一种微光学元件的复制方法

摘要

本发明公开了一种微光学元件的复制方法，涉及微光学元件的复制技术。该方法采用正性光刻材料(或负性光刻材料)作母板，光敏胶、硅橡胶等材料为复制过程的中间传递板，可复制出与母板凸凹面形相同或相反的微光学元件，故具有较大的灵活性和适用范围。本发明中间过程的传递板可长时间保存及重复使用，复制成本低，复制件的光学性能良好，单元尺寸不受限制，可用于大批量复制价廉的微光学元件。

说明书

本发明涉及一种微光学元件的复制方法。

微光学元件是一种新型的光学器件，在航空航天、光互连、光通讯等领域中应用广泛。随着科技的发展，大批、廉价的微光学元件需求日益广泛。

现有复制技术主要有以下几种：模压全息技术、平面热压技术，需要性能优良的设备，成本高，而且复制的微光学元件基片内有残余应力，质量受到影响。

国际光学工程学会刊物《微光学》1992年第1751卷的文章“在硅基底上制作微光学元件的溶胶-凝胶技术”(Jean-Luc R.Noguès，R.Layne Howell，Miniature-Optics，“Fabrication of pure silica micro-optics by sol-gelprocessing”SPIE，Vol.1751，214)公开了一种复制微光学元件的溶胶-凝胶技术。但这种方法需要建立收缩模型，故存在工艺复杂、加工周期长等的缺陷。并且，在凝胶干燥的过程中由于收缩及毛细管应力等原因导致凝胶开裂，因此用该方法制备的膜层很难超过1μm，经过改性后得到的最厚无支撑膜仅为50μm，故用该方法复制的微光学元件尺寸受到限制。

美国光学工程学会刊物《光学工程》1998年37卷第6期的文章“一种简单的微光学元件复制方法”(Philippe Nussbaum，Aline Husser，Ect.“Simpletechnique for replication of micro-optical”Opt.Eng.37(6)1804-1807)提出了一种复制微光学元件的方法。这种方法的缺陷在于最后复制出的微光学元件只能与母板凸凹面形相同，同为正透镜(凸面形透镜，下同)，或同为负透镜(凹面形透镜，下同)，所以采用负性光刻胶材料制作母板时无法通过这种方法得到正透镜元件。而负性光刻材料在微光学元件制作领域应用广泛，采用负性光刻材料形成大深度面形好的负透镜很有优势，因此该方法具有较大应用限制。

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种简单、成本低、能批量制作廉价的微光学元件的复制方法。

本发明的目的可通过以下技术措施实现：

按下面的工艺流程进行微光学元件的复制：

①、针对不同的微透镜参数选择不同的材料(负性光刻材料或正性光刻材料)制作母板，母板是表面具有微透镜列阵浮雕结构的模型(正透镜或负透镜)；

②、选择图形转移材料(如光敏胶)进行母板复制，得到第一传递板(负透镜或正透镜)；

③、选择复制材料(如硅橡胶)对第一传递板进行复制，得到第二传递板(正透镜或负透镜)；

④、通过传递板将所需图形制作在光敏胶膜层上，完成微透镜列阵的复制，得到需要的微光学元件(负透镜或正透镜)。

本发明的目的也可通过以下技术措施实现：通过复制方法的工艺流程可以直接由母板得到复制件，也可由第一传递板得到复制件，还可由第二传递板得到复制件。

本发明相比于现有技术有以下优点：本方法可采用负性光刻材料或正性光刻材料制作母板，通过一定的工艺流程，既可得到与母板凸凹面形一致的微光学元件，同为正透镜，或同为负透镜；也可得到与母板凸凹面形相反的微光学元件，被转化为负透镜，或被转化为正透镜，因此具有较大的灵活性。并且，由于本方法可通过负性光刻材料制作的负透镜母板复制出正透镜元件，而采用负性光刻材料形成大深度、面形好的负透镜很有优势，因此本发明扩大了复制方法的适用范围。

