CN102352050B - 一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法。包括以下步骤：（a）采用显微硬度仪的显微压痕法或者采用拉伸压缩试验机的压痕法中的一种对聚甲基丙烯酸甲酯平板进行压痕制作，待用；（b）将步骤（a）所得的待用的聚甲基丙烯酸甲酯平板浸泡在95%乙醇溶剂中，在室温环境下，压痕口直径在40μm～100μm时，浸泡时间在24h～60h；（c）将在步骤（b）浸泡过95%乙醇的聚甲基丙烯酸甲酯平板，在50℃～70℃的环境中烘干20h～26h，即获得稳定的聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列。工艺简单、价格低廉，适合大规模制作聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列制品，最大限度的满足微透镜阵列在各领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种微透镜阵列的方法，尤其涉及一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法。属于光学技术领域。
背景技术
微透镜阵列是一种重要的光学元件，广泛应用于光学传感，医疗和军事领域，例如：便携式相机，移动设备的摄像头，液晶显示，液晶投影仪，波前传感，印刷设备，手术照明灯，医疗光学器械，以及一种新型四维照相机等。目前，在液晶投影仪方面的应用，拥有大约68亿元人民币的市场。在便携式照相机以及移动设备摄像头方面，拥有大约3000亿元人民币的市场。
目前，工业领域中使用的微透镜阵列大多是对石英玻璃采用半导体加工工艺加工，比如：光刻和光刻胶重熔，光刻和离子侵蚀，掩模和蚀刻等。这些工艺所用设备昂贵，制造流程复杂，导致石英玻璃微透镜阵列昂贵的价格。目前，Suss MicroTec公司制作的石英玻璃微透镜阵列（六边形排布，透镜间距250μm，透镜半径835 μm，阵列尺寸20mm x 20mm x 1.2mm），市场价格可高达1400欧元。因此，大大的影响着微透镜阵列在各领域的应用前景。
另外，现有技术中的聚合物微透镜阵列的制作方法大体分为流体法和光学法两大类。流体法有注塑、热熔回流、软体压印、喷印等。流体法受到微流体通道以及微小模具的设计加工的限制，不易于100 μm以下的微透镜阵列制作。光学法有光刻、掩模、激光干涉等方法。光学法需要使用昂贵的设备，制作工艺复杂，成本高。因此，也大大的影响着微透镜阵列在各领域的应用前景。
发明内容
本发明就是针对上述问题提出来的，其目的是提供一种工艺简单、价格低廉适合大规模制作的聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的方法。
为实现上述目的本发明解决技术问题的技术方案是：
一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：
（a）、采用显微硬度仪的显微压痕法或者采用拉伸压缩试验机的压痕法中的一种对聚甲基丙烯酸甲酯平板进行压痕制作，待用；
（b）、将步骤（a）所得的待用的聚甲基丙烯酸甲酯平板浸泡在95%乙醇溶剂中，在室温环境下，压痕口直径在40μm～100μm时，浸泡时间在24h～60h；
（c）、将在步骤（b）浸泡过95%乙醇的聚甲基丙烯酸甲酯平板，在50℃～70℃的环境中烘干20h～26h，即获得稳定的聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列。
步骤（a）所述的采用显微硬度仪的显微压痕法时压痕的排列通过显微硬度仪编程控制，压痕的形状通过压头的形状控制，压痕大小通过加载力的大小控制；所述的采用拉伸压缩试验机的压痕法时压痕的排列、形状和大小通过预先排列好的金属球或者玻璃球控制。
所述的压头的形状与所需透镜的形状一致，所述的压痕大小为所需透镜大小的一半。
所述的聚甲基丙烯酸甲酯平板采用的等级为A级。
