專利名稱：一種微細(xì)光束紫外光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于快速成型技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及用于微細(xì)加工的微細(xì)光束紫外光源。
背景技術(shù)：
據(jù)日本日刊工業(yè)新聞社1990出版的《光造形法》一書第61-70頁介紹，立體光刻成型(Stereo Photo-Lithography)(又稱之為快速成型)技術(shù)是20世紀(jì)80年代初開發(fā)出來的集CAD/CAM技術(shù)、激光應(yīng)用技術(shù)和高分子功能材料科學(xué)于一體，能夠快速地制造任意復(fù)雜的三維的一種新技術(shù)。該書在對相關(guān)技術(shù)介紹中，給出了其所用紫外光源的類型為波長為325納米的He-Cd激光器和波長為488納米的Ar離子激光器。但是，由于激光器及其運(yùn)行費(fèi)用較高，在一定程度上限制了光成型技術(shù)的推廣應(yīng)用；同時(shí)，未見對該技術(shù)是否可應(yīng)用于微細(xì)加工領(lǐng)域的介紹，也未見就“微細(xì)光成型”技術(shù)可能應(yīng)用的光源予以說明。
據(jù)中國《光電工程》(Vol.24，No.2，1997，p1)和《應(yīng)用光學(xué)》(Vol.1999.3，p34-36)介紹，在快速成型技術(shù)中可以利用“高壓汞燈”來作為紫外光源。但是，有關(guān)的文獻(xiàn)僅討論了在普通模型制造中的應(yīng)用，未見探討在“微細(xì)光成型”技術(shù)中應(yīng)用的可能性。
據(jù)中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所主辦的《光學(xué)精密工程》(Vol.3，No.2，p11，1996年)介紹，用于微細(xì)結(jié)構(gòu)制造的“微光成型”技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)之一，需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在滿足成型固化所需光能量的前提下，盡量減小曝光光斑直徑，并正確地控制曝光量，以獲得最小的固化線寬和結(jié)構(gòu)。但是，未見能實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)固化的光源的具體介紹。
據(jù)《光學(xué)技術(shù)手冊》(王之江等編，機(jī)械工業(yè)出版社1994年)介紹，非激光的紫外光源雖然已在微細(xì)加工中的“光刻機(jī)”中得到應(yīng)用，但僅用于掩模曝光的平面加工，無法用于任意三維掃描曝光的微細(xì)光成型技術(shù)中。為此，需要設(shè)計(jì)和研制能滿足微細(xì)光成型技術(shù)的微小結(jié)構(gòu)固化成型又具經(jīng)濟(jì)性的紫外光光源。
技術(shù)內(nèi)容本實(shí)用新型提出一種能進(jìn)行任意掃描曝光的微細(xì)光束的紫外光光源，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，實(shí)現(xiàn)微小結(jié)構(gòu)的掃描固化成型。
本實(shí)用新型微細(xì)光束的紫外光源，將高壓汞燈2設(shè)置在一半徑為50-80mm的球面全反射鏡1的球心，并以高壓汞燈2的發(fā)光中心高度為水平光軸，其特征在于在光軸上高壓汞燈2的前方50-80mm處設(shè)置一隔熱平鏡3，在隔熱平鏡3前方10-20mm處放置一帶通濾色鏡4，再將由兩曲面相對放置的一對平凸透鏡5和6組成的聚光部件安放在濾色鏡4的前方且距離汞燈90-120mm處，該平凸透鏡5和6之間的間隙為2-5mm；在平凸透鏡5和6聚光部件的光束會聚處設(shè)置一兼作光闌的磁電式可控光閘7，該光閘7是一在電磁線圈的鐵芯上垂直向上粘接一硅片，該硅片上開有一直徑為0.6-1.0mm的通孔，將該通孔與光軸同軸放置；電磁線圈的兩端與計(jì)算機(jī)并口相接；光閘7前方10-20mm處再安放一對兩曲面相對放置的平凸形耦合透鏡8和9，該兩平凸形耦合透鏡8和9之間的間隙為3-5mm；用于傳導(dǎo)光束的石英光纖10其數(shù)值孔徑為0.25-0.40、纖芯直徑為0.4-0.7mm、長度為1.0-2.0m，該石英光纖10的入射端設(shè)置在耦合透鏡9的焦點(diǎn)位置，出射端放置一直徑為0.05-0.5mm的光闌11，在該光闌11的前方153.0mm處放置一個(gè)數(shù)值孔徑為0.2-0.65的顯微物鏡12。