并且，本发明复制的微透镜的子口径从十几微米到几毫米、深度从几百纳米到几百微米，尺寸范围限制小。另外，由于选择的复制材料相互间脱附性能好，因此复制出的微光学元件面形保真度高，表面粗糙度低，光学性能良好。而且利用本发明的方法复制微光学元件对母板影响小，中间过程产生的复制传递板如硅橡胶板、光敏胶板等可长时间保存及重复使用，故降低了微透镜列阵的生产成本。因此本发明可用于大批量生产微光学元件。

附图说明：

图1是本发明实施例一的工艺流程图。

图2是本发明实施例一制作的柱透镜列阵的显微照片。

图3是本发明实施例二的工艺流程图。

图4是本发明实施例二制作的小孔径微透镜列阵的扫描电镜照片。

图5是本发明实施例三的工艺流程图。

图6是本发明实施例三母板表面轮廓。

图7是本发明实施例三制作的复制件的表面轮廓。

图8是根据微透镜的设计参数得到的理想抛物面面形和实际元件面形的拟合曲线。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例一是制作较大孔径柱透镜列阵，其子孔径为500μm，透镜矢高70μm，焦距2500μm，列阵数26×1。

如图1所示，实施例一的工艺流程如下：

1、制作母板：

根据实施例一制作的微透镜参数，透镜口径较大、浮雕深度较深，选

择明胶制作母板。明胶是负性光刻材料，制作出的母板是负透镜；

2、制作第一传递板：

选择光敏胶作为图形转移材料，对明胶母板进行复制，制作第一传递板，透镜面形为正透镜；

3、制作第二传递板：

选择硅橡胶作为复制材料对第一传递板进行复制，得到第二传递板，透镜面形为负透镜；

4、制作柱透镜列阵：

采用紫外光辐射，通过第二传递板将母板图形转移于光学基底上的光敏胶膜层，完成柱透镜列阵的制作，得到复制的微光学元件。该复制件与母板面形相异，为正透镜。图2是实施例一制作的柱透镜列阵的显微照片。

本发明实施例二是制作小孔径微透镜列阵。子孔径为17μm，横向矢高1.1μm，对角线矢高2.2μm。

如图3所示，实施例二的工艺流程如下：

1、制作母板：

根据所需制作的微透镜参数，要求透镜的口径小、浮雕深度较浅，选择正性光刻胶制作母板，母板是正透镜；

2、制作第一传递板：

选择硅橡胶作为图形转移材料，对母板进行复制，制作第一传递板，为负透镜；

3、制作微透镜列阵：

通过第一传递板转移图形于光敏胶膜层，完成微透镜列阵的制作，得到复制出的微光学元件，该微光学元件与母板图形相同，为正透镜。图4是本发明实施例二制作的小孔径微透镜列阵的扫描电镜照片。

实施例三是制作中孔径微透镜列阵。子孔径为250μm，位相深度14.5μm，焦距1000m，列阵数20×20，面形为抛物面形的微透镜列阵。

如图5所示，实施例三的工艺流程如下：

1、制作母板：

根据微透镜列阵的参数选择明胶制作母板，母板是负透镜；

2、制作微透镜列阵：

用光敏胶对母板进行直接复制，得到复制件，完成微透镜列阵的制作，得到微光学元件，该微光学元件与母板图形相异，为正透镜。

实施例三中母板位相深度为14.65μm，复制出的微光学元件位相深度为14.39μm。计算其图形转移效率为： $>>\eta >=>{{}_{}}_{}$>图6和图7分别表示实施例三的母板和复制件的表面轮廓；图中，横坐标表示微透镜的口径，纵坐标表示微透镜的浮雕深度。图8是根据微透镜的设计参数得到的理想抛物面面形和实际元件面形的拟合曲线；图中，横坐标表示微透镜的口径，纵坐标表示微透镜的浮雕深度，坐标单位为微米。