CN102789005B - 环形微褶皱光学镜片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环形微褶皱光学镜片及其制备方法，属于光学及微加工领域。首先制备软材料薄膜；将该软材料薄膜固定于一具有孔洞的基底上，然后从该孔洞预设位置提拉或顶推所述薄膜形成锥状结构；于所述锥状结构表面沉积硬材料薄膜或使其表面硬化后取消提拉或顶推，使所述软-硬材料双层薄膜的表面形成周期性环形微褶皱，以完成制备。本发明的环形微褶皱光学镜片有类似于传统角锥透镜的光学性能，且其透镜汇聚角、发散角、焦距等光学参数可以通过制备的工艺参数方便地调节，并且具有厚度极薄、重量极轻、柔性的特点，加之其低廉的加工成本，较传统角锥透镜有巨大的优势。本发明中制备环形褶皱的工艺还可用于制备较大尺寸的光学镜片，并可批量制造。

Description

环形微褶皱光学镜片及其制备方法

技术领域

本发明属于光学和微加工领域，特别是涉及一种环形微褶皱光学镜片及其制备方法。

背景技术

在软-硬双层薄膜中，如在软膜部分引入收缩应力，因硬膜部分难于收缩，则软-硬双层薄膜结构会发生失稳屈曲，形成类正弦型微褶皱结构。近年来，研究者们主要使用PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）作为基体。这种材料具有在可见光下透明、常温下呈现高弹性橡胶状、通常情况下化学性能稳定、无毒、制作简单、成本较低等特点，从而在微电子器件结构和封装领域获得了广泛应用。通常，在PDMS基体上制作薄膜，并产生大规模微结构的方法有两种。一种是在基体上溅射金、铝等薄膜，利用薄膜和基体热膨胀系数、弹性模量的不匹配来产生薄膜屈曲，从而生成微褶皱。第二种方法是利用PDMS与氧等离子体反应或在紫外光照射下，表面化学键断裂，生成硬度远高于原PDMS的硬化层。在热应力或其他压缩应力作用下，该硬化层发生屈曲，生成微褶皱。褶皱的周期及高度可以通过理论公式确定，其中λ为环形微褶皱的周期，H为软材料薄膜的厚度，h为硬材料薄膜的厚度，E_s为软材料薄膜的杨氏模量，E为硬材料薄膜的杨氏模量，v_s为软材料薄膜的泊松比。（Z.Y.Huang,W. Hong and Z.Suo,J.of Mech.and Phys.of Solids,2005,53,2101-2118）

这样的微褶皱结构可以起到类似传统光学元件的一些作用，如一维褶皱就可以被当作光学光栅（Sk.Faruque Ahmed,Geon-Ho Rho,Kwang-Ryeol Lee,Ashkan Vaziri and Myoung-WoonMoon,Soft Matter,2010,6,5709-5714）。由于本发明的环形微褶皱光学镜片的光学性能与角锥透镜类似，故在此介绍一下角锥透镜。角锥透镜也称作旋转对称透镜，是一种拥有一个圆锥面和一个平面的透镜。角锥透镜有如下两个特点：一是它将入射平行光汇聚为贝塞尔光束。这是一种具有很长聚焦深度的光束，或者说此光束的发散很慢从而能够在很长距离内保持较细的光腰；同时贝塞尔光束具有重构能力，即在遇到障碍物时在障碍物后将重新恢复光束的形状。二是它将入射平行光变换为一个环形光束。角锥透镜的光路示意图如图1a所示，其中靠近圆锥表面的汇聚区是贝塞尔光束；其后当光束进一步发散后形成一个环状光束，参见图1b。角锥透镜被应用于激光打孔、望远镜、角膜手术、光镊等领域。

现有技术中，包括角锥透镜在内的各种光学镜片普遍采用玻璃材料，以致具有如下缺点：镜片加工成本高、难以制作较大面积的镜片，大面积镜片具有较大的重量从而难以携带。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种环形微褶皱光学镜片及其制备方法，用于解决现有技术中衍射光学元件加工成本高、难以制作较大面积的镜片，大面积镜片具有较大的重量从而难以携带等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种环形微褶皱光学镜片的制备方法，所述制备方法至少包括：1）提供一表面具有预设形状和预设尺寸的孔洞的基底及一软材料薄膜，将所述软材料薄膜固定于所述基底的表面，并使所述软材料薄膜覆盖所述孔洞；2）从所述孔洞的预设位置提拉或顶推所述软材料薄膜至一预设高度形成锥状结构；3）于所述锥状结构表面沉积硬材料薄膜，或使锥状结构的表面硬化形成硬材料薄膜，然后去除对所述锥状结构的提拉或顶推，使所述软材料薄膜表面及所述硬材料薄膜形成具有预设周期的环形微褶皱，以完成所述环形微褶皱光学镜片的制备。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，所述孔洞为孔径为0.1~200cm的圆孔。