本发明与现有技术相比具有如下优点效果：
本发明的制作方法采用应力增强的溶胀效应来制作聚甲基丙烯酸甲酯平板微透镜阵列，原理简单，相应的制作工艺简单，不需要设计复杂的辅助模具，不涉及诸如光刻、掩模、侵蚀等复杂流程，不需要使用昂贵的设备；该方法不需要自行开发专用的原材料，所用的聚甲基丙烯酸甲酯平板平板为工业领域中广泛使用的材料；本发明方法根据特定需要，选择制作不同形状、大小、排布密度的微透镜阵列，能够制作球形、椭球形、线形透镜阵列，能够制作从几十个微米到毫米级的透镜，能够制作三角形、正方形、菱形等阵列排布方式；本发明方法适合大批量生产聚甲基丙烯酸甲酯平板微透镜阵列制品，且价格低廉，最大限度的满足微透镜阵列在各领域的应用。
附图说明
图1：为本发明制作方法的一种实施例的制作工艺流程示意图。
图中：A、为本发明采用显微压痕法的制作工艺，B、为将带有压痕的聚甲基丙烯酸甲酯平板浸泡在乙醇中，1、为本发明采用球形压头制作压痕，2、为本发明采用椭球形压头制作压痕，3、为聚甲基丙烯酸甲酯平板，4、为本发明制作的球形压痕，5、为本发明浸泡在乙醇中形成的球形透镜，6、为本发明制作的椭球形压痕，7、为本发明浸泡在乙醇中形成的椭球形透镜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
实施例1
一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，制作7×7正方形排布的圆形微透镜阵列，透镜间距40μm，单个透镜镜口直径40μm，最大高度2 μm，使用1mm厚度的聚甲基丙烯酸甲酯平板，购买自新加坡Ying Kwang Acrylics Trading公司，玻璃态转变温度为110°C，A等级。具体包括以下步骤：
（a）、在25°C的常温下，采用瑞士CSM仪器公司的显微硬度仪的显微压痕法，采用该硬度仪简单阵列模式对压痕的位置进行预设，相邻压痕间距与所加工透镜间距一致，为40 μm。取半径20μm球形压头，以5 mN/s的加载速度和150 mN的最大载荷，对1mm厚的聚甲基丙烯酸甲酯平板进行显微压痕制作，制成的压痕口直径为20 μm，压痕深度为1 μm，均为所加工透镜口直径和高度的一半。压痕的形成与材料的塑性变形相关，在压痕的周围存在残余应力场。
（b）、将步骤（a）所得制成压痕的聚甲基丙烯酸甲酯平板浸泡在95%乙醇溶剂中，由于压痕周围存在着残余应力场，该应力场影响着PMMA对乙醇的吸收梯度，乙醇的吸收梯度引起聚甲基丙烯酸甲酯平板的溶胀梯度，溶胀的程度随应力的增加而增强，这个现象被称作应力增强的溶胀效应。浸泡24小时后，在这种应力增强的溶胀效应作用下，原先的压痕阵列演变为微突起阵列。
（c）、将已经形成为微突起阵列的聚甲基丙烯酸甲酯平板从乙醇中取出，在60°C加热炉中烘干24小时，获得了稳定的聚甲基丙烯酸甲酯平板微透镜阵列，透镜间距40μm，单个透镜镜口直径40μm，最大高度2μm。该微透镜阵列可以在低于聚甲基丙烯酸甲酯平板玻璃态转变温度110°C的温度范围内稳定使用。
实施例2
一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，由44个微透镜按菱形周期性排布的阵列，透镜间距80μm，单个透镜镜口直径70μm，最大高度8μm。使用1mm厚度的甲基丙烯酸甲酯平板，购买自新加坡Ying Kwang Acrylics Trading公司，玻璃态转变温度为110°C，A等级。具体包括以下步骤：
（a）、在25°C环境下，使用瑞士CSM仪器公司的显微硬度仪，采用该硬度仪复杂阵列模式对压痕的位置进行预设，相邻压痕间距与所加工透镜间距一致，为80μm。采用半径40μm球形压头，以50mN/s的加载速度和1.5N的最大载荷，对1mm厚的PMMA平板进行显微压痕制作。采用本发明方法，制成的压痕口直径为35μm，压痕深度为4μm，均为所加工透镜口直径和高度的一半。
（b）、将步骤（a）所得制成压痕的聚甲基丙烯酸甲酯平板浸泡在95%乙醇溶剂中，浸泡40小时后，在应力增强的溶胀效应作用下，原先的压痕阵列演变为微突起阵列。
