CN101551476A - 非球面微透镜的激光三维加工制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微制造技术领域，具体地说是涉及一种利用激光三维加工制备非球面微透镜及微透镜阵列的方法。其首先编制计算机软件获得非球面微透镜模型的点云数据，然后将可固化材料涂覆于硬质基底表面，再在计算机程序控制下根据非球面微透镜模型的点云数据利用激光三维加工***逐点扫描固化可固化材料，经显影后获得非球面微结构，以该微结构为模版，经刻蚀获得基底材料的非球面微透镜及阵列。本发明所述方法突破了热熔法只能制备球形微透镜、金刚石铣磨法难于制备微透镜阵列的局限；可获得垂直和水平方向任意轮廓的非球面微透镜及阵列，对于微透镜阵列可实现100％填充几率，同时可获得数值孔径0～1之间可调的非球面微透镜及其阵列。

Description

非球面微透镜的激光三维加工制备方法

技术领域

本发明涉及微制造领域的制备方法，具体地说是涉及一种利用激光三维加工制备非球面微透镜及微透镜阵列制备方法。

技术背景

微光学一词是由日本电气公司内田祯二于1981年首先提出的，当时主要指变折射率透镜和微透镜。经过近30年的发展，微光学已经变成现代光学的一个活跃分支。处于微光学研究核心地位的微光学元件涵盖折射型和衍射型两大类，前者主要包括梯度折射率微透镜及阵列和普通微透镜及阵列；后者主要包括最佳相位元件、二元光学元件、菲涅尔透镜和光栅结构等。无论是设计理论或加工方法，微光学已经完全不同于传统的宏观光学，成为光学、微电子学、光电子学和微机械技术相互渗透、交叉、融合的一门新科学。而微光学元件已经成为小型光电子***的关键构成元件，它具有体积小、质量轻、成本低、易于阵列化等优点，并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等功能。在几乎所有工程应用领域中，如光纤通信、信息处理、航天航空、生物医学、激光加工、光计算、光存储等，微光学元件都显示出越来越重要的价值和广阔的应用前景。

微光学研究和应用以微加工技术为依托。以微光学***中最基本的元件-微透镜及其阵列为例，目前已经采用的制备方法包括：(1)对于折射型元件有平面工艺离子交换法、光敏玻璃法、全息法、菲涅耳波带透镜法、溶胶-凝胶法、光刻胶熔融法、PMMAX光照射及熔融法等。微小透镜的二次成形制作法有反应离子刻蚀法、电子束刻蚀，以及激光刻蚀法；(2)对于衍射型微透镜，其制作技术主要有：基于平面光刻的二元光学技术、束能直写技术以及灰度掩模技术等。这些技术的进步，已经大幅度促进了光学***和光电仪器的小型化、阵列化和集成化。与此同时，从医学健康到航天国防等各个领域的工程应用又反过来对微制备技术提出了一系列更高的要求，其中需求最迫切，而现有技术又难以解决的一个问题就是，如何实现非球面微透镜及阵列。

人们对于非球面透镜的认识可以追溯到1638年笛卡儿首次提出由凸椭球面和凹球面构成的无球差齐明透镜。随后1663年格利高证明了圆锥截面可以矫正球差，1671年牛顿的抛物面望远镜和1732年肖特用抛物面和椭球面制作了格利高望远镜。自此，非球面光学元件在望远镜中开始得到应用。直到20世纪60年代，由于航天、航空、天文、电子、通讯和激光等技术的出现，对于非球面透镜的需求骤然增加。在光学***中采用非球面光学元件，具有球面光学元件无法比拟的优点，如可以校正球差、彗差、像散和畸变；可以使用单一透镜代替多个球面镜组成的透镜组，减少光能损失，增加作用距，获得高质量的图像效果和高品质的光学特性；使用非球面光学元件还可以大幅度简化结构，降低光学***的尺寸和重量。例如，KH-11卫星中的空间遥感相机使用非平面离轴三反消像散***，地面分辨率GSD达0.15米；目前美国侦察卫星甚至达到了0.0125米；军品中的激光装置、热成像装置、扫描仪、夜视仪、火控***均使用了大量非平面光学元件，美国陆军的一项调查报告表明，1980年-1990年美国军用激光和热成像产品所消耗了非球面光学元件23.46万块。民品中使用的大量光学元件中，如数码相机(3.5亿片/年)、投影仪(1200万片/年)和光学读取头(10亿片/年)，都含有大量的非球面光学元件。但必须指出的是，上述应用中的非球面光学元件，都是大尺寸或者通常尺寸的元件，而非微光学元件。由于加工困难，光学***对于非球面微光学元件的大量需求尚无法满足。

