第6章 微光学元件的复制技术

• 注射成型保压结束后，若工艺参数设置合理，浇 口同时冻结（设浇口冻结时间为tg, f ），制品质量
将不再改变，则制品质量W 可由下式计算:
W Vp (x, y, z,tgf )dV Vp Vp
式中:W —制品质量； Vp —充填体积； tgf —浇口冻结时间。
• 由上面2个公式和上述的分析可知：制品质 量包含了制品体收缩和微结构充填的信息， 充填率越高，体积收缩率越小(密度越大) ， 则制品质量越大，制品精度越高。
注射成型
• 高的复制度是注射成型微结构零件需要满足的首要 条件，成型工艺参数的改变直接影响到微结构零件 复制度的高低。
• 为作定性分析，将不同形状的单元微透镜简化为微 圆柱，简化后的微透镜阵列实验模型及其模芯镶件 如图所示
• 制作微透镜阵列模芯镶件的工艺过程如图所示。
• 将涂有一定厚度光刻胶的基板在具有适当孔径的圆 形图案的掩模遮蔽下，进行深度紫外曝光，经显影 后在基底上即可形成相对应的孤立的岛状圆柱形胶 体，即微圆柱阵列的表面结构；在制作好的微圆柱 阵列图案的光刻胶板基础上，进行电铸成型复制， 制成金属模芯镶件。
• 对工作波长为能632.8nm，直径25.4mm， F/10的4台阶菲涅耳透镜，若对准误差为 0.25μm，其母版的衍射效率会下降8％。
• 实际测量发现由DPE技术复制的元件与母 版衍射效率基本相等。
• 对于复制加工指标很高的成像器件，可以通过星 点检测和调制传递函数MTF来评价其质量。
• 杜邦公司的SURPHEXTM —P膜是专为复制精度要 求很高的成像器件设计的。
• 制作的微圆柱阵列镍模芯镶件如图所示。
• 制品体收缩率过大和微结构充填不足是造成微结 构零件注射成型复制度不高的主要因素。制品内 某点体收缩率定义为
Vi
(troom , patm ) (ti (troom , patm )
pi )
式中:V i —制品内某点体收缩率； ρ( troom , patm) —室温和实验室大气压下的密度； ρ( ti , pi ) —注射成型周期内的密度。
• 随着科学技术的发展，微光学元件的复制 技术日益完善。
干性光聚合物紫外成型压模（DPE）技术
• 这种DPE复制衍射光学元件技术是杜邦公司专为 复制衍射光学元件而发明的专利。该公司研制出 了一种能够复制高衍射效率、高纵横比的浮雕形 光学元件的干型光聚合物SURPHEXTM。
• SURPHEXTM的膜层厚度可以做到2μm到50μm， 其可以满足各种衍射光学元件的厚度要求。目前 已有公司利用该复制技术成批量生产衍射光学元 件。
影响程度
• 微透镜阵列的光刻胶热熔加工技术、F#影响因素及改 善方法
• 干性光聚合物紫外成型压模（DPE）技术、溶胶－凝 胶复制技术
• CCD非成像聚光微光学系统、微光学线性扫描器 • 阵列发生器及其分类、 Dammann光栅、 Talbot光栅
• 换言之，制品成型质量的大小初步反映了 微结构零件注射成型复制度的高低，在微 结构零件注射成型中，可用制品成型质量 来初步量化评价其复制度。
注射成型实验和表征
• 实验原料为台湾奇美实业公司的CM2205 型号 PMMA ,主要性能参数如表1 所示。
注射成型机
• 采用海天HTF86X1/ J 1 型注塑机，主要技术参数 为：螺杆直径36 mm、螺杆长径比21.2 、最大注 射压力183 MPa 、最大注射量131 cm3 。
附在基片上。
(5)适用于许多聚合物或无机物基底材料。 (6)大批量复制器件在价格上具有优势。 (7)能用于连续浮雕表面复制。
电铸制模与注模复制
• 该方法是利用电铸方法制成与光刻胶微透镜阵列的面形完全 相反的模具（电铸制模过程），然后通过热压或模压方法便 可制作出与光刻胶微透镜阵列的面形完全相同的微透镜阵列。
第六章 微光学元件的复制技术
• CCD非成像聚光微光学系统 • 密集多载波光波分复用微光学系统 • Shack－Hartmann波前传感器微光学系统 • 半导体激光器光纤耦合微透镜系统
• 大部分微光学器件母版制作成本较高。
• 发展复制技术是降低微元光学器件成本、 推广应用的关键。
• 目前已有的复制技术已经成功地应用于微 元光学的批量生产。
(2)能复制多种复杂的表面，包括凹、凸面，非球面，闪耀光 栅面、多台阶面等。
(3)能够经济地大批量复制元件。 (4)最关键的是它能够将微结构复制到SiO2这种理想的光学 材料中，因此它是一种极有前途的复制技术。
• 大部分光学元件复制工艺都是将表面轮廓复制到塑料或其 他聚合物中，而SOL－GEL复制技术是经过一系列特殊工 序较将其微他结复构制成材形料在有如SiO下2基优底点材：料中。用SiO2做为复制材料
