線引起的。所用的基底為光滑的K9玻璃，其表面沒(méi)有被光刻膠覆蓋的部分反射率很大，所以出現(xiàn)了微透鏡之間的平臺(tái)。

圖7 光刻膠熱熔后塌陷表面輪廓圖

圖8 光刻膠熱熔后微柱的不同曲率輪廓圖

圖9 微柱透鏡結(jié)構(gòu)測(cè)量圖

通過(guò)工藝的改進(jìn)，本文采取縮短升溫時(shí)間和快速冷卻膠體提高應(yīng)力的技術(shù)，先把爐溫升到160℃，放入基片，恒溫5min，使膠面受熱均勻，再提升溫度到190℃，恒溫5min，最后開爐取出基片迅速冷卻。得到的微柱透鏡面形如圖9所示，微柱透鏡高為2微米且表面光滑、平整，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)與精密的微細(xì)加工實(shí)驗(yàn)，光刻膠熱熔技術(shù)在球面基底上能夠獲得良好的效果。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)球面刻劃?rùn)C(jī)的改造，在k9玻璃為基底的曲面上，涂覆BP212正性光刻膠，制作出底面線寬50μm的微柱透鏡，并且得到了微柱透鏡的曲率與膠膜高度，與臨界角的關(guān)系，同時(shí)敘述了微透鏡的設(shè)計(jì)和參數(shù)的選擇，其中曲率半徑可控，線寬可調(diào)。最后進(jìn)行了表面輪廓的測(cè)量，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)表面光滑、均勻，證明了激光直寫光刻和光刻膠熱熔技術(shù)相結(jié)合制作微柱透鏡的這種工藝的可行性。為曲面微透鏡陣列制作的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)在光通信、傳感、光伏等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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