基于数字掩模光快速成形技术的微光学元件制作工艺研究

论文摘要

随着光电子技术的迅速发展，以及光、机、电一体化的发展趋势，对光学系统及其元器件提出了微型化、阵列化与集成化的应用要求。微光学元件具有体积小、重量轻、造价低以及可以实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、波面转换等功能，成为制造微光电子系统的关键元件。目前，微光学的制作技术主要有基于光刻的有掩模和无掩模制作技术，基本的制作工艺来源于大规模集成电路中的微电子平面加工技术，对于制作表面三维浮雕复杂结构的微光学器件存在自身的局限。而先进制造技术中的光快速成形技术用于微细加工，可以较好地实现三维复杂结构的器件制作。本文研究一种基于光快速成形技术的一种新的微光学元件制作工艺——数字掩模光快速成形工艺，该工艺利用DMD输出数字掩模图形，通过投影成像系统对光敏树脂逐层曝光、固化、叠加，制作成形微光学元件。克服了传统制作工艺难于适应微光学元件三维浮雕轮廓面型结构制作要求和集成制作应用的缺陷。主要研究工作如下：首先，设计完善了一套微光学元件制作系统，对实验系统的硬件进行了改进、设计和相应的性能分析，主要包括：光源光路的改进及设计、DMD入射光路的改进及设计、掩模板的设计与实现、步进电机微进给装置的控制、以及成形装置中的树脂槽、载物台、防粘光窗设计制作等。其次，根据所研究的制作工艺制定了相应的工艺流程，对制作环境、涂层工艺、以及光敏树脂进行了选取，并对系统的关键工艺进行了实验研究，包括对系统固化光路进行了调节及光斑的质量测试，并对特定的光敏树脂曝光量阈值和透射深度等特性参数进行了测定。最后，对龙基光栅、菲涅耳透镜、闪耀光栅等几种常见的微光学元件进行了实验制作,实验结果证明了该工艺的可行性。同时从硬件系统误差和工艺误差两方面对制作误差进行了分析，并提出了相应的解决措施以便提高元件加工精度。研究表明，该工艺与传统的光固化成形工艺相比，具有设备结构简单、成本低、效率高等优点，可实现微光学元件任意三维结构的制作，加工灵活，对发展MOEMS有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微光学制作工艺及应用发展趋势
• 1.2.1 微光学制作工艺状况
• 1.2.2 微光学应用发展趋势
• 1.3 数字掩模光快速成形技术的应用发展
• 1.3.1 快速成形技术在微细加工领域应用现状
• 1.3.2 数字掩模在光快速成形技术中的应用
• 1.4 论文主要内容及安排
• 1.4.1 论文主要内容
• 1.4.2 论文结构安排
• 第2章 实验系统的硬件改进及性能分析
• 2.1 系统的构成及工作原理
• 2.1.1 系统的构成
• 2.1.2 系统的工作原理
• 2.2 系统的改进及性能分析
• 2.2.1 光路的改进
• 2.2.2 系统的性能分析
• 第3章 数字掩模光快速成形工艺研究
• 3.1 工艺流程
• 3.2 工艺制作环境的选择
• 3.3 约束液面式涂层工艺研究
• 3.3.1 涂层工艺的选取
• 3.3.2 约束液面涂层工艺原理
• 3.3.3 约束液面涂层方案及工艺过程
• 3.3.4 光窗与固化树脂的剥脱工艺
• 3.4 光敏树脂的选择
• 3.4.1 光敏树脂的组成及光聚合过程
• 3.4.2 光敏树脂的特性要求
• 3.5 关键制作工艺
• 第4章 关键工艺的实验研究
• 4.1 固化光路调节及光斑质量测试
• 4.1.1 固化光路调节
• 4.1.2 光斑质量测试
• 4.2 光敏树脂曝光量阈值及透射深度测定
• 4.2.1 光敏树脂的固化特性
• 4.2.2 光敏树脂曝光量阈值及透射深度的测量原理
• 4.2.3 实验装置及测量步骤
• 4.2.4 实验结果及讨论
• 第5章 器件制作及误差评估
• 5.1 龙基光栅的制作
• 5.2 菲涅耳透镜的制作
• 5.3 闪耀光栅的制作
• 5.4 实验小结
• 5.5 误差评估
• 5.5.1 硬件系统误差
• 5.5.2 制作工艺误差
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作成果及创新
• 6.3 论文工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况
• 致谢