使用時(shí)，接通高壓汞燈2的交流穩(wěn)壓電源后，高壓汞燈被點(diǎn)燃并輻射出光，一部分經(jīng)球面反射鏡1反射出來的光與另一部分從高壓汞燈直接輻射出來的光一起向前輻射，經(jīng)隔熱平鏡3后得到已基本無紅外的光束，再經(jīng)帶通濾色鏡4后就可得到峰值波長的365納米的紫外光束，光束繼續(xù)向前傳播至平凸透鏡5和6構(gòu)成的聚光部件，將原發(fā)散光束會聚為較小的光斑，再通過兼作光闌的磁電式可控光閘7和耦合透鏡8和9，將紫外光束傳導(dǎo)至石英光纖10，從光纖10出射的光再經(jīng)光闌11傳輸?shù)斤@微物鏡12，則在顯微物鏡12的焦面13上可獲得微米級紫外光束。
為了將目前僅用于模型制造的“光成型”技術(shù)引入到微小/微型機(jī)械制造領(lǐng)域來進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)的成型制造，本實(shí)用新型選用“球形超高壓汞燈”作為紫外發(fā)光源，具有價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，紫外輻射相對穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；本實(shí)用新型通過在高壓汞燈的前方光路中設(shè)置隔熱平鏡和帶通濾色鏡，可以方便地獲得所需帶寬的紫外光；采用雙片式兩平凸透鏡構(gòu)成的聚光部件結(jié)構(gòu)簡單、光學(xué)元件制造和組裝容易；在雙片式聚光后的光路上設(shè)置一兼作光闌的磁電式可控光閘，可利用計(jì)算機(jī)控制，能根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)可選擇性曝光；采用石英光纖傳導(dǎo)方式的導(dǎo)光部件，結(jié)構(gòu)簡單，不僅紫外光傳導(dǎo)損失小，且由于光纖優(yōu)良的可繞性，使得由光闌和顯微物鏡構(gòu)成的微細(xì)光刻頭能隨三維成型工作臺作任意掃描曝光運(yùn)動，滿足了使光刻頭可在X-Y平面內(nèi)作任意掃描運(yùn)動的要求；通過在光纖出射端設(shè)置一光闌和一個(gè)顯微物鏡的縮微作用，可獲得所需的微米級曝光光斑。
若使用國產(chǎn)He-Cd激光器作為光源，僅其成本就約3.0-4.0萬元，還需配套設(shè)計(jì)導(dǎo)光、光刻頭和光閘等部件，如再考慮其使用和維護(hù)成本，費(fèi)用將更大；如應(yīng)用Ar離子激光器或染料激光器則費(fèi)用更高；而本實(shí)用新型的“微細(xì)光束紫外光源”結(jié)構(gòu)簡單，、便于使用和維護(hù)，成本低，可以實(shí)現(xiàn)的曝光光斑為4-20μm，其制造成本僅約0.8萬元；可利用“微細(xì)光成型技術(shù)”進(jìn)行掃描曝光，使任意三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的微細(xì)加工得以實(shí)際應(yīng)用。


圖1為實(shí)用新型“微細(xì)光束紫外光源”的光源光路原理圖。
圖2為高壓汞燈的光譜發(fā)光光譜。
圖3為XRB1的光譜特性曲線。
圖4為ZWB2的光譜特性曲線。
圖5為微細(xì)固化線形放大190倍的SEM照片。
圖6為固化成型的微小雙聯(lián)齒輪放大40倍的SEM照片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1按附圖1所示的光源光路原理圖組裝“微細(xì)光束紫外光源”。