非球面光学元件的加工是国内外公认的难题。为了解决非球面光学元件的加工难、成本高的问题，目前研究出的加工方法已经有几十种，从发展历史看，大体上是从手工加工方法发展到轨迹成型的机械加工方法，再到目前的数控加工(如金刚石车床的非球面铣磨)。然而由于显而易见的原因，这些方法难以适用于尺寸极小的微光学元件制备。

激光微纳加工是一种非线性加工技术，用于制备微光学元件、微机械等微结构，具有的如下显著优点：(1)真三维、可设计、可集成：采用波长位于很多材料透明窗口的可见光的红区或近红外波长，可使激光无损耗的聚焦到材料内部，从而具有本征的三维加工能力，复杂的三维器件结构可按照CAD(Computer-Aided Design)设计一次成型；(2)高分辨、跨尺度：由于非线性过程如多光子吸收等的吸收截面非常小，加工需要的光化学反应被拘囿在焦点附近极小的高光子密度区域内；另外，由于激发过程超快(典型值-时域脉冲宽度100飞秒左右)，避免了热迟豫(典型时间常数为纳秒到百皮秒)，从而使飞秒激发成为一个准绝热过程；第三，由于使用压电陶瓷(PZT)等进行三维扫描，可得到纳米量级移动精度，以上三点保证了飞秒激光加工突破衍射极限直至几十到十几纳米的高加工分辨率。当然，增加聚焦光斑直径，自然导致大尺寸结构的制备，因而这种技术天然具备跨尺度制造能力；(3)材料广谱、非真空：由于飞秒激光脉冲的瞬间功率极大，可以和几乎任何材料相互作用，因而可用于激光微纳加工的材料几乎不受限制。其中两类最重要的机制，一是对透明固体的内部进行微纳精度的局部材料改性；另一是液态树脂材料的双光子逐点光聚合，二者都是在大气条件下实现的，不需要高真空，因而具有工业化应用前景。因此利用激光微纳加工技术制备微元件被认为是最有效的手段之一，拥有巨大的应用潜力和诱人的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用激光三维加工技术获得非球面微透镜及阵列(微透镜的尺寸参数：x、y、z方向的长度为100nm～1mm，其垂直和水平方向的切面可以是不规则的任意轮廓)的制备方法。

该非球面微透镜是利用计算机软件***准确设计外形，结合激光微纳加工技术的高精度、真三维等加工特点，突破了热熔法只能制备球形微透镜、金刚石铣磨法难于制备微透镜阵列的局限；可获得垂直和水平方向任意轮廓的非球面微透镜及阵列，对于微透镜阵列可实现100％填充几率，同时可获得数值孔径0～1之间可调的非球面微透镜及其阵列。

本发明是通过以下技术方案实现的：首先编制计算机软件获得非球面微透镜模型的点云数据，然后将可固化材料涂覆于硬质基底表面，再在计算机程序控制下利用激光三维加工***逐点扫描固化可固化材料，经显影后获得非球面微结构，以该微结构为模版，经刻蚀获得基底材料的非球面微透镜及阵列。

本发明所述方法，其更为具体的步骤如下：

(1)编制计算机软件获得非球面微透镜模型点云数据

所述的计算机软件是指利用程序设计语言进行编制的。

所述的程序设计语言包括Visual Basic、C语言、Fortran、Cobol、Pascal/Delphi、LISP、Java、Power Builder等。

所述利用Visual Basic编制计算机软件是指通过设计窗口界面、设置界面中各种对象的属性、为对象规定在被某个“事件”激活时执行的“过程”，通过一定的算法编制完整的模型点云数据。

所述的C语言包括Visual C++、Borland C++、Watcom C++、Borland C++、Borland C++Builder、Borland C++3.1。

所述利用Visual C++编制计算机软件是指建立一个项目，利用编辑器建立程序代码文件，包括头文件、代码文件、资源文件等，在程序代码文件中编辑点、环、面的类，根据类定义其对象，执行对象的写入功能，获得模型点云数据。

