SU1108382A1 - Method of producing micro-lens ordered raster - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОЛИНЗОВОГО УПОРЯДОЧЕННОГО РАСТРА в оптическом материале путем формировани  в объеме заготовки областей с отличным от исходного показателем преломпеки , отличающийс  тем, что, с цепью сокращени  времени изготовлени  с одновременным уменьшением размера микролинз и рассто ни  между ними, указанные области последовательно формируют путем локального термического воздействи  на поверхность заготовки из порис , ГУ %С п Ъ L того оптического материала сформированным лучом лазера с длительностью воздействи  С , определ емой соотношением . .л 2cfa METHOD OF MANUFACTURING A MICROLINZE ORDERED RASTER in an optical material by forming areas with a different refill index in the bulk of the billet, characterized in that with a chain of reduction of manufacturing time with a simultaneous decrease in the size of microlenses and the distance between them on the surface of the billet of poris, GU% C p b L of that optical material formed by a laser beam with a duration of exposure C, emoy limit ratio. .l 2cfa

Description

Изобретение относитс  к технологии изготовлени  микролинзовых упордоченных растров и может быть использовано в оптических системах св зи, в киносъемочной аппаратуре и в лазерной технике.The invention relates to the technology of manufacturing microlens raster rasters and can be used in optical communication systems, in film-making equipment and in laser technology.

Известен способ изготовлени  микролинзового yпop дoчe :нoгo растра ионным обменом через маску в форме матрицы с заданным шагом расстановки , т.е. обменом окислов моновалентных катионов стекл нной подложки Na или Ка на другие моновалентные катионы, например Т1 из расплава соли ,характеризующийс  нанОольшим дл  способов данного направлени  временем формировани  165 ч и протекающий при 500-600° С CI 1.A known method of manufacturing a microlens lens is obtained: the exchange of monovalent cation oxides of the glass substrate Na or Ka with other monovalent cations, for example, T1 from molten salt, characterized by a large amount for the methods of this direction, forming 165 hours and flowing at 500-600 ° C. CI 1.

Недостатками этого способа  вл ютс  цлительность процесса формировани  микролинзового упор доченного растра и ограничени  на минимап1 ный размер микролинзы d и шаг расстановки р, которые при наименьших отверсти х в масках 50 мк составл ют соответственно: d 0,91 ,0 мм и р 2,0 мм.The disadvantages of this method are the processability of the formation of a microlens ordered raster and limitations on the minimal size of the microlens d and the spreading pitch, which with the smallest holes in the 50 micron masks are: d 0.91, 0 mm and p 2.0 mm

Известен способ изготовлени  микролинзового упор доченного растра в оптическом материале путем формировани  в объеме заготовки областей с отличным от исходного показателем преломлени , основанный на селективной глубинной диффузии в стекл нную подложку через маску в форме матри да с заданным шагом расстановки , т.е. обменом окислов катионов Na или Ка стекл нной подложки н другие катионы, например, Т1 из расплава соли в присутствии злектрического пол  величиной 7 V/M протекающий в течение 6-8 ч при 500-600 С С21.A known method of manufacturing a microlens ordered raster in an optical material by forming regions with a different refractive index in the bulk of the blank, based on selective depth diffusion into the glass substrate through a mask in the form of a matrix and with a given alignment step, i.e. the exchange of oxides of Na or Ca cations of a glass substrate and other cations, for example, T1 from a molten salt in the presence of an electric field of 7 V / M flowing for 6–8 h at 500–600 ° C.

Недостаток этого способа - ограничени  на минимальный диаметр микролинзы d и шаг расстановки р такие же, как и в способе ионного обмена.The disadvantage of this method is the limitations on the minimum diameter of the microlens, d, and the spacing p, are the same as in the ion exchange method.

Целью изобретени   вл етс  сокращение времени изготовлени  с одноврменным уменьшением размера микролин и рассто ни  между ними.The aim of the invention is to reduce the production time with a simultaneous reduction in the size of the microroline and the distance between them.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу из1отрвлеии  микролинзового упор доченного растра в оптическом материале путем формировани  13, объеме заготовки . областей с отличным от ИСХОДЕЮГО показателем преломлени , указанныеThis goal is achieved by the fact that, according to the method of controlling a microlens ordered raster in an optical material by forming 13, the volume of the workpiece. areas with a different refractive index, as indicated by

области последовательно формируют путем локального термического воздействи  на поверхность заготовки из пористого оптического материала сформированным лучом лазера с длительностью воздействи  1Г , определ емой соотношениемthe regions are sequentially formed by local thermal action on the surface of the billet of porous optical material by a laser beam with a duration of action 1G, defined by the ratio

-N ur Л  -N ur L

(l-R)Pp(l-r) pp

где Q -. плотность мощностиwhere Q is. power density

о тютока излучени  в зоне воздействи ;about the radiation in the affected area;

R - коэффициент отражени материала заготовки;R is the reflection coefficient of the workpiece material;

Р - мощность излучени  источника воздействи  , Вт;P is the radiation power of the exposure source, W;

р- коэффициент пропускани  оптической системы , формирующий зону воздействи ; размер зоны воздейст о ви , м;p is the transmittance of the optical system forming the zone of action; size of zone of impact, m;

температура уплотненtemperature is sealed

iyn пористого силикатного стекла;iyn porous silicate glass;

коэффициент теплопроjL водности заготовки; коэффициент температ , а ропроводности заготовки .coefficient of heat flow of the workpiece; coefficient of temperature, and conductivity of the workpiece.

