曲面3D微结构数字掩模光成型关键技术研究

摘要

曲面3D微结构有着紧凑的结构、独特的色散性能以及灵活的设计自由度等优点，已经逐渐发展成为现代工业及国防科技领域重要的基础器件。目前国内外已有的曲面3D微结构制作技术以逐点加工为主，生产成本高、周期长、效率低，严重制约了其工业化应用。本文基于数字掩模投影光刻技术，以利用平面数字掩模在平面基底上投影光成型曲面3D微结构为关键突破点，深入研究了制作深度、曝光剂量及数字掩模间的映射关系，提出了一种以制作高度可编程控制的二维小方柱阵列近似表达曲面3D微结构轮廓的方法，即曲面3D微结构数字掩模光成型方法。与既有制作方法相比，该方法是一种低成本、短周期，高效率的数字化快速面成型方法，可广泛应用于现代化微纳加工领域。
　　主要研究内容和成果包括：
　　1、首次提出了曲面3D微结构数字掩模光成型方法。该方法充分利用SLM对曝光剂量的数字化离散调制，以投影光刻的方式，在平面基底上曝光经SLM调制的二维方柱形曝光剂量阵列。并针对曲面3D微结构轮廓不能通过单一坐标系精确表达的难题，有针对性的提出了迭代优化设计算法与逐点优化设计算法，以适用于曲面3D微结构的数字掩模优化设计。
　　2、针对单灰阶数字掩模制作曲面3D微结构的曲率受限性，提出了一种曲面3D微结构多灰阶数字掩模光成型方法。该方法以多幅数字掩模叠加曝光的方式，突破数字掩模可用于曝光剂量调制的灰度级数上限，进一步实现数字掩模光成型的制作曲率突破。研究了三种曲面3D微结构几何结构拆分方法，并提出了与几何结构拆分方法相对应的数字掩模设计算法。
　　3、针对数字掩模光成型系统的制作面积受限性，提出了曲面3D微结构数字掩模曲面拼接光成型方法。该方法利用多幅数字掩模水平拼接，并通过严格控制各掩模衔接处的灰度，使得拼接处的曲率变化符合曲面结构的整体曲率变化规律，并提出了相应的曲面拼接数字掩模设计算法。
　　4、针对曲面3D微结构数字掩模光成型技术的横、纵向制作分辨受限性，提出了数字掩模曲面移动光成型方法，该方法有机的结合静、动两种数字掩模曝光形式，拓展了其制作适用范围，分两类移动方式研究了数字掩模曲面移动光成型掩模生成算法；提出了数字掩模曲面分形光成型方法，该方法将有周期结构的曲面3D微结构按其周期排形式抽样扩大周期拆分为多个分曲面3D微结构，有效的降低了数字掩模的空间频率，减小精缩透镜的低通特性对制作精度的影响，分两类分形方式研究了数字掩模曲面分形光成型数字掩模生成算法。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 曲面3D微结构制作技术进展

1.3 论文的内容安排

第二章 曲面3D微结构数字掩模光成型理论与实验研究

2.1曲面3D微结构数字掩模光成型理论模型

2.2曲面3D微结构数字掩模光成型系统及实验研究

2.3 本章小结

第三章 曲面3D微结构多灰阶数字掩模光成型方法研究

3.1 多灰阶数字掩模曝光原理

3.2 曲面3D微结构多灰阶数字掩模设计算法

3.3 曲面微透镜阵列双灰阶数字掩模光成型实验

3.4 本章小结

第四章 曲面3D微结构数字掩模曲面拼接方法研究

4.1 曲面3D微结构数字掩模光成型制作面积受限分析

4.2 曲面3D微结构数字掩模曲面拼接算法

4.3 曲面微透镜阵列数字掩模曲面拼接光成型实验

4.4 本章小结

第五章 曲面3D微结构数字掩模动态光成型方法研究

5.1 曲面3D微结构数字掩模动态光成型方法必要性分析

5.2曲面3D微结构数字掩模曲面移动光成型方法

5.3曲面3D微结构数字掩模曲面分形光成型方法

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文