[发明专利]一种用于光刻式三维打印机的高数值孔径成像物镜

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了解决上述提到的问题，本发明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。

本发明采用的技术方案为：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。

本发明的原理在于：

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。本发明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。

本发明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：