(1)干型紫外成形光聚合物的处理方法和加工技术更精细。 (2)表面浮雕轮廓复制精度非常高(＜0.1％的收缩误差)。 (3)SURPHEXTM —P膜复制元件能够得到衍射极限图像(成 形后SURPHEXTM —P膜具有很高的光学均匀度)。 (4)不需要加其他粘接层就能将SURPHEXTM —P膜密牢靠地
• 结果表明，对于PMMA 微圆柱阵列，增加保压压 力，制品重量约增加1 % ，但浇注系统质量变化 幅度不到0. 2 % ，
• 表明在浇口尚未封闭的情况下，增加熔体温度和 模具温度能够使保压压力更有效地通过流道系统 传递到微型腔，增加制品质量；影像测量仪观测 结果发现，成型质量大的制品，微结构充填效果 好，即微结构的复制度高。
• 将SiO2的母体与去离子水混合，典型的SiO2母体是四 乙基原硅酸盐(TEOS)和四甲基原硅酸盐(TMOS)。混 合后发生水解和凝结反应，这种混合物就是SOL。
• 当SOL完全均匀后，将其浇铸入模具中，SOL继续进 行水解和凝结反应，所产生的SiO2产物称为GEL。
• GEL开始是SiO2粒子随机连在一起的三维网状结构， 随着
技术种类
热压
代表性元件
优点
高纵横比的微结构、 成本低、效率高
缺点
慢（几分钟）、保真 差、冷却后收缩
注射成型
光盘、微透镜、BOE、 加工对象广泛 低纵横比元件
模具成本高且寿命有 限、元件收缩
电铸
衍射光栅
精度高、性能好 慢（几小时）、成本 高
干法光敏聚合物 BOE、方格光栅 紫外模压
高精度、高纵横 成本比热压高、元件
• 用星点法分别检测母版和SURPHEXTM —P膜复制 器件的结果：母版焦斑是标准的爱里斑图样，复 制器件的焦斑基本上是爱里斑，但存在少量的慧 差，它是由基底光学质量的缺陷引起的。
• 可以认为SURPHEXTM —P 膜达到了复制光学器件 的最高目标——衍射极限成像。
• 母版和复制器件测量的调制传递函数也是评 价成像器件的复制质量的常用方法。图为上 述设计参数的菲涅耳透镜母版的调制传递函 数(MTF)。
• DPE复制技术的工艺流程如图，该流程都是在黄 光照明条件下进行的。
模板
SURPHEXTM
基底
复制技术
压模 模板
曝光 印章
基底
复制元件
分离 印章
复制元件
紫外光
a
b
c
d
➢ 首先在基底上压制SURPHEXTM膜，并去掉其表面的保护层，并在器件的表 面镀上镍等金属作为复制的印章（如图a）。
➢ 然后进行压模（如图b），即将印章压在SURPHEXTM膜上，使基底、 SURPHEXTM膜和印章紧密的结合在一起。这样，印章的图案便转移到了 SURPHEXTM膜中。
• 在密化过程中，去掉SOL中的多孔。其间GEL整 体有一定收缩，其收缩是稳定的和可预知的。
• 因此可以用模具结构的改变来补偿其收缩大小。
• 用SOL－GEL工艺能够复制折射微透镜阵列、台 阶型二元光学器件和全息光栅等。
• 与其他复制技术相比，它具有如下特点：
(1)复制表面结构尺寸范围很宽。其特征尺寸可以从毫米到亚 微米范围。
➢ 再对其进行紫外光曝光（如图c），SURPHEXTM膜便永久的保持浮雕图案。 ➢ 最后把印章和复制好的元件进行分离（如图d），便得到了复制的衍射光学
元件。
100
80 透 过 率 60 ％
40
20
T
500
1000
1500
2000
2500
波长/nm
• 厚度为25μm的SURPHEX膜复制件的紫外－可见－近红外光谱特性
• 电铸制模方法首先通过蒸发或喷射沉积方法在光刻胶微透镜 阵列表面镀上一层金（银）薄膜；然后把它作为阴极，把一 块镍作为阳极，在电解液中进行电铸，使阴极上生成较厚的 镍与层光；刻由 胶于的真空金结蒸（合银 银程） 度薄，膜因与此镍可的将结表合面程附度着远金远 （大银于）金的（镍银与）光 刻胶分离开，作为复制的模。
• 将母板复制到PDMS表面可得到与母板反相的模 具，或用电铸法制得模具，如图(c)；
• 将溶胶(Sol)注入到印章中，经过溶胶的水解和凝 结反应生成SiO2，即凝胶(Gel) 如图(d)。
• 通过密化过程可以去掉凝胶中的孔隙，使其结构 更加致密，并与所要设计的器件完全一致。
• 包括：混合、浇铸、凝胶、老化、干燥和密化六个工 序。
(1)件透在射波光长谱0范.1围7μ宽m。到用3.4SμOmL都－有G很EL高工的艺透生过产率的，纯而Si大O2多复数制聚元 合物材料在近紫外和红外光谱区透过率都很低。
(2)具有高抗辐射损伤阈值，特别适用于军事、航空以及其他 恶劣环境中。
(3)具有高强度和高硬度，所制做的元件表面不易损伤和断裂。
(4)化学稳定性高。高聚合物表面容易被附着灰尘或被溶液和 燃料腐蚀，也易在低气压环境中释放气体，腐蚀邻近仪器； 而纯SiO2恰恰相反，它与大多数物质不发生化学反应，因 此是空间应用中很理想的材料。
比、高速
受所料材料性能限制
液态单晶聚合物 压模全息、微浮雕薄 可形成很薄的微 不均匀、材料收缩、