首先，在一基礎(chǔ)平臺上設(shè)置一支撐架以垂直放置紫外發(fā)光源的“高壓汞燈2”，在高壓汞燈的后方設(shè)置一面半徑為60mm的球面全反射鏡1，并使高壓汞燈2位于球面全反射鏡1的球心，以此來提高光能的利用率；在高壓汞燈的前方70mm處設(shè)置一面隔熱平鏡3，隔熱平鏡3的前方30mm處放置一面帶通濾光鏡4；將一對平凸透鏡5和6將其兩透鏡曲面相對放置，使兩平凸透鏡5和6之間的間隙為3mm，并將兩者構(gòu)成的雙片式聚光系統(tǒng)安放在濾色鏡的前方離汞燈110mm處，且使平凸透鏡的光軸與汞燈發(fā)光中心等高；在平凸透鏡5和6聚光部件的光束會聚處設(shè)置一兼作光闌的磁電式可控光閘7，該可控光閘7是一在電磁線圈的鐵芯上垂直向上粘接一長方形的硅片，該硅片的另一端開有一直徑為0.6-1.0mm的通孔，將該通孔與光軸同軸放置；電磁線圈的兩端引線與計(jì)算機(jī)并口相接，使硅片上孔徑為1.0mm的通孔與光軸同軸，再在光閘后0.5mm放置透鏡8和9，透鏡8和9之間的間隙為5mm，并在耦合透鏡9的焦點(diǎn)處同軸設(shè)置一數(shù)值孔徑為0.37、纖芯直徑為0.6mm、長度為1.0m的石英光纖10；在光纖的出射端面設(shè)置一孔徑為0.2mm的光闌11，并在光闌11的前方153.0mm處放置一顯微物鏡12，并使顯微物鏡12與光闌11同軸，則在顯微物鏡12的焦面13上就可實(shí)現(xiàn)直徑約為10.0μm的紫外光斑，即得到一體化的、能獲得微米級光束的紫外光源。
本實(shí)施例采用的主要光學(xué)元件的參數(shù)列于表1。
表1 主要元件的參數(shù)(mm)

其中“球形超高壓汞燈”的功率為200W，隔熱平鏡為XRB1型，透紫外光濾光鏡為ZWB2型，選取UV級熒光物鏡、NA＝0.65、放大倍率為25x的顯微物鏡。
使用時(shí)，當(dāng)接通高壓汞燈2的220V交流穩(wěn)壓電源后，高壓汞燈被點(diǎn)燃并輻射出光，一部分光線經(jīng)球面反射鏡1反射后與另一部分由高壓汞燈直接輻射出的光線一起向前輻射，經(jīng)隔熱平鏡3后得到已基本無紅外的光束，再經(jīng)帶通濾色鏡4后，可得到峰值波長的365納米的紫外光束，光束繼續(xù)向前傳播至兩曲面相對放置的平凸透鏡5和6聚光部件，將原發(fā)散光束會聚直徑為0.8mm的光斑，再通過兼作光闌的磁電式可控光閘7的通孔和兩曲面相對放置的耦合透鏡8和9，將紫外光束耦合至石英光纖10，光纖出射光再經(jīng)直徑為0.2mm的光闌11傳導(dǎo)至顯微物鏡12，則在顯微物鏡12的焦面13上就可實(shí)現(xiàn)直徑約為10.0μm的紫外光斑。
本說明書附圖給出的圖2為高壓汞燈的光譜發(fā)光光譜，圖3為XRB1的光譜特性曲線，圖4為ZWB2的光譜特性曲線。
由附圖2可知球形超高壓汞燈的輻射光譜譜線較寬，在波長為365納米處的紫外輻射較強(qiáng)，但微細(xì)光成型技術(shù)要求曝光光斑的帶寬較小，故不能直接應(yīng)用；因此，本設(shè)計(jì)通過在其前方選用一面隔熱平鏡(其光譜線如附圖3所示)和一面帶通濾色鏡(其光譜線如附圖4所示)，即通過附圖3中的“b”位置和附圖4中的“c”位置的合成，來獲得附圖2中“a”位置所示的峰值波長為365納米的紫外光。
位于隔熱平鏡和帶通濾色鏡前方的聚光部件，是用來會聚汞燈出射的發(fā)散光能，雖然它不象物體成像系統(tǒng)對像差有較高的要求，但是，為了既能獲得足夠的光能，又有利于后續(xù)導(dǎo)光及光纖耦合部件的設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型選用了雙片式結(jié)構(gòu)型式的兩平凸透鏡系統(tǒng)。
導(dǎo)光及光纖耦合部件的功能是將聚光部件所得的會聚光束在較小能量損失下傳導(dǎo)至微縮光束系統(tǒng)的光刻頭，為此，選用光纖傳導(dǎo)方式，同時(shí)，通過選取合適數(shù)值孔徑、纖芯直徑的石英光纖，并通過透鏡耦合方式，來提高光能傳輸效率，使得導(dǎo)光及光纖耦合部件具有結(jié)構(gòu)簡單，并能在X-Y平面內(nèi)作任意掃描運(yùn)動。
微細(xì)光刻頭的任務(wù)是將光纖傳輸來的光束進(jìn)一步縮微，使其能達(dá)到數(shù)微米量級，根據(jù)顯微鏡成像原理，將其光路倒置使用，并通過選取不同分辨率的顯微物鏡和在光路中插入不同大小的光闌，就很容易獲得不同大小的微米級曝光光斑。
另外，在聚光部件與導(dǎo)光及光纖耦合部件之間設(shè)置一個(gè)光閘，以滿足微細(xì)光成型技術(shù)對不同圖形的可選擇性掃描曝光的要求，同時(shí)，為了滿足選擇性曝光對光閘的響應(yīng)頻率性，要求，本實(shí)用新型選用“磁電式”音圈驅(qū)動結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的隨機(jī)控制。
