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

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

微透鏡是一系列孔徑尺寸在毫米至微米量級的微小透鏡，相同尺寸的透鏡按一定周期或規律排列在一個平面或曲面上便構成了微透鏡陣列。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、醫療、以及科研等領域獲得越來越多的應用，在實現系統的微型化、輕量化、陣列化、集成化和智能化中發揮了重要的作用［1］。

目前，在微透鏡及其陣列的制作方面，經過多年的發展，平面基底上制作微透鏡陣列的技術已逐步趨于成熟，其中比較穩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到幾十微米量級。在球面基底上制作微透鏡陣列技術的發展則不盡然，一部分應用中為了得到復眼透鏡陣列仍然采用人工方式，將預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，據文獻資料顯示，先后有研究人員提及柔性材料曲面復型法，以及模鑄法、金剛石車削等方法，并進行了相應理論上的以及模擬實驗的研究［7，8］。以上方法加工工藝復雜，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微結構的方法。采用改造的球面刻劃機，把刻刀替換為波長為405nm的半導體激光器，對涂覆好BP212光刻膠的球面基底進行曝光，通過顯影技術在球面基底上形成微浮雕結構，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構轉移到基底。結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 球面刻劃機的改造

1.1 球面激光直寫實驗平臺

平面基底上制作微透鏡陣列的工藝已經非常完善，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機，使用405nm的半導體激光器代替刻刀，激光直寫系統（圖1）由激光器、準直物鏡、精縮物鏡和計算機組成，在計算機控制下，入射激光經聲光調制器調制和透鏡組準直后聚焦到球面上，并利用舊球面刻劃機的軸系、分度蝸輪蝸桿、機械傳動等部分構成間距可調控的分度系統，使其在一定范圍內適應于不同曲率半徑的球面基底，組成了一種類似經緯儀的可旋轉移動的激光曝光實驗平臺。

圖1 激光直寫設備

1.2 球面等間距直寫原理

首先設球體為一個標準球體（圖2），XX′過球體的中心，并可隨著XX′作同軸正反方向的360°旋轉；設YY′同樣過球中心并與XX′正交；設球體可以繞YY′作水平角位移，并且激光器的出光方向始終正對準球體的中心點。當球體繞XX′逆時針方向旋轉BOB′角時，球上的B點就移到了B′點，此時激光器Z與XX′構成DOD′角，光斑位置為B點。當球體繞XX′順時針方向回轉BOB′角后，B′點為直寫截止點，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，必須先了解和設計幾個參數，這樣有利于質量控制，提高成品率。為了達到指定參數，要確定熱熔前后的膠層厚度和線寬，長為L，如圖3長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

設長方體光刻膠的體積為：

當光刻膠被加熱到一定溫度時會成為熔融狀，它具有一定的流動性。由于液體的表面張力作用，當它穩定下來的時候，就會出現固體、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

由此看來當在同一基底上涂覆相同光刻膠，熱熔時臨界角與涂膠厚度和線寬大小有關。

在光刻膠熱熔的過程中，光刻膠內的溶劑蒸發或反應，光刻膠體積會縮小，這個縮小的比率我們設為k。設Vt為熱熔后的體積，中心角θ=2α，Vt等于柱體的側面積與長度的乘積。

由這些參數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，總結出標準的加工工藝參數，確定形變率k和臨界角α。根據現有條件和理論計算，最后依據計算結果進行制作。

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，主要包括五個步驟：

（1）涂光刻膠：使用旋轉涂覆光刻膠的方法，控制機器的轉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：利用激光器對涂覆在球面基底上的光刻膠進行定點、定量的紫外曝光。

（3）顯影成型：通過對曝光過的光刻膠進行顯影得到長方形膠體。

（4）熱熔膠體：對長方形膠體加熱使其達到熔融狀態，利用其表面張力形成柱狀膠體。

（5）圖形轉移：通過ICP（感應耦合等離子體）刻蝕，控制刻蝕深度，將柱狀膠體轉移到基底材料上，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

實驗證明當在口徑為23mm、曲率半徑為15mm的球面基底上涂膠時，使用旋涂BP212正型光刻膠的方法，在轉速為3000r/min、旋涂40s時，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、旋涂轉速、球面的切線傾角有關。在傾斜角度一定的情況下，通過增加旋轉涂膠的轉速和減小光刻膠的粘度，可以縮小球面傾角對膠層厚度的影響，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元件成型完整，具有足夠的曲率。由于所需膠層較厚，需要進行多次涂膠，在此過程中需進行前烘環節以去除光刻膠內多余溶劑，使膠層牢固，提高粘附力，為了不影響光刻膠的化學性質，保持曝光的敏感性，本實驗前后涂膠3次，分別前烘8min、12min、20min，使每層的光刻膠內的溶劑含量相同，以提高曝光質量。在此之后進行激光直寫曝光和顯影環節，在球面上形成長方形柱狀光刻膠線條。

3.2 熱熔光刻膠

首先，熔融狀態的光刻膠在基片上的形狀與膠厚、膠體的性質和溫度，還有基片浸潤程度等有關。當涂膠量不足時，熱熔后球面出現凹陷（如圖5熱熔后膠量不足時的AFM圖、圖6輪廓儀測面型圖），當涂膠量過多時，由于液體的流動性和表面張力的限制，過多的膠體向下流動，導致設計的線寬變寬，對整體的微透鏡陣列的成像質量有影響。

圖5 熱熔后膠量不足時的AFM圖

圖6 輪廓儀測面形圖

其次，根據光刻膠熱熔原理，微柱面透鏡的尺寸依據所需的長方體體積而定，以使微透鏡陣列得到預期的形狀，但影響其成形的外因有很多，在試驗中看到，不僅熔融溫度影響微透鏡的質量，而且加熱速率以及加熱方式也會改變形成的質量。當利用加熱板加熱時，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光刻膠進行烘烤。通過實驗得知，微透鏡的形成過程雖有理論支撐和參數指導，但仍依賴實驗人員的水平的高低。最終采用恒溫爐加熱，經過反復實驗，最后確定BP212正性光刻膠在180℃～200℃時成熔融狀態，由于熔融狀態的光刻膠在一定曲率的球面基底上具有流動性，質點所受的合力方向向下，容易出現塌陷（圖7）和微柱面透鏡曲率（圖8）不同的現象。圖中凸起部分為微透鏡陣列，之間凸起的平臺是由于測試設備接收投射到被測物體的反射光線引起的。所用的基底為光滑的K9玻璃，其表面沒有被光刻膠覆蓋的部分反射率很大，所以出現了微透鏡之間的平臺。

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 微柱透鏡結構測量圖

通過工藝的改進，本文采取縮短升溫時間和快速冷卻膠體提高應力的技術，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，實驗結果表明，通過合理的設計與精密的微細加工實驗，光刻膠熱熔技術在球面基底上能夠獲得良好的效果。

4 結論

本文通過對球面刻劃機的改造，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，與臨界角的關系，同時敘述了微透鏡的設計和參數的選擇，其中曲率半徑可控，線寬可調。最后進行了表面輪廓的測量，說明其結構表面光滑、均勻，證明了激光直寫光刻和光刻膠熱熔技術相結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一步研究奠定了基礎。未來在光通信、傳感、光伏等領域有著廣泛的應用。

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