所述的非球面微透镜点云数据由不同的闭合曲面构成，由下到上，闭合曲面的面积逐渐减小至零。

(2)搭建激光加工***

搭建用以实施激光微区扫描和材料固化的激光三维加工***。所述的激光三维加工***包括：光源***、软件控制***、三维精密移动***和实时监测***。

所述的光源***的光源选择为飞秒脉冲激光***、皮秒脉冲激光***、纳秒脉冲激光***或连续激光***，产生用于三维激光加工的光束；飞秒脉冲激光***的波长范围是200～2600nm，脉冲宽度范围是10fs～900fs，重复频率范围是1Hz～1GHz，单脉冲能量范围10pJ～1mJ；皮秒脉冲激光***的波长范围是200～2600nm，脉冲宽度范围是0.9ps～900ps，重复频率范围是1Hz～1GHz，单脉冲能量范围1nJ～1J；纳秒脉冲激光***的波长范围是200～2000nm，脉冲宽度范围是0.9ns～900ns，重复频率范围是1Hz～10KHz，单脉冲能量范围10pJ～1J。

软件控制***利用Visual Basic编写的控制程序读取上述点云数据，进而通过与计算机相连的串口驱动三维精密移动***。

三维精密移动***用于控制激光聚焦点在可固化材料中的三维运动，可分为两类，一类由二维高速扫描转镜和精密陶瓷压电平台两种元件组成，转镜控制激光水平x、y方向移动，压电平台控制样品z方向上下移动；另一类是只由三维移动压电平台一种元件构成，控制样品在x、y、z方向上移动。转镜和压电平台的移动是由软件控制***进行控制的，两类***的精度都可达到为1nm。采用北京世纪尼桑有限公司的T8306型号的转镜可使激光在x、y方向上移动范围分别为100μm、100μm；采用德国Physik Instrumente公司P622型号的精密陶瓷压电平台在z方向上移动范围为250μm；或者采用德国Physik Instrumente公司P517.3型号的三维移动压电平台在x、y、z方向上移动范围分别为100μm、100μm、20μm。

实时监测***的普通照明光源(如图1中的15)位于压电平台和样品上方，其发出的可见光、通过电介质镜(如图1中的10)、经反射镜(如图1中的13)、进入CCD摄像头(如图1中的16)，在激光加工过程中利用材料光固化前后对光的折射率不同，使CCD成像，直接监测到加工所成的像，对整个加工过程进行实时监测。

上面步骤中所使用的设备、光学器件等均为常规产品。反射镜为多层介质膜反射镜，激光光斑的移动速度的范围为1nm/s～1cm/s。

(3)激光加工可固化材料固化，显影后获得非球面微结构

将可固化材料涂覆于平面基底表面，涂覆厚度为100nm～2mm，基底固定于压电平台上；软件控制***发送指令，控制光闸的通断进而控制激光光束的开启与关闭；软件控制***驱动三维精密移动***，进而使聚焦的激光光点在可固化材料内逐点扫描，激光扫描处可固化材料发生固化，在可固化材料内实现按照微结构模型选择性固化。未固化部分经显影后，即获得微结构。

