光学塑料成型技术的微光学元件制作工艺设计

论文摘要

随着近代光学尤其是二元光学的迅速发展，光学元件及光学仪器都发生了非常深刻而巨大的变化。光学元件开始向多台阶方向发展。近年来研制的新型光学元件—衍射光学元件也越来越广泛地应用在各种光学仪器中，使光学仪器及其零部件更加小型化、阵列化和集成化。本文提出利用有掩模套刻技术及注射成型的方法来制作衍射光学元件。目的是寻找到一套有效的制作工艺，使衍射光学元件的制作在小型化、阵列化的基础上，朝着快速化、批量化、低成本化的方向发展。首先利用ATUOCAD制图软件制作出二元光栅、菲涅耳波带片等一些基本衍射光学元件的掩模图，将这些图片导入计算机，在铬板上制作出光刻掩模版。然后将铬掩模版应用于接触式光刻系统中，利用套刻技术在涂有正性光刻胶的镍基合金基片上制作出衍射光学元件阵列，再采用电化学刻蚀对镍基合金基片进行刻蚀，使光刻胶上的图案转印至镍基合金基片上。在两次套刻及刻蚀后即完成了母版芯模的制作。复制母版是主要是采用注塑成型的方法，也尝试了经过改进的热压方法。注射模具的设计及制作是采用注射成型的方法完成复制的关键。利用ATUOCAD制图软件设计出用于复制阵列图和单个菲涅耳元件的模具图，制作出相应的模具，将镍基合金基片上的衍射光学元件阵列转印至光学塑料上。本文设计的注塑模具的主要优点在于有利于更换芯模，在保证芯模外型尺寸相同的情况下，同一个模具，换上刻有不同图案的芯模就可制作出各种图案的微光学元件。在光学塑料的选材上，选择用聚碳酸酯（PC）和有机玻璃（PMMA）。PC和PMMA都是具有热塑性的光学树脂，其中PC的折射率为1.586，是三大类型里面折射率最高的材料，除此以外还具有高抗冲击度、尺寸稳定性好、力学性能好，耐热好、吸湿性低等优点，而PMMA又具有极好的透光性。实验中，在采用注塑成型的复制方法时选用PC作为复制材料，而采用热压成型时选用PMMA。通过大量的实验，本文得出了制作衍射光学元件的工艺参数，并制作出了光学塑料成品元件，分析了实验过程中产生误差的一些因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外发展趋势
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 研究工作及内容安排
• 第2章 几种衍射光学元件掩模图的设计及制作
• 2.1 引言
• 2.2 掩模图的设计软件介绍
• 2.3 掩模版面的设计
• 2.3.1 二元光栅的设计
• 2.3.2 Ronchi 光栅的设计
• 2.3.3 达曼光栅（Dammaann）的设计
• 2.3.4 菲涅耳波带透镜的设计
• 2.3.5 掩模版的整体布局的设计
• 2.4 掩模版的制作技术
• 第3章 衍射光学元件加工工艺
• 3.1 引言
• 3.2 光刻系统的介绍
• 3.3 实验制作工艺
• 3.3.1 研磨抛光
• 3.3.2 基片预处理
• 3.3.3 涂胶
• 3.3.4 前烘
• 3.3.5 曝光
• 3.3.6 曝光后烘
• 3.3.7 显影
• 3.3.8 坚膜
• 3.3.9 刻蚀
• 3.3.10 去胶
• 3.4 套刻工艺
• 3.5 母版检验及母版制作工艺小结
• 3.6 在玻璃上制作衍射光学元件
• 第4章 复制
• 4.1 引言
• 4.2 复制材料
• 4.3 复制方法
• 4.3.1 热压
• 4.3.2 注射成型
• 4.3.3 浇铸和紫外固化
• 4.3.4 复制技术的比较
• 4.4 注射模具的设计与制作
• 4.5 成品元件展示
• 第5章 成品元件衍射效率测量及实验误差分析
• 5.1 成品元件衍射效率测量
• 5.2 实验误差分析
• 5.2.1 系统误差
• 5.2.2 显影误差
• 5.2.3 刻蚀误差
• 5.2.4 复制产生的误差
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢
• 附录