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用于科学研究和工业现代化。
图1.Innofocus公司设计的微透镜阵列。如图所示,微透镜阵列都在同一个平面上,同时形成一个密集的结构,中间没有任何空隙。
在计算成像领域中有一个重要的分支,即光场成像。而光场成像中的核心光学元件,即为微透镜阵列,其材质为透明玻璃,表面刻有很多微小的透镜,组成阵列结构,用来成像。目前比较成熟的制作石英微透镜的工艺是光刻胶制作图形配合刻蚀的方法,但该方法存在着各种各样的问题。
常用的光刻胶制作图形配合刻蚀的方法在透镜的设计时需通过掩膜板图形确定,无法自由调节,且成本高,每次新设计的透镜阵列都需要加工掩模板。另外由于每次更新设计都涉及加工制作新的掩膜板,导致加工工艺繁杂耗时长。
由于光刻技术是一种生产二维图形的工艺,因此无法直接控制所制造的镜头的三维表面形态。然而,焦距和图像质量在很大程度上取决于表面形态。因此,当表面形态不能被精确控制时,镜头的焦距和图像的质量就会受到严重影响。此外,由于通过加热形成拱形的方法,根据热变形均匀分布的原则,热稳定最可能形成的表面形态是球形的,无法准确控制。此外,由于加热表面形成拱形的方法不允许制造曲率半径小的透镜以实现高数值孔径,所以成像的分辨率受到很大限制。
由于受加热控制,每个镜头的曲率取决于施加在该镜头上的温度。温度的不同会导致曲率的不同,从而影响焦距。另外,即使温度都相同,也不能保证每个镜头在加热条件下会产生相同的曲率变化。因此,镜头阵列的均匀性是无法保证的。
这个过程对光刻胶有三个要求。1)对紫外光有光敏性。2)能被加热变形,形成拱形。3)能够抵抗用于图案转移的氩离子雕刻。只有特定的光阻剂能同时满足这些要求,因此选择范围受到严重限制。
即使曝光过程可以得到一致的控制,但如果在加热过程中没有对其表面形态的准确控制,每个微透镜阵列的质量就难以保持。这导致了低产量和可重复性。
基于Innofocus对加工微光学元件的理解,我们使用激光三维纳米打印技术来制作微透镜阵列的方法来克服传统工艺面临的种种问题。主要的途径有两种:
1.聚合物掩模刻蚀的方法
这种方法分为两个主要步骤:
1)使用激光纳米三维打印的方式在聚合物中制作出微透镜阵列的结构。
2) 然后以聚合物的微透镜阵列作为掩模,通过刻蚀的方式将图形转移到石英基片上。
2.激光在石英玻璃直写配合选择性酸刻蚀的方法
这种方法分为两个主要步骤:
1) 使用高功率激光在石英玻璃(可以是各种玻璃)里面直接通过飞秒激光引入的相变,写入所要加工的微透镜阵列的反结构(就是需要刻蚀去除的结构)
2)使用选择性酸刻蚀的方法将需要去除的地方刻蚀掉。
图2.单个微透镜的表面形貌
图3.2X2微透镜的表面形貌
激光加工的成本极低,因为不需要生产掩模,每一个新的透镜阵列设计只需要生成一个新的加工文件,就可以快速进行设计优化比较
每个微透镜的空间位置被用来相应地创建微透镜的表面轮廓,从而形成一个满足特定光场分布的微透镜阵列。
由于激光纳米3D打印技术对结构的三维表面形态的精确控制,可以实现对任意设计的微透镜的精确加工。表面轮廓的误差可以控制在10纳米以内,充分满足制造需求。
在高精度和均匀性的基础上,可以实现对微透镜阵列质量的精确控制,从而实现高成品率。
INNOFOCUS
广泛应用于虚拟现实、汽车照明、光学成像、雷达测距、红外成像等领域
利用NanoPrint 3D智能纳米加工系统进行飞秒激光加工,可以在透明介质中直接写入微米级、亚微米级甚至纳米级的三维微纳米结构,具有无掩膜、结构灵活、设计简单、加工速度快等优点。通过与不同光学材料的结合,它可以在全光通信领域实现广泛的应用,特别是在衍射光学、集成光学、片上光学、硅光子学、纳米光学和量子光学的制造方面,在众多微纳米制造技术中脱颖而出,成为越来越重要的使能技术。
三维微纳结构的设计可以增强局部光场与物质的相互作用,从而产生各种线性和非线性光学现象,缩短作用尺度,从而有效实现器件的小型化、集成化和低能耗。例如,Nanoprint 3D智能激光纳米制造系统可以实现各种微型衍射光学元件,包括微型透镜、集成光栅、波段片等,可以在成像、波长选择、色散补偿等方面发挥巨大作用。
此外,NanoPrint系统独特的高功率飞秒激光器能够与不同的材料,如玻璃、硅、硫基玻璃和铌酸锂晶体进行互动。这些材料可以有效地引入非线性光学相互作用,用于波长转换、光学开关、非线性调谐等。纳米级波导中的非线性相互作用可以被利用来产生有效的量子光学的纠缠光子源。飞秒激光器可以在光纤、块状玻璃和二维材料中引入超高折射率变化,形成高质量的光波导、超薄器件和复杂的三维集成光学系统,如光连接器和片上集成,这些都是超高速、超高容量和量子通信的重要使能部件。
微型光学元件是制造小型光电系统的关键部件,它具有体积小、重量轻、成本低的优点,可以实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波前转换等新颖功能。目前,光学系统的微型化和集成化已经成为各种应用的主要趋势。微型光学器件在光学成像和显示系统、光电系统、激光设备、热成像设备、夜视设备、红外扫描设备、显示系统、摄像系统、变焦镜头、医疗诊断用基金镜、内窥镜、渐进式镜头、手机、PDA、CD和DVD等方面发挥着越来越大的作用。
在应用需求的推动下,微光器件制造技术的研究也在不断深入。除了传统的超精密机械制造技术外,还出现了多种现代制造技术,如电子束写入技术、光刻技术、蚀刻技术、复制技术和镀膜技术。这些技术都是从微电子元件的微细加工技术发展而来的,但与原来的电子元件不同,三维成型精度和装配精度对光学元件至关重要,将直接影响其性能,因此这些方法都有各自的缺陷和使用限制。一般来说,加工精度和加工速度及产量是相互矛盾的目标,难以平衡。
NanoPrint 3D智能激光纳米制造系统的制造,基于激光与物质的非线性作用,可以实现多种材料的三维高精度微纳结构,为微光学元件的制造提供了新的思路。它还利用了多焦点并行加工技术,可以将制造效率和生产力提高数百倍,将激光直写技术从实验室推向生产制造环境。
以NanoPrint系统为代表的激光三维纳米制造技术,实现了非球面镜片、微透镜阵列、金字塔形微结构表面、减反射光栅、自由曲面光学元件等结构的制造,具有传统制造设备不具备的优势,如结构设计灵活、精度高、速度快等。它的主要特点是能够以纳米级的精度制造出真正的三维结构。