（c）、将已经形成为微突起阵列的聚甲基丙烯酸甲酯平板从乙醇中取出，在60°C加热炉中烘干24小时，获得了稳定的聚甲基丙烯酸甲酯平板微透镜阵列，透镜间距80μm，单个透镜镜口直径70μm，最大高度8μm。该微透镜阵列可以在低于聚甲基丙烯酸甲酯平板玻璃态转变温度110°C的温度范围内稳定使用。
实施例3
一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，由51个微透镜按六边形周期性排布的阵列，透镜间距200μm，单个透镜镜口直径200μm，最大高度20 μm。使用2mm厚度的甲基丙烯酸甲酯平板，购买自Marga Cipta公司，玻璃态转变温度为110°C，A等级。具体包括以下步骤：
（a）、在25°C环境下，使用瑞士CSM仪器公司的显微硬度仪，采用该硬度仪复杂阵列模式对压痕的位置进行预设，相邻压痕间距与所加工透镜间距一致，为200 μm。采用半径100μm球形压头，以100 mN/s的加载速度和30N的最大载荷，对2mm厚的PMMA平板进行显微压痕制作。采用该工艺，制成的压痕口直径为100 μm，压痕深度为10 μm，均为所加工透镜口直径和高度的一半。
（b）、将步骤（a）所得制成压痕的聚甲基丙烯酸甲酯平板浸泡在95%乙醇溶剂中，浸泡60小时后，在应力增强的溶胀效应作用下，原先的压痕阵列演变为微突起阵列。
（c）、将已经形成为微突起阵列的聚甲基丙烯酸甲酯平板从乙醇中取出，在60°C加热炉中烘干24小时，获得了稳定的聚甲基丙烯酸甲酯平板微透镜阵列，透镜间距200μm，单个透镜镜口直径200μm，最大高度20 μm。该微透镜阵列可以在低于聚甲基丙烯酸甲酯平板玻璃态转变温度110°C的温度范围内稳定使用。
实施例4
一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，使用3mm厚度的甲基丙烯酸甲酯平板，购买自Marga Cipta公司，玻璃态转变温度为110°C，A等级。具体包括以下步骤：
（a）、采用拉伸压缩试验机的压痕法，以预先排列好的钢球或者玻璃球，取直径1mm不锈钢球以菱形排布的方式排列在40mm×40mm的范围内，然后在0.001s-1的加载速度下，将聚甲基丙烯酸甲酯平板在钢球阵列上压0.5mm；
（b）、1mm钢球阵列压制成的聚甲基丙烯酸甲酯平板压痕阵列在25°C的95%乙醇溶剂中浸泡60小时，可获得微透镜阵列；其它同实施例1，不再赘述。
Claims (3)
1.一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（a）、采用显微硬度仪的显微压痕法或者采用拉伸压缩试验机的压痕法中的一种对聚甲基丙烯酸甲酯平板进行压痕制作，待用；
（b）、将步骤（a）所得的待用的聚甲基丙烯酸甲酯平板浸泡在95%乙醇溶剂中，在室温环境下，压痕口直径在40μm～100μm时，浸泡时间在24h～60h；
（c）、将在步骤（b）浸泡过95%乙醇的聚甲基丙烯酸甲酯平板，在50℃～70℃的环境中烘干20h～26h，即获得稳定的聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列；
步骤（a）所述的采用显微硬度仪的显微压痕法时压痕的排列通过显微硬度仪编程控制，压痕的形状通过压头的形状控制，压痕大小通过加载力的大小控制；所述的采用拉伸压缩试验机的压痕法时压痕的排列、形状和大小通过预先排列好的金属球或者玻璃球控制。
2.根据权利要求1所述的一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述的压头的形状与所需透镜的形状一致，所述的压痕大小为所需透镜大小的一半。
3.根据权利要求1所述的一种聚甲基丙烯酸甲酯微透镜阵列的制作方法，其特征在于：所述的聚甲基丙烯酸甲酯平板采用的等级为A级。
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