根据基底材料对光的透过能力进行倒置加工或正置加工；倒置加工是指激光先经过基底材料再聚焦于可固化材料内，正置加工是指激光不经过基底材料直接聚焦于可固化材料内。

所述的可固化材料是指液体或粘稠材料经光或热作用后变为固体的材料，包括光固化材料和热固化材料。

所述的光固化材料是指在光作用下可以导致材料聚合、还原、异构化等化学反应，从而使材料变为固体状态，包括光敏树脂、光固化树脂、光刻胶、光致抗蚀剂等；

所述的光固化材料在光作用下发生聚合反应，聚合机理包括自由基聚合、阳离子聚合、阴离子聚合，聚合类型包括开环聚合、烯烃聚合等。

所述的热固化材料是指热诱导材料发生物理变化和化学反应从而使材料由液体状态变为固体状态。

所述的显影过程是利用溶剂将未固化的材料清洗掉，溶剂包括丙酮、四氢呋喃、氯仿、甲苯、苯、二氯甲烷、乙醇、甲醇等或其它与可固化材料对应的显影剂。

(4)经刻蚀获得基底材料的微透镜结构

利用刻蚀技术对上述激光加工得到的可固化材料非球面微结构进行刻蚀，从而获得基底材料的非球面微透镜或非球面微透镜阵列，调整刻蚀条件可改变微透镜的数值孔径。

所述的刻蚀技术包括：反应离子刻蚀、等离子体刻蚀、反应等离子体刻蚀、离子束刻蚀、反应离子束刻蚀等刻蚀技术。

所述的反应离子刻蚀选用的气体包括氩气、氧气、特殊气体和两种或多种气体混合。

所述的特殊气体包括CF₄、CHF₃、CCl₂F₂、CCl₄、BCl₃、C₂F₆、SF₆、HBr、H₂、Cl₂等；

所述的混合气体包括CF₄+H₂、SF₆+O₂、CCl₄+Ar、CCl₄+Cl₂、BCl₃+Cl₂、CCl₄+O₂、CF₄+O₂、CF₄+O₂、CCl₂F₂+CF₄+O₂+Ar等；

所述的基底材料包括：玻璃、石英、半导体和金属材料等。

所述的半导体材料包括：Si、Ge、Si₃N₄、GaAs、GaP、GaSb、InP、GalnAsP、TeCdHg、SiC等。

所述的金属材料包括：Cr、Ti、Ta、Nb、Al、Mo、W、V等。

所述基底材料的厚度通常大于80μm。

附图说明

图1：激光加工***示意图；

图2：(a)椭球缺微透镜的SEM图像；(b)垂直基底方向切面轮廓为抛物线形微透镜的SEM图像；(c)、(d)SEM微透镜形貌测量轮廓与数学公式的理论计算轮廓对比。

图3：正方形排列的非球面微透镜阵列，(a)、(b)分别为10×10微透镜阵列的全貌和局部扫描电子显微镜(SEM)图片，(c)微透镜阵列吸收光谱，(d)在焦平面处正方形微透镜的焦点图像。

图4：正方形非球面微透镜组成的多种阵列。(a)、(c)分别为图案“OLED”、“1+1＝2”的SEM图像。(b)、(d)分别为两图案对应的焦点图像。

图5：六角形非球面微透镜，(a)、(b)分别为从顶部和倾斜35°时11×13微透镜阵列的局部放大SEM图片。(c)六角形微透镜的成像性质，在焦平面位置处放置字母“F”，六角形微透镜可呈“F”字母的像。(d)在焦平面处的焦点成像。

图6：三种数值孔径的六角形非球面微透镜阵列，(a)、(c)、(e)为边长是5μm、不同高度的六角形非球面微透镜阵列的SEM图像，微透镜的高度分别为1.2、1.8和2.4μm，(b)、(d)、(f)为这些微透镜阵列对应的局部放大SEM图像。

图7：不同数值孔径的六角形微透镜阵列的光学表征；(a)、(c)、(e)在焦平面的焦点成像；(b)、(d)、(f)六角形微透镜的成像性质，在焦平面位置处放置字母“F”，六角形微透镜可呈“F”字母的像。

如图1所示，各部件为：1光源***，2衰减片，3光闸，4反射镜，5反射镜，6反射镜，7凸透镜，8凸透镜，9转镜，10电介质镜，11物镜，12压电平台，13反射镜，14透镜，15照明光源，16为CCD摄像头。图1、2、3、4对应于实施例1，图1、5、6、7对应于实施例2。

具体实施方式

实施例1：

(1)利用Visual Basic程序设计语言编制球缺形微透镜模型的点云数据

编制椭球缺的微透镜程序，椭球缺底面半径r为10μm、高度H为10.5μm。首先利用公式x²+y²+[0.95z+(r²+H²/2H)-H]²＝(r²+H²/2H)²获得椭球缺形的微透镜模型形状(0＜x、y≤r，0＜z≤H)。然后对该模型进行水平方向切片处理(切片厚度为100nm)，每一切片由若干同一圆心、不同半径的圆环(半径间隔是100nm)组成，每个圆环又由若干切点(切点间隔是100nm)组成，将每一切片内的每个切点写入点云数据，进而得到椭球缺形微透镜模型的点云数据。

编制垂直方向切面轮廓为抛物线形的微透镜程序，微透镜底面半径r为10μm，高度H为10μm。首先利用公式z＝-a(x²+y²)+H[a＝0.06，H＝10，0＜x、y≤r，0≤z≤H]获得切面为抛物线形的微透镜模型形状，然后对该模型进行水平方向切片处理(切片间隔100nm)，每一切片由若干同一圆心、不同半径圆环(半径间隔100nm)组成，每个圆环由若干切点(切点间隔100nm)组成，将每一切片内的每个切点写入点云数据，得到切面为抛物线形微透镜模型的点云数据。

