基于微电铸overplating的微透镜制造技术研究-精密仪器及机械专业论文.docx

摘要摘要作为一种重要的微光学元件，微透镜及其阵列凭借其汇聚、准直以及成像的能力，在诸多领域得到了广泛的应用；相应的微透镜制造方法也是层出不穷，成为微光学领域的研究热点。本文利用微孔电沉积在其过电铸overplating阶段形成的球凸结构作为母型，结合翻模复制工艺，提出了一种全新的微透镜制造方法。从数值仿真以及实验的角度深入研究了overplating结构的面形演变机理。在工艺参数优化研究的基础上，建立兼容性良好的集成工艺，实现了参数可控的大数值孔径微透镜以及填充比可达100％的微透镜阵列的制造，并对其几何参数及光学性能进行了测量评价。主要工作从以下几个方面展开：从电沉积过程的基本电化学原理出发，建立了微孔电沉积过程的数值计算模型。该模型通过对流场分布、反应离子的物质输运以及电化学反应动力学的耦合，结合移动网格技术，实现了阴极沉积面形的动态仿真。在此基础上利用有限元方法分析了对流搅拌对微孔电沉积过程的影响，并与实验结果相对比，为后续的电铸实验条件选择提供理论依据。对微孔电沉积在overplating阶段的成形规律开展了深入的研究。利用本文构建的数值计算模型，分析了电极的结构尺寸以及电沉积速度等因素对overplating阶段沉积面形演变的影响。通过自行搭建的电铸实验系统，开展overplating沉积过程的实验研究；探索微孔孔径、结构的深宽比，以及电流密度等条件对overplating沉积过程的影响。数值计算以及实验研究的结果均表明，微孔孔径以及电沉积速度越小，则越倾向于形成球凸形的overplating结构；而微孔孔径以及电沉积速度越大，则越倾向于形成中间低而四周高的火山口形overplating结构。后续的测量结果表明了该工艺过程的良好稳定性和重复性。本方法的整个工艺流程主要包含光刻、微电铸以及软光刻翻模几个阶段，在分析各个阶段工艺参数影响机理的基础上，对相关工艺参数的优化进行了研究，建立了兼容性良好的集成工艺，实现了微透镜及其阵列的制造。本文通过改进光刻工艺参数，获得了满足后续电铸处理需求的稳定性良好的光刻胶掩膜结构。优化微电铸的电参数，改善沉积面的粗糙度，保证微透镜的表面精度满足基本的光学应用需求。改善软光刻翻模工艺，实现光固化胶对透镜凹模的良好填充，获得高精度无气泡缺陷的复制透镜及其阵列。对翻模所得微透镜及其阵列的几何参数和光学性能进行测量和评价。本文利用显微成像结合图像处理技术，通过轮廓的提取及拟合实现了透镜几何参数的测量。在此基础上，分析了透镜面形的演化规律，根据透镜几何参数与电铸时间的关系评价了工艺的可控性。结果表明通过控制电铸时间可以获得参数可变的大数万方数据摘要值孔径微透镜。搭建光学测量平台，对透镜的焦距进行测量；并对不同填充比透镜阵列的光学特性进行测量，结果表明该方法所获得的透镜阵列具有良好的光学参数一致性。关键词：微透镜及其阵列，过电铸，电沉积，数值仿真，光刻，微电铸万方数据AbstractAsap_importantkindofmicroopticalcomponent，microlensanditsarrayhavebeenwidelyusedinvariousapplications，foritsabilitiessuchasconvergence，collimationandimaging．Correspondingly,methodsforthefabricationofmicrolensalsoemergeoneafteranother,becomingaresearchhotspotinthefieldofmicro-optics．Inthisthesis，anovelmethodforthefabricationofmicrolensanditsarrayhasbeendeveloped，utilizingthesphericalstructuresformedattheoverplatingstageofmicroviaelectrodeposition，combinedwithsoftreplicamolding．Fromboththeperspectiveofnumericalsimulationandexperimentalverification，theshapeevolutionprincipleoftheoverplatingstructurehasbeenstudiedthoroughly．Basedonoptimizationoftheprocessparameters，anintegratedtechnique谢t11favorablecompatibilityhasbeenestablished．High—numerical—aperturemicrolenseswi