無機微光學元件批量化制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型微納加工方法，可無機微光學元件的高效率、低成本、批量化制作，從而為微光學從實驗室推向產(chǎn)業(yè)化提供一種有效的技術途經(jīng)。隸屬微納光學的范疇。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)光學元件如球面、非球面、柱透鏡、棱鏡等，多采用機械磨拋的方式加工，體積大，重量重，難以集成，無法適應小型化、輕量化、緊湊型光電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。上世紀80年代，國際上提出微光學元件的概念，利用超大規(guī)模集成電路工藝，將微透鏡和衍射光柵做在石英、硅等晶體材質平面基底上，可實現(xiàn)幾十微米子孔徑連續(xù)面型微透鏡列陣和亞微米特征尺寸衍射光柵的高精度制作，對光互連、集成光學等學科的研究起到極大的推動作用。目前微光學元件已經(jīng)廣泛應用于光束準直、光束勻化、聚焦、分束、光束整形光路中，成為在國防、工業(yè)、民用等各種緊湊型光電設備中的元件。
[0003]市場上有機光學元件多采用注塑的工藝，已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，廣泛應用于全息防偽、光電顯示等行業(yè)。然而有機微光學元件的熱穩(wěn)定性及抗紫外輻照等性能較差，環(huán)境適應能力不強，只能應用于照明光功率較小、環(huán)境相對溫和的領域。而激光器作為光源的系統(tǒng)，只能采用熱穩(wěn)定性好、環(huán)境適應性較強的無機材質微光學元件?，F(xiàn)有無機微光學元件加工方法是在超大規(guī)模集成電路制作技術基礎上發(fā)展起來的，多采用光刻、刻蝕的工藝，僅能加工硅、石英、鍺等晶體材料，對于光學系統(tǒng)中的玻璃材料無能為力，極大限制了微光學系統(tǒng)光學設計的自由度，同時采用單片制作工藝，成本較高，效率較低，很難實現(xiàn)大范圍內(nèi)推廣應用。
[0004]無機小型光學元件如小型球面、非球面透鏡，批量化模壓工藝目前已經(jīng)得到應用，如富士康、乙太光電等企業(yè)已經(jīng)利用模壓工藝將低熔點玻璃小球模壓成手機攝像頭鏡頭，廣泛應用于各種智能手機中。然而由于目前模具多采用鎢鋼材料，智能用超精密磨削加工的方式制作，現(xiàn)有技術僅能制作出單個有面型表達式的球面或非球面小透鏡，對于列陣式、自由曲面、衍射面微光學元件則無能為力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是:針對現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)列陣化、自由曲面、衍射面等無機微光學元件批量化、高效率、低成本制作的問題，提出一種采用模具制作、模具復制、模具改性、模壓復制、外形修飾等工藝流程的無機微光學元件加工方法，可實現(xiàn)任意面型結構、各種低熔點玻璃材料的無機微光學元件批量化制作，為無機微光學元件產(chǎn)業(yè)化應用提供一種有效途徑。
[0006]本發(fā)明利用超精密車削、激光直寫、光刻、高能束寫的方法制作出任意結構的微光學元件模具，然后將該類模具通過熱固化、紫外固化、刻蝕傳遞等復制工藝將微光學元件模具進行復制成為更多高分子材料或晶體材料模具，再將復制的模具通過電鑄工藝轉換成熱力學性能較好鎳材質微光學元件模具，并將其鍍膜改性，提升耐磨性和熱穩(wěn)定性，接著將改性后的鎳模具用于模壓制作無機玻璃微光學元件，最后將模壓后的微光學元件外形尺寸修飾成設計值便于裝調(diào)。該方法利用一個模板便可模壓復制加工出上千個無機光學元件，是一效率非常高、成本很低的批量化無機微光學元件制作方法，有望推動微光學元件的應用范圍，實現(xiàn)微光學元件的產(chǎn)業(yè)化。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:采用金剛石車削、激光直寫、光刻、聚焦離子束寫等工藝在塑料、金屬、膠體及晶體等材料上制作2D和3D微光學元件原始圖形模具。然后將帶有微光學元件圖案的原始模具通過熱固化、紫外固化、刻蝕傳遞等復制工藝制作出PDMS、光敏膠、晶體等材質的模具，從而利于模具的保存。再將復制的模具通過電鑄工藝轉換成熱力學性能較好鎳材質微光學元件模具，并在鎳模具上鍍SiC或金剛石性碳膜，改善鎳模具表面耐磨性。接著將改性后的鎳模具在高溫和惰性氣體保護氛圍中，用于模壓制作無機玻璃微光學元件。最后將模壓后的微光學元件通過激光切割、砂輪劃片或磨邊等方法，將微光學元件外形尺寸修飾成設計值。
[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，屬于全新的微光學元件制作技術，相似的有機微光學元件注塑工藝、無機微光學元件刻蝕工藝及小透鏡模壓工藝。(1)與有機微光學元件注塑工藝相比，有機注塑溫度均在200°C以下，只能用于有機PMMA等材質的制作，。本發(fā)明最高能在850°C高溫下工作，可以實現(xiàn)無機玻璃微光學元件批量化制作，所制作的元件環(huán)境適應性更好。(2)與現(xiàn)有無機微光學元件單片刻蝕工藝相比，可以批量化復制，效率更高，成本更低，產(chǎn)品一致性更好，同時適用材料種類更豐富。(3)與現(xiàn)有小透鏡高溫模壓相比，可以兼容小透鏡模壓工藝，同時可以實現(xiàn)衍射面、列陣面和自由曲面等特殊結構的批量化制作，適用范圍有極大拓展。
【附圖說明】
[0009]圖1為無機微光學元件批量化制作工藝流程示意圖。
[0010]圖2為超精密車削金屬銅列陣微光學元件模具。
[0011]圖3為超精密車削鋁衍射面微光學元件模具。
[0012]圖4為激光直寫光刻膠扇形微光元件模具。
[0013]圖5為光刻出的微透鏡列陣模具。
[0014]圖6為復制的PDMS材質模具。
[0015]圖7為復制的光敏膠材質微光學元件模具。
[0016]圖8為電鑄的鎳金屬模具。
[0017]圖9為模壓的平面結構無機微光學元件。
[0018]圖10為模壓的連續(xù)面型列陣微光學元件。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖及【具體實施方式】詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應包括權利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例，本領域的技術人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權利要求的全部內(nèi)容。
[0020]實施例一:無機玻璃微柱透鏡批量化制作:
[0021 ] (1)利用金剛石車床Y軸切削功能，或飛刀切削功能加工PMMA微柱透鏡列陣，微柱透鏡深225um，口徑1mm，長Y軸運動速度200mm/min，Z軸粗車進給量5?40um每次，精車進給量1?10um每次，粗車X軸進給量5?20um每步