编制边长为7μm、高度H为1.5μm的正方形非球面微透镜阵列的模型数据。首先利用公式z＝-a(x²+y²)+H[a＝0.06，H＝1.5，0＜x、y≤50＜z≤H]获得微透镜模型形状，然后对该模型进行水平方向切片处理(切片间隔100nm)。每一切片由若干同一圆心、不同半径圆环(半径间隔100nm)组成，每个圆环由若干切点(切点间隔100nm)组成，对于每一切片内的每个切点判断其是否在以微透镜中心为中心、该切片平面内的7×7μm的正方形区域内，如果该点在正方形区域内则写入点云数据，如果该点不在正方形区域内则不写入，由此得到一个正方形非球面微透镜模型的点云数据。再经微透镜的复制、平移至指定位置获得多个微透镜模型的阵列或组合的点云数据；包括10×10正方形微透镜阵列、由53个微透镜组成字母“OLED”字样和由五十个微透镜组成的“1+1＝2”图样。

如下为利用Visual Basic程序设计语言编制n×n正方形微透镜阵列模型程序：

Public Function MicroLensArray(ByVal n As Long，ByVal h As Long，pa()As Point，ByVal Rs As Long，ByVal stp_dot As Long，ByVal stp_line As Long，ByVal stp_layer As Long)

Dim r_tmp As Long

ReDim pa(n，n)

For i＝0 To n-1

For j＝0 To n-1

pa(i，j).X＝i＊Sqr(2)＊Rs-(n-1)＊1.414＊Rs/2

pa(i，j).Y＝j＊Sqr(2)＊Rs-(n-1)＊1.414＊Rs/2

Next j

Next i

For k＝0 To h Step stp_layer

For i＝0 To n-1

For j＝0 To n-1

pa(i，j).Z＝k

r_tmp＝Rs＊Sqr(h-k)/Sqr(h)

Call ring(pa(i，j)，1，r_tmp，stp_dot，stp_line)

Next j

Next i

Next k

pa(i，j).Z＝h

Call ring(pa(i，j)，1，stp_dot，stp_dot，stp_line)

End Function

Public Function ring(p As Point，r1 As Long，r2 As Long，stp_dot As Long，stp_line As Long)

Dim r As Long

Write #1，p.X，p.Y，p.Z

For r＝r1To r2Step stp_line

Call circle1(p，r，stp_dot)

Next r

Call circle1(p，r2，stop_dot)

End Function

Public Function circle1(p As Point，r As Long，stp_dot As Long)As Long

Dim i As Long

Dim arf As Long

Dim x_tmp，y_tmp As Long

i＝0

Do While i＊stp_dot＜＝2＊pi＊r

If r＝0 Then r＝1

x_tmp＝r＊Cos(i＊stp_dot/r)

X＝p.X+x_tmp

y_tmp＝r＊Sin(i＊stp_dot/r)

Y＝p.Y+y_tmp

Z＝p.Z

If Abs(x_tmp)＜Rs＊Sqr(0.5)And Abs(y_tmp)＜Rs＊Sqr(0.5)Then

Write #1，CLng(X)，CLng(Y)，CLng(Z)

End If

i＝i+1

Loop

End Function

(2)搭建飞秒脉冲激光加工***。激光搭建示意图如图1所示，经飞秒脉冲激光***1(如美国光谱物理公司，Ti-蓝宝石锁模激光器)输出的飞秒脉冲激光(中心波长为790nm、脉冲宽度为120fs、重复频率为80MHz、平均功率1.2瓦)经过衰减片2(OD2型，衰减后的光强可为原来光强的1％～100％，本例中衰减后的光强为原来光强的12％)、光闸3和三个用于调整光路的反射镜4、5、6后进入用于聚焦的凸透镜7，再经过另一个凸透镜8使光束扩散为光斑直径更大的平行光束，凸透镜7、8之间的距离为两透镜焦距之和，扩散前光斑直径为1～2mm、扩散后光斑直径为5mm～2cm)，再经过转镜9，转镜可调节激光光点X、Y轴位置、电介质镜10进入物镜11后，聚焦于压电平台12上的样品内，聚焦的光斑直径约为500nm，光斑能量约为100μJ，通过计算机程序控制压电平台的移动对样品进行激光加工，样品即表面涂覆有可固化材料的基底。

