一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜制造技术

本发明专利技术公开了一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜，该物镜采用了双远心结构，共10片镜片，工作波段为365nm±10nm。物镜光学物像共轭距为L＝350mm，其中物方工作距为85.2mm，像方工作距约为79.5mm。物方有效视场为20mm×20mm，物方数值孔径NA＝0.19，工作分辨力为σ＜100μm。

【技术实现步骤摘要】
一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜
本专利技术是一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜，属于三维微结构加工设备中的光学系统研究领域。
技术介绍
目前，三维结构打印机已成为工程领域研究和应用的热点。多数三维结构打印机主要用于宏观元器件的制作，例如用三维打印元件替代传统机械加工元件。但在结构细节(分辨力)σ＜20um的微观三维元器件制作方面，研究的成果并不多。缺乏一种可靠的微细结构三维打印设备是阻碍其向更精细节点发展的重要原因。中科院光电技术研究所提出了一种光刻式的3D打印机(专利申请号：201310676063.4)。这种3D打印机，将无掩膜光刻技术和三维固化技术结合在一起，可以有效实现。由于存在一个旋转曝光的过程导致每个细分面曝光的时间很短，这种光刻式三维打印机需要较大的瞬时曝光能量。目前，多数光刻机投影物镜的着重于成像质量，镜片数量较为庞大，从而导致透过率较低。在实际工程中，通常利用更换更大功率光源来解决这一问题。但此类解决方案会大幅增加设备的体积和成本，对于光刻式三维打印机这种小型设备是难以接受的。兼顾成本、体积以及曝光效率是光刻式三维打印机光学系统亟需解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述提到的问题，本专利技术设计了一种用于光刻三维打印机的高数值孔径成像物镜。相比于同类产品设计，本物镜只有10枚镜片，数值孔径较大，可以较好的平衡各类像差。本专利技术采用的技术方案为：一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜，其特征是该投影物镜物象共轭距L＝350mm；其中物方工作距为85.2mm，像方工作距为79.5mm；其中工作中心波长为365nm，有效工作波段为360nm～370nm；该物镜为双远心对称式结构，总共10块镜片；从物面光线入射方向开始到光阑前为第一组镜片，第一组镜片包括第一镜片L1，第二镜片L2，第三镜片L3，第四镜片L4，第五镜片L5，其中第五镜片L5为负透镜，其余镜片为正透镜；从光阑后到像面前为第二组镜片，第二组镜片包括第六镜片L6，第七镜片L7，第八镜片L8，第九镜片L9，第十镜片L10；第二组镜片与第一组镜片关于光阑对称，即第六镜片L6与第五镜片L5相同，第七镜片L7与第四镜片L4相同，并以此类推；进一步的，同时物镜的物方、像方远心度控制在±0.5°以内，该物镜所述远心度控制在±0.5°以内这样可以保证物镜在像面或物面发生一定量偏移时，成像质量和放大倍率不会受到太大的影响。进一步的，该物镜成-1倍倒像，即放大倍率为-1×。进一步的，物方有效视场为20mm×20mm，物方数值孔径为NA物＝0.19。进一步的，所有镜片玻璃材料全部采用国产成都光明光电公司的材料，牌号分别为：H-K9L、H-QK3L、F2；此三种材料在356nm波段实测中具有良好的透过率。本专利技术的原理在于：一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜，其物象共轭距L＝350mm。其中物方工作距L物＝85.2mm，像方工作距L像＝79.5mm。本物镜物方有效视场20mm×20mm，物方数值孔径NA物＝0.19。物镜放大倍率β＝-1×，故像方有效视场同样为20mm×20mm，像方数值孔径NA像＝0.19。本物镜设计中心波长为i线，即365nm，有效工作波段为360nm～370nm。本专利技术中所提出的用于光刻式三维打印机的成像物镜，共有10枚镜片。从入射方向开始到光阑前，依次设有L1～L5共5块镜片，为第一镜组。其中L5为负透镜，其余镜片均为正透镜。从光阑开始到像面，依次设有L6～L10共5块镜片，为第二镜组。第二镜组光学参数与第一镜组光学参数关于光阑成镜像对称，中心空气间隔可以进行微调以平衡像质。整个成像物镜光学结构为双远心结构。这种结构的优势在于：当物面或像面发生微小偏移时，镜头的放大倍率、成像质量不会发生较大的变化。本专利技术一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜初步优化结构参数如下表所示：半径中心距玻璃牌号物面85.201215114.00H-K9L2-8312.203458.30H-K9L410024.5056110.00H-QK3L6-9310.2073210.00H-QK3L8952.009-1206.00F210232.80光阑6.4011-236.00F2121202.0013-9510.00H-QK3L14-320.201593110.00H-QK3L16-6124.5017-1008.30H-K9L18-4513.00198314.00H-K9L20-215179.48像面0.00根据瑞利判据可知，数值孔径NA与光学系统的分辨力成正比，即成像物镜的数值孔径越大，其成像的最小线宽就越窄。