进一步地，所述步骤2）中，从所述圆孔中心提拉所述软材料薄膜至一预设高度形成圆锥结构，其中，所述预设高度与所述圆孔孔径的比值为0.1~2∶1。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，所述预设周期由公式：确定，其中λ为环形微褶皱的周期，H为软材料薄膜的厚度，h为硬材料薄膜的厚度，E_s为软材料薄膜的杨氏模量，E为硬材料薄膜的杨氏模量，v_s为软材料薄膜的泊松比。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，所述预设周期为0.2~30μm。

作为本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法的一个优选方案，所述软材料薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，所述硬材料薄膜为金薄膜。

本发明还提供一种环形微褶皱光学镜片，至少包括：

软材料薄膜，其表面具有预设周期的环形微褶皱；

硬材料薄膜，结合于所述软材料薄膜表面，具有与所述软材料薄膜周期相同的环形微褶皱。

作为本发明的环形微褶皱光学镜片的一个优选方案，所述软材料薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，所述硬材料薄膜为金薄膜。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，相邻的两个环形微褶皱的谷峰或谷底的距离为0.2~30μm。

在本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法中，所述环形微褶皱的振幅为0.1~10μm。

如上所述，本发明的环形微褶皱光学镜片及其制备方法，具有以下有益效果：首先制备软材料薄膜；将该软材料薄膜固定于一具有孔洞的基底上，然后从该孔洞预设位置提拉或顶推所述薄膜形成锥状结构；于所述锥状结构表面沉积硬材料薄膜，或使锥状结构的表面硬化形成硬材料薄膜，然后取消提拉或顶推，使所述软-硬材料双层薄膜的表面形成周期性环形微褶皱，以完成制备。本发明的环形微褶皱光学镜片有类似于传统角锥透镜的光学性能，且其透镜汇聚角、发散角、焦距等光学参数可以通过制备的工艺参数方便地调节，并且具有厚度极薄、重量极轻、柔性的特点，加之其低廉的加工成本，较传统角锥透镜有巨大的优势。本发明中制备环形褶皱的工艺还可用于制备较大尺寸的光学镜片，并可批量制造，适用于工业生产。

附图说明

图1a显示为传统角锥透镜将入射高斯光束转换成贝塞尔光束及圆环光束的光路侧视图的示意图。

图1b显示为一束准直激光穿过角锥透镜后的光束示意图。

图2显示为本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法工艺流程图。

图3a~3b显示为本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法步骤1）所呈现的结构侧视图及俯视图。

图4显示为本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法步骤2）所呈现的结构示意图。

图5~6b显示为本发明的环形微褶皱光学镜片的制备方法步骤3）所呈现的结构示意图。

图7显示为本发明的环形微褶皱光学镜片的侧视照片以及在显微镜下的局部微褶皱形貌照片。

图8显示为平行白光通过本发明的环形微褶皱光学镜片后的光场分布侧视照片。

图9显示为平行白光通过本发明的环形微褶皱光学镜片后，距离微褶皱光学镜片3cm处的聚焦光斑正视照片。

图10为平行白光通过发明的环形微褶皱光学镜片后，距离微褶皱光学镜片15cm处的+1及-1级衍射图样正视照片。

元件标号说明

101                    软材料薄膜

1011                   锥状结构

102                    基底

1021                   孔洞

103                    硬材料薄膜

104                    环形微褶皱

S11~S13                步骤1）~步骤3）

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2~图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

请参阅图2~图6b，本实施例提供一种环形微褶皱光学镜片的制备方法，所述制备方法至少包括：

如图2~图3b所示，首先进行步骤1）S11，提供一表面具有预设形状和预设尺寸的孔洞1021的基底102及一软材料薄膜101，将所述软材料薄膜101固定于所述基底102的表面，并使所述软材料薄膜101覆盖所述孔洞1021。

所述基底为玻璃基底，所述基底102的孔洞1021为孔径为0.1~200cm的圆孔，在本实施例中所述圆孔的孔径为1.4cm，采用粘合的方式将所述软材料薄膜101固定于所述基底102的表面，当然，在其它的实施例中，所述孔洞1021可为多边形、圆角多边形或所有预期的形状，其尺寸也可以根据实际需求而定，根据需求可以选用更大或更小尺寸的孔洞1021以制备更大或更小尺寸的光学镜片。也可以采用预期的其它固定方法将所述软材料薄膜101固定于所述基底102表面。

在本实施例中，所述软材料薄膜101为聚二甲基硅氧烷薄膜，其制备方法如下：

提供用于合成聚二甲基硅氧烷的主剂与硬化剂，将所述主剂与硬化剂混合形成混合液，然后将所述混合液置于真空设备内以去除所述混合液内的气泡。所述的主剂为SYLGUARD-184A，所述的硬化剂为SYLGUARD-184B，且所述主剂与硬化剂的混合质量比为8~12∶1，在本实施例中，所述主剂与硬化剂的混合质量比为10∶1。所述真空设备为低真空箱。

在具体的实施过程中，称取质量比为10∶1主剂及硬化剂并置于容器中，然后通过机械搅拌器或电磁搅拌器等的方式使其充分混合形成混合液，接着将该混合液置于低真空箱内并对所述低真空箱抽真空以去除所述混合液内的气泡，直至所述混合液内没有气泡为止。