所用的电介质镜10可使激光光束99％的能量进行反射用于加工，而使实时监测***的照明光源发射的可见光全透射用于监测。实时监测***的普通照明光源(如图1中的15)位于压电平台和样品上方，压电平台上放一铝板，铝板靠边缘位置镂空一区域，大约2cm×3cm，镂空处上方放置基底，基底和样品是透明的，可见光通过电介质镜(图1中的10)、经反射镜(图1中的13)、进入CCD摄像头(如图1中的16)。激光光点扫描过的位置可固化材料固化，利用固化前后材料对光的折射率不同CCD成像，材料固化前，在CCD中没有微透镜的像；材料固化，折射率发生变化，在CCD中观察到加工的像，对整个加工过程进行实时监测。

所用凸透镜7的焦距为30mm，凸透镜8的焦距为200mm，物镜11为100倍数值孔径为1.4的浸油物镜。

(3)激光加工获得正方形非球面微透镜。选用microchem公司SU8光致抗蚀剂作为光固化材料。将SU8光致抗蚀剂均匀涂覆于厚度为120μm的盖玻片表面(表面尺寸3cm×5cm)，SU8涂覆厚度为50μm，95℃温度条件下烘干处理。盖玻片固定于压电平台上，采用倒置方式加工。上述飞秒脉冲激光经过图1中的光路聚焦在SU8光致抗蚀剂内部，按照前面所述的正方形非球面微透镜程序飞秒脉冲激光光点在SU8光致抗蚀剂内逐点扫描，扫描的位点经SU8内含有的引发剂的双光子吸收而使SU8光致抗蚀剂聚合、固化。利用显影剂显影，获得微结构

图2为椭球缺形微透镜(a)和垂直基底方向切面轮廓为抛物线形微透镜(b)的与基底平面呈90度夹角时的SEM图片。图2(c)和图2(d)显示透镜形貌测量轮廓与数学公式的理论计算进行对比。可以看到，数学计算与实验结果基本一致，平均误差小于17.3nm，相对误差小于0.2％。，远小于热熔法8％的平均误差。

进一步获得10×10正方形微透镜阵列[图3(a)、(b)]、“OLED”字样和“1+1＝2”图样[图4(a)、(c)]。其中每个微透镜的边长为7μm，中心点距底面高度为1.5μm。该非球面微透镜具有良好的透光功能，对于360-1100nm波段电磁波可允许其99％以上透过[图3(c)]。利用显微物镜可观测到该透镜的聚焦功能[图3(d)图4(b)(d)]。

(4)反应离子刻蚀获得玻璃正方形非球面微透镜

利用反应离子刻蚀技术去除上述聚合物非球面微透镜，刻蚀气体为CF₄-O₂(O₂的体积百分比为40％)混合气体，去除过程中压力为33Pa，功率为100W，气体流量为500sccm。刻蚀结束后在玻璃基底上获得玻璃非球面微透镜阵列、字母或数字，其中每个透镜的平均的边长仍为7μm，中心点距底面的高度为1.4μm。

实施例2：

(1)利用Visual C++程序设计语言编制边长为5μm、高度不同的六角形非球面微透镜阵列模型的点云数据。

首先利用公式z＝-a(x²+y²)+H[0＜x、y≤5H为高度，a＝H/25]获得非球面微透镜模型形状，然后对该模型进行水平方向切片处理(切片间隔100nm)。每一切片由若干同一圆心、不同半径圆环(半径间隔100nm)组成，每个圆环由若干切点(切点间隔100nm)组成，对于每一切片内的每个切点判断其是否在以微透镜中心为中心、该切片平面内边长为5μm的等边六角形区域内，如果该点在六角形区域内则写入点云数据，如果该点不在六角形区域内则不写入，由此得到一个六角形非球面微透镜模型的点云数据。再经微透镜模型的复制平移获得多个微透镜模型的阵列或组合的点云数据，包括11×13微透镜阵列、由99个微透镜组成等边六角图样。

