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三維光刻技術在微透鏡制作方面的應用

       微透鏡陣列是由直徑從幾百納米到幾毫米的子透鏡在基板上按一定排列順序組成的,單元數目從幾千到幾萬不等。由于微透鏡陣列中的每一個子透鏡都擁有唯一的光軸,若所有子透鏡的參數相同,則他們的光學性能都應相同,而將所有的單元結構作為一個陣列整體時,又擁有一個主光軸。因此與傳統的單透鏡相比,微透鏡陣列擁有極高的并行性,每個子透鏡可以相互獨立的傳輸光學信號,互不干擾,就相當于存在著大量的二維并行光路,每個子透鏡都具有對光信息進行傳輸、變換成像等功能。制作微透鏡陣列有許多方式,我們列舉幾個常見的制作方式,并著重看下三維光刻技術在微透鏡制作方面的應用。


一、微透鏡陣列的分類


微透鏡陣列根據外形的不同,可分為平面微透鏡陣列和曲面微透鏡陣列。

? 平面微透鏡陣列較為常見,每個子透鏡光軸相互平行,如應用在光場相機和一些 CCD 傳感器中的微透鏡陣列;

? 昆蟲的復眼結構就是典型的曲面微透鏡陣列,具有大視角,高分辨率等優點。

除卻外形分類方法,還可以依據光的折射和衍射原理將微透鏡陣列分為折射型微透鏡陣列和衍射型微透鏡陣列。

? 子透鏡表面呈現光滑且連續狀的多為折射型微透鏡陣列,在成像顯示、光束準直、光互聯以及微掃描等方面有較多的應用;

? 表面呈現浮雕結構的往往是衍射型微透鏡陣列,在圖像識別與處理、電光探測器、空間光學等領域有較多的應用。


二、微透鏡陣列結構的幾種加工方法


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圖1 微透鏡陣列電子顯微鏡圖


機械加工法:

這是一種比較早期的微透鏡加工方法,其優點是簡單易行,利用高精度CNC工具可以挖出對應的微透鏡結構,或者利用更為精密的單點金剛車工具挖出微球凹坑結構,當然加工的都是模具,再配合注塑工藝或者熱壓成型獲得帶有微透鏡陣列的板材或者型材。


熱回流法:

熱回流是當前比較流行的一種微透鏡陣列結構的加工方法。其過程是利用光刻膠曝光顯影后形成圓柱或者特定形狀的柱子陣列結構,通過加熱后讓光刻膠達到并超高其玻璃態轉變溫度后軟化,在其表面張力的作用下形成微透鏡陣列(如下圖2所示)。再配合電鑄工藝實現結構向模具的轉化,最后利用注塑或者納米壓印的方式進行大批量的復制生產。


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圖2 熱回流法


噴膠法:

利用高精密噴嘴將聚合物液體噴出,并形成一定尺寸的液滴,在空間中飛行后著陸在襯底表面形成半球面,再通過加熱溶劑揮發,或者紫外光照固化的方式形成球面微透鏡結構,輔以高精度的機械機臺和噴嘴陣列以及控制系統,就可以獲得有效面積的微透鏡陣列結構(如下圖3所示)。這種加工方式的優點是,無需向上面兩種方法先制作模具后通過注塑或者壓印的方式進行復制,它本身就有很高的生產效率,可以直接用于生產。但是其缺點就是需要適配合適的噴射聚合物材料,還需要匹配其材料與襯底的粘附性等問題才能獲得可控矢高的微透鏡陣列;


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圖3 噴膠法


灰度曝光法:

上述幾種方法幾乎有個共性,就是球面的形狀可控性比較差,實際使用中,非球面的微透鏡陣列需求越來越多,因對這種需求,我們往往需要通過灰度光刻的方式來實現微透鏡陣列結構,灰度光刻的就是利用灰度光刻掩膜版(掩膜接觸式光刻)或者計算機控制激光束或者電子束劑量從而達到在某些區域完全曝透,而某些區域光刻膠部分曝光,從而在襯底上留下3D輪廓形態的光刻膠結構(如下圖4所示,八邊金字塔結構)。微透鏡陣列也是類似,可以通過劑量分布的控制來控制其輪廓形態。需要注意,灰度光刻方法獲得的微透鏡陣列的表面粗糙度相比于熱回流和噴墨法獲得的透鏡要大的多,約為Ra=100nm,前兩者可以會的Ra=50nm的球面。


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圖4 灰度曝光法


微納3D打?。?/strong>

這種方法與灰度光刻有點類似,但是原理不同。魔技納米科技有限公司正是用的這種三維光刻技術制作微透鏡陣列。我們常見的微納3D打印技術是雙光子聚合,利用該技術我們理論上可以獲得任意想要的結構,不僅僅是微透鏡陣列結構(如下圖5、圖6所示),該方法的優勢是可以完全按照設計獲得想要的結構,后續可以通過LIGA工藝獲得金屬模具,并通過納米壓印技術進行復制。


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圖5 魔技納米-透鏡陣列電子顯微鏡圖

 

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圖6 魔技納米-芯片透鏡電子顯微鏡圖


       魔技納米部分納米級三維激光直寫設備展示:


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點擊次數:70  更新時間:2021-12-02 09:15:39
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