На фиг.1 показана схема устройств дл  реализации способа изготовлени  микролинзового упор доченного растра; на фиг. 2 - микролинзы, образовавшиес  в результате локального термического воздействи  в объеме заготовки толщиной И на фиг. 3 -- микролинзы толщиной И atT , на фиг. 4 - тип микролинзы , образованной путем сошлифовывани  йогнутой поверхности.Fig. 1 shows a diagram of devices for implementing a method of manufacturing a microlens ordered raster; in fig. 2 — microlenses formed as a result of a local thermal effect in the volume of the preform with a thickness of AND in FIG. 3 - microlenses with thickness AND atT, in FIG. 4 is a type of microlens formed by grinding a yogna surface.

Устройство дл  реализации предлагаемого способа (фиг.1) содержит лазер 1, электромеханический затвор 2, диафрагму 3, зеркало 4, объектив 5, формирующий зону воздействи , координатный стол 6, на котором размещаетс  заготовка 7.A device for implementing the proposed method (Fig. 1) contains a laser 1, an electromechanical shutter 2, a diaphragm 3, a mirror 4, a lens 5 forming an impact zone, a coordinate table 6 on which the workpiece 7 is placed.

В устройстве используетс  проекционна  схема обработки, при которой зона воздействи  на поверхности заготовки формируетс  путем проек .ции диафрагмы.The device uses a projection processing scheme in which the zone of influence on the surface of the workpiece is formed by projecting a diaphragm.