本成像物镜的数值孔径0.19，若工艺因子k＝0.8，则在理论上能保证该成像物镜分辨力小于30μm。完全能够满足制作特征尺寸小于百微米级三维微纳结构的需求。本物镜采用国产成都光明光电股份有限公司生产的玻璃材料，牌号为H-K9L、F2、H-QK3L。这三种牌号玻璃在i线实际测试中性能较好，透过率较高。折射率(n365)阿贝数(ν)H-K9L1.53622500.7057F21.66623228.6286H-QK3L1.50405555.9296其中阿贝数主要用来衡量某一玻璃材料或介质在对应波段内的色散程度。其值与玻璃色散能力成反比，火石玻璃(F2)色散能力大于冕牌玻璃(H-K9L、H-QK3L)。阿贝数的计算公式为n365、n362、n368分别为曝光中心波长和波段上下线所对应的折射率。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术物镜的数值孔径较大，分辨力较高，各类像差得到了有效地平衡。(2)本专利技术物镜采用的镜片数较少，光能损失较小，且镜片材料均采用国产玻璃，成本较低。附图说明图1为本专利技术一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜光学结构图；图2为本专利技术一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜MTF曲线；图3为本专利技术一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜的点弥散斑图；图4为本专利技术一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜。具体实施方式下面结合附图对本专利技术具体实施方式进行详细说明。本专利技术光学结构如图1所示，紫光LED阵列出射光线结果照明系统准直匀光以后平行入射到数字微镜阵列(DMD)上，即本物镜的物面上。其中DMD最大有效工作尺寸不超过20mm×20mm。DMD上所形成的图案经过本物镜成像至紫外胶，使紫外胶瞬时固化，形成立体结构。如图1所示，本成像物镜以第一块镜片L1朝向物面的入射面为第一面，沿着光轴以此类推，总共20个光学表面，10块镜片，物象共轭距为L＝350mm。其中编号L5、L6为负透镜，其余镜片均为正透镜。所有镜片的光学参数以光阑为中心成镜像对称、双远心结构，可以保证物、像面有微量偏离的情况下，成像质量和放大倍率都不会发生变化。如图1所示，类似于本专利技术中的高数值孔径光刻物镜光学材料全部采用国产成都光明光电公司产品，这在国内尚缺乏使用案例。经过经过严格的实验测试后，成都光明光电公司的H-K9L、H-QK3L、F2三种牌号的玻璃在365nm波段成像中性能良好，透过率相对较高且价格较为低廉，故本镜头采用这三款玻璃进行优化设计。应用上述三种玻璃材料后，该物镜的透过率在ZEMAX软件中估算大致为55％左本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜，其特征是：该投影物镜物象共轭距为L＝350mm；其中物镜的物方工作距为85.2mm，像方工作距为79.5mm，物镜工作中心波长为365nm，有效工作波段为360nm～370nm；该物镜共有10枚镜片，构成双远心对称式结构，从物面光线入射方向开始到光阑前为第一组镜片，第一组镜片包括第一镜片L1，第二镜片L2，第三镜片L3，第四镜片L4，第五镜片L5，其中第五镜片L5为负透镜，其余镜片为正透镜；从光阑后到像面前为第二组镜片，第二组镜片包括第六镜片L6，第七镜片L7，第八镜片L8，第九镜片L9，第十镜片L10；第二组镜片与第一组镜片关于光阑对称，即第六镜片L6与第五镜片L5相同，第七镜片L7与第四镜片L4相同，并以此类推。

【技术特征摘要】
1.一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜，其特征是：该成像物镜物象共轭距为L＝350mm；其中物镜的物方工作距为85.2mm，像方工作距为79.5mm，物镜工作中心波长为365nm，有效工作波段为360nm～370nm；该物镜共有10枚镜片，构成双远心对称式结构，从物面光线入射方向开始到光阑前为第一组镜片，第一组镜片包括第一镜片L1，第二镜片L2，第三镜片L3，第四镜片L4，第五镜片L5，其中第五镜片L5为负透镜，其余镜片为正透镜；从光阑后到像面前为第二组镜片，第二组镜片包括第六镜片L6，第七镜片L7，第八镜片L8，第九镜片L9，第十镜片L10；第二组镜片与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊伯，程依光，司新春，邓钦元，周毅，高洪涛，胡松，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51