(2)搭建飞秒脉冲激光加工***。与实施例1相同。

(3)激光加工获得六角形非球面微透镜。选用Norland公司NOA61紫外光固化胶作为光固化材料。将NOA61涂覆于厚度为120μm的石英片表面，石英片固定于压电平台上。采用倒置加工方式上述飞秒脉冲激光经过图1中的光路聚焦在NOA61光致抗蚀剂内部，按照前面所述的六角形非球面微透镜程序飞秒脉冲激光光点在NOA61光致抗蚀剂内逐点扫描，扫描的位点经引发剂的双光子吸收而使NOA61光致抗蚀剂聚合、固化，获得六角形非球面微透镜。所加工的微透镜结构经显影剂显影后的显微镜照片如图5、图6所示，包括11×13微透镜阵列、由99个微透镜组成等边六边形阵列。图5阵列中每个微透镜的边长为5μm，中心点距底面高度为1.5μm，利用显微物镜可观察到字母“F”的成像和焦点图像。图6(a)(c)(e)微透镜的边长相等为5μm，高度分别为1.2、1.8和2.4μm，微透镜的数值孔径分别为0.28、0.40和0.52，逐渐增大，导致聚焦焦点逐渐减小[图7(a)(c)(e)]、成像逐渐清晰[图7(b)(d)(f)]。

(4)反应离子刻蚀获得石英非球面微透镜

利用反应离子刻蚀技术刻蚀NOA61固化物微透镜，选用边长为5um，高度为1.2μm的六边形阵列的非球面微透镜进行刻蚀。刻蚀气体为CF₄-O₂(O₂50％)混合气体，去除过程中压力为36Pa，功率为100W，气体流量为500sccm。刻蚀结束获得对应的六角石英非球面微透镜阵列，其中每个透镜的平均的边长不变仍为5μm，中心点距底面的高度为1.1μm。

Claims (10)

1、非球面微透镜的制备方法，其步骤如下：首先编制计算机软件获得非球面微透镜模型的点云数据，然后将可固化材料涂覆于硬质基底表面，再在计算机程序控制下根据非球面微透镜模型的点云数据利用激光三维加工***逐点扫描固化可固化材料，经显影后获得非球面微结构，以该微结构为模版，经刻蚀获得基底材料的非球面微透镜及阵列。

2、如权利要求1所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：微透镜x、y、z方向的长度为100nm～1mm，其与基底垂直和水平方向的切面为规则或不规则的任意轮廓。

3、如权利要求2所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：微透镜为椭球缺的微透镜、垂直基底方向切面轮廓为抛物线形的微透镜、正方形非球面微透镜阵列或六角形非球面微透镜阵列。

4、如权利要求1所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：所述的计算机软件是指利用程序设计语言进行编制的，所述的程序设计语言为VisualBasic、C语言、Fortran、Cobol、Pascal/Delphi、LISP、Java或PowerBuilder。

5、如权利要求1所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：激光三维加工***包括光源***、软件控制***、三维精密移动***和实时监测***。

6、如权利要求5所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：

1)光源***的光源为飞秒脉冲激光***、皮秒脉冲激光***、纳秒脉冲激光***或连续激光***，产生用于三维激光加工的光束；

2)软件控制***利用Visual Basic编写的控制程序读取非球面微透镜模型的点云数据，进而通过与计算机相连的串口驱动三维精密移动***；

3)三维精密移动***用于控制激光聚焦点在可固化材料中的三维运动，分为两类，一类由二维高速扫描转镜和精密陶瓷压电平台两种元件组成，转镜控制激光水平x、y方向移动，压电平台控制样品z方向上下移动；另一类是只由三维移动压电平台一种元件构成，控制样品在x、y、z方向上移动，转镜和压电平台的移动是由软件控制***进行控制的；

4)实时监测***由照明光源、电介质镜、反射镜、CCD摄像头组成，对整个加工过程进行实时监测。

7、如权利要求1所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：可固化材料为光固化材料或热固化材料。

8、如权利要求7所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：光固化材料为光敏树脂、光固化树脂、光刻胶或光致抗蚀剂。

9、如权利要求1所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：显影是利用溶剂将未固化的材料清洗掉，溶剂为丙酮、四氢呋喃、氯仿、甲苯、苯、二氯甲烷、乙醇、甲醇或其它与可固化材料对应的显影剂。

10、如权利要求1所述的非球面微透镜的制备方法，其特征在于：刻蚀技术为反应离子刻蚀、等离子体刻蚀、反应等离子体刻蚀、离子束刻蚀或反应离子束刻蚀。

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