Устройство работает следуюшлм образом . Излучение лазера 1 проходит через электромеханический затвор 2, р гулирукщий длительность воздействи  формируетс  диафрагмой 3, отражаетс от зеркала 4 и попадает в объектив проецирующий изображение диафрагмы полностью заполненной лазерным излу чением, на поверхность заготовки 7 размещенной на координатном столике перпендикул рно падающему излучению Локальное термическое воздействие осуществл етс  последовательно дискретным перемещением зо1сы воздействи  с заданным шагом расстановки р Дискретное перемещение зоны воздейс ВИЯ обеспечиваетс  либо за счет ска нировани  луча лазера зеркалом 4, либо за счет перемещени  координатного Стола, на котором размещаетс  заготовка 7. Точность перемещени  зоны воздействи  до 5 мкм обеспечивает точность расстановки микролинз в микролинзовом упор доченном растре и, следовательно, качество растра. Управление размером микролинзы и ее оптическими характеристиками осуществл етс  изменением: длительности воздействи  t ; размера сформированной зоны воздействи ; закона распределени  плотности мощности потока излучени . Минимальный размер микролинзы, которую можно изготовить по данному способу, определ етс  расходи мостью луча лазера 1 и оптическими характеристиками объектива 5 и состав л ет величину мкм. Микролинзу микролинзового упор  доченного растра формируют локальным термическим воздействием на поверхность заготовки из пористого оптического материала до температу ры разм гчени , при которой происходит уплотнение заготовки, т.е. смьгкание пор и, следовательно, уса ка материала,, сопровождающа с  изменением показател  преломнени  в пределах зоны воздействи  сформированного луча лазера, имеющего длину волны излучени  в области ма симального поглощени  пористого оп ческого материала, нагфимер, дл  пористого боросиликатного стекла, лазер на С02 с длиной волны излучени  - 10,6 мкм. Формообразование микролинзовой , поверхности происходит в ограниченной области под действием сил поверхностного нат жени  разм гченного пористого оптического материала в соответствии с температур ым полем в зоне воздействи . Определ ющим фактором как дл  формировани  определенного вида преломл ющей поверхности (сферическа , асферическа ), так и дл  распределени  показател  преломлени  микролинзы  вл етс  распределение плотности мощности в сформированном луче лазера. В результате локального термического воздействи  образуетс  микролинза с вогнутой поверхностью радиуса кривизны RI, под которым располагаетс  слой толщины h fat , с показателем преломлени  большим показаоптическотел  преломпени  пористого v-t го материала на величину д. п (фиг.2). Ограниченный уплотнен гый слой микролинзу отдел ет от объема заготовки преломл юща  поверхность с радиусом кривизны Е.. Реально возможные величины R. мм, и полученна  таким образом микролинза - отрицательна . Сошлифовка вогнутости (фиг.З) превращает в положительную микролинзу дл  любого возможного значени  R. При тол1цине заготовки Н 4. -( at; в результате локального термического воздействи  формируютс  обе стороны заготовки: лицева  и тьшьна . Область измененного показател  преломлени  распростран етс  на всю толщину заготовки и образуетс  дво ковогнута  микролинза. Расстановку микропинз в упор доченном растре осуществл ют дискретным перемещением зоны воздействи  с заданным шагом расстановки. Способ изготовлени  микролинзового упор доченного растра с помощью последовательного локального термического воздействи  сформированным лучом лазера на поверхность заготовки из пористого оптического материала по сравнению со способом селективной глубинной диффузией позвол ет сократить врем  изготовлени  в 2 раза и уменьшить размер микролинзы и рассто ние между ними до 50 мкм.The device works in the following way. The laser radiation 1 passes through the electromechanical shutter 2, the circulating duration of the action is formed by the diaphragm 3, is reflected from the mirror 4 and the aperture image of the diaphragm completely filled with laser radiation enters the lens, placed on the coordinate table perpendicular to the incident radiation. successively discrete movement of the zone of action with a given step of the arrangement p Discrete movement of the impact zone provides It is treated either by scanning the laser beam with a mirror 4, or by moving the coordinate table on which workpiece 7 is placed. The accuracy of moving the zone of action up to 5 µm ensures the accuracy of the placement of the microlens in the microlens ordered raster and, therefore, the quality of the raster. The size of the microlens and its optical characteristics are controlled by varying: the duration of exposure t; the size of the formed impact zone; the law of power density distribution of the radiation flux. The minimum size of the microlens, which can be manufactured by this method, is determined by the divergence of the laser beam 1 and the optical characteristics of the objective 5 and is µm. A microlens of a microlens ordered raster is formed by a local thermal effect on the surface of the workpiece from a porous optical material to a softening temperature, at which the workpiece is compacted, i.e. blinking of the pores and, therefore, of the shortening of the material, accompanied by a change in the preference index within the zone of influence of the formed laser beam having a radiation wavelength in the region of maximum absorption of a porous optical material, nagfimer for a porous borosilicate glass, a CO2 laser with radiation waves - 10.6 microns. The formation of a microlens surface occurs in a limited area under the action of surface tension forces of a softened porous optical material in accordance with the temperature field in the zone of action. The determining factor both for the formation of a specific type of refractive surface (spherical, aspherical) and for the distribution of the refractive index of the microlens is the distribution of the power density in the formed laser beam. As a result of local thermal exposure, a microlens is formed with a concave surface of the radius of curvature RI, under which there is a layer of thickness h fat, with a refractive index larger than the optic model of the porous v-t material, by dp (Fig. 2). The limited compacted microlens layer separates the refractive surface with the radius of curvature of E. from the volume of the workpiece. The actual possible values are R. mm, and the microlens thus obtained is negative. Grinding of the concavity (fig.Z) turns into a positive microlens for any possible value of R. In case of thickness H 4. - (at; as a result of local thermal influence, both sides of the workpiece are formed: front and dark. The area of the modified refractive index spreads over the entire thickness the pre-formed micro-lenses are formed and the microcins are arranged in an ordered raster by discrete movement of the zone of influence with a given alignment step. The method of manufacturing the microlens emphasis to Compared with the selective depth-diffusion method, the generated raster using a successive local thermal effect of a laser beam on the surface of a workpiece made of a porous optical material reduces the manufacturing time by half and reduces the size of the microlens and the distance between them to 50 microns.

Claims (1)

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОЛИНЗОВОГО УПОРЯДОЧЕННОГО РАСТРА в оптическом материале путем формирования в объеме заготовки областей с отличным от исходного показателем преломления, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени изготовления с одновременным уменьшением размера микролинз и расстояния между ними, указанные области последовательно формируют путем локального термического воздействия на поверхность заготовки из пористого оптического материала сформированным лучом лазера с длительностью воздействия £, определяемой соотношением гдеMETHOD FOR MANUFACTURING A MICROLINSED ORDERED RASTER in optical material by forming regions with a different refractive index from the workpiece volume, characterized in that, in order to reduce the manufacturing time while reducing the size of the microlenses and the distance between them, these regions are sequentially formed by local thermal influence on the surface of a workpiece made of porous optical material by a shaped laser beam with an exposure duration £, determined by the corresponding Ocean where РR Г, плотность мощности потока излучения в зоне воздействия; коэффициент отражения материала заготовки;G, the power density of the radiation flux in the impact zone; reflection coefficient of the workpiece material; мощность излучения источника воздействия,Вт; коэффициент пропускания^ оптической систеш, зону воз£radiation source power, W; transmittance ^ optical system, area QQ И* уплотне- ** воздейст формирующий действия;And * sealed ** influences formative actions; - размер зоны вия, м;- the size of the wii zone, m; - температура ния пористого силикатного стекла;is the temperature of porous silicate glass; - коэффициент температуропроводности заготовки ;- coefficient of thermal diffusivity of the workpiece; - коэффициент теплопро- . водности заготовки.- coefficient of heat. water content of the workpiece. Фил 1 tPhil 1 t )108382) 108382