本說明書給出的實(shí)施例1已在一套微細(xì)光成型系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。附圖5給出了曝光固化實(shí)驗(yàn)的微細(xì)直線線形的放大190倍的SEM照片；附圖6給出了固化的微小三維實(shí)體零件雙聯(lián)齒輪的放大40倍的SEM照片。而本實(shí)用新型還可以通過光路有關(guān)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)不同的需要，如“球形超高壓汞燈”可以選用50W-500W不同的功率來實(shí)現(xiàn)不同輸出能量的要求；隔熱平鏡3和帶通濾光鏡4與高壓汞燈的距離以及兩者之間的距離，雙片式聚光系統(tǒng)與汞燈之間的距離都可以在一定范圍內(nèi)變化，來實(shí)現(xiàn)不同聚光效能的需求；石英光纖10的直徑和其出射端光闌11的直徑以及顯微物鏡12的數(shù)值孔徑，也可以通過不同的優(yōu)化匹配，來獲得不同直徑的紫外曝光光斑。
本實(shí)用新型“微細(xì)光束紫外光源”具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低、易于實(shí)現(xiàn)、便于使用和維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)；由實(shí)施例顯示的任意三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的微細(xì)加工成果可知，它不僅能滿足“微細(xì)光成型技術(shù)”選擇性掃描曝光的要求，還將能在快速成型技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮作用。
權(quán)利要求1.一種微細(xì)光束的紫外光源，將高壓汞燈(2)設(shè)置在一半徑為50-80mm的球面全反射鏡(1)的球心，并以高壓汞燈(2)的發(fā)光中心高度為水平光軸，其特征在于在光軸上高壓汞燈(2)的前方50-80mm處設(shè)置一隔熱平鏡(3)，在隔熱平鏡(3)前方10-20mm處放置一帶通濾色鏡(4)，再將由兩曲面相對放置的一對平凸透鏡(5)和(6)組成的聚光部件安放在濾色鏡的前方且距離汞燈90-120mm處，該平凸透鏡(5)和(6)之間的間隙為2-5mm在平凸透鏡(5)和(6)聚光部件的光束會聚處設(shè)置一兼作光闌的磁電式可控光閘(7)，該光閘(7)是一在電磁線圈的鐵芯上垂直向上粘接一硅片，該硅片上開有一直徑為0.6-1.0mm的通孔，將該通孔與光軸同軸放置；電磁線圈的兩端與計(jì)算機(jī)并口相接；光閘(7)前方10-20mm處再安放一對兩曲面相對放置的平凸形耦合透鏡(8)和(9)，該兩平凸形耦合透鏡(8)和(9)之間的間隙為3-5mm；用于傳導(dǎo)光束的石英光纖(10)其數(shù)值孔徑為0.25-0.40、纖芯直徑為0.4-0.7mm、長度為1.0-2.0m，該石英光纖(10)的入射端設(shè)置在耦合透鏡(9)的焦點(diǎn)位置，出射端放置一直徑為0.05-0.5mm的光闌(11)，在該光闌(11)的前方153.0mm處放置一個(gè)數(shù)值孔徑為0.2-0.65的顯微物鏡(12)，則在顯微物鏡(12)的焦面(13)上可獲得微米級紫外光束。
專利摘要本實(shí)用新型微細(xì)光束的紫外光源，特征是從設(shè)置于球面全反射鏡1球心的高壓汞燈2發(fā)出的光與反射鏡反射的光一起，經(jīng)隔熱平鏡3和帶通濾色鏡4后，得到峰值波長的365納米的紫外光束，至平凸透鏡5和6會聚為較小的光斑，再通過兼作光闌的磁電式可控光閘7和耦合透鏡8和9，將紫外光束傳導(dǎo)至石英光纖10，從光纖10出射的光再經(jīng)光闌11傳輸?shù)斤@微物鏡12，則在顯微物鏡12的焦面上可獲得微米級紫外光束；可利用計(jì)算機(jī)控制磁電式可控光閘。本實(shí)用新型不僅結(jié)構(gòu)簡單，還實(shí)現(xiàn)了任意掃描的可選擇性曝光。
文檔編號G02B3/00GK2689294SQ200320123288
公開日2005年3月30日 申請日期2003年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月23日
發(fā)明者王翔, 沈連婠, 胡玉禧, 李川奇 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)