然后将所述混合液置于承载片上，并采用旋涂工艺以在所述承载片上形成覆层，然后对该覆层进行烘制形成聚二甲基硅氧烷薄膜。所述承载片采用对聚二甲基硅氧烷具有低粘性的圆盘或圆片，在本实施例中，所述承载片采用表面镀铜的硅片。

所述旋涂工艺中，旋涂的转速为200~350转/秒，旋涂的时间为30秒~90秒。在本实施例中，旋涂的转速为270转/秒，旋涂的时间为45秒，形成覆层，然后对所述覆层进行烘制，具体地，将该覆层置于烘箱内，于80℃下烘制两小时，以形成聚二甲基硅氧烷薄膜101，所述聚二甲基硅氧烷薄膜101的厚度大于10μm，在本实施例中，所述聚二甲基硅氧烷薄膜101的厚度为170μm。

当然，在其它的实施例中，所述软材料薄膜101可以采用预期的其它厚度和其它软材料薄膜101。

在所述的将软材料薄膜101固定于基底102的表面时，本实施例中采用粘合剂粘合的办法。所述粘合剂为用于合成聚二甲基硅氧烷的主剂与硬化剂的混合液。在具体的实施过程中，称取质量比为10∶1主剂及硬化剂并置于容器中，然后通过搅拌使其充分混合形成混合液，接着将该混合液置于低真空箱内并对所述低真空箱抽真空以去除所述混合液内的气泡，直至所述混合液内没有气泡为止，以完成对所述粘合剂的制备。然后将所述粘合剂均匀涂于基底102的表面，将软材料薄膜101放于基底102上，再把所述涂了粘合剂的基底102和置于其上的软材料薄膜101置于烘箱内，于80℃下烘制两小时，以完成所述将软材料薄膜101固定于基底102的表面。

当然，在其它的实施例中，可以采用预期的其它粘合剂和其它固定方法。

如图2及图4所示，接着进行步骤2）S12，从所述孔洞1021的预设位置提拉或顶推所述软材料薄膜101至一预设高度形成锥状结构1011。

在本实施例中的孔洞1021为圆孔，具体的实施过程是，从所述圆孔1021中心提拉所述聚二甲基硅氧烷薄膜101至一预设高度形成圆锥结构。所述预设高度与所述预设孔径的比值为0.1~2∶1，提拉至所述高度后，对该圆锥结构进行固定，使该结构的形状保持不变。

当然，在其它的实施例中，可以根据不同孔洞1021的形状和尺寸选择在不同的位置对其进行提拉或顶推，通过选择所需的预设高度，以获得所需形状的锥状结构。

如图2及图5~图6b所示，最后进行步骤3）S13，于所述锥状结构1011表面沉积硬材料薄膜103，或使锥状结构1011的表面硬化形成硬材料薄膜103，然后去除对所述锥状结构1011的提拉或顶推，使所述软材料薄膜101表面及所述硬材料薄膜103形成具有预设周期的环形微褶皱104，以完成所述环形微褶皱光学镜片的制备，其截面图如图6a所示，俯视图如图6b所示。

在本实施例中，于所述圆锥结构表面沉积金薄膜103，然后去除对所述聚二甲基硅氧烷薄膜101的提拉，使所述聚二甲基硅氧烷薄膜101表面及所述金薄膜103形成具有预设周期的环形微褶皱104。

具体地，采用溅射或蒸镀等方法于所述圆锥结构1011表面沉积金薄膜103，沉积的金的厚度为5~10nm，在本实施例中，采用溅射的方法沉积金薄膜103，其厚度为7nm。然后去除对所述聚二甲基硅氧烷薄膜101的提拉，使其在收缩应力的作用下恢复原来的形状，而硬材料薄膜103部分难于收缩，则聚二甲基硅氧烷薄膜101-金薄膜103双层薄膜结构会发生失稳屈曲，形成类正弦型微褶皱结构，使所述聚二甲基硅氧烷薄膜101表面及所述金薄膜103形成具有预设周期的环形微褶皱104。

所述环形微褶皱104的预设周期由公式：确定，其中λ为环形微褶皱104的周期，H为软材料薄膜101的厚度，h为硬材料薄膜103的厚度，E_s为软材料薄膜101的杨氏模量，E为硬材料薄膜103的杨氏模量，v_s为软材料薄膜101的泊松比。在本实施例中，λ为环形微褶皱104的周期，H为聚二甲基硅氧烷薄膜101的厚度，h为金薄膜103的厚度，E_s为聚二甲基硅氧烷薄膜101的杨氏模量，E为金薄膜103的杨氏模量，v_s为聚二甲基硅氧烷薄膜101的泊松比。可见，在其它的实施例中，可通过采用具有不同泊松比、杨氏模量的软-硬材料，以及调节软-硬两层材料的厚度来调节褶皱的周期。在本实施例中，所述环形微褶皱104的预设周期为0.2~30μm，具体地，所述预设周期为2μm。

实施例2

请参阅图6a~6b，如图所示，本实施例提供一种环形微褶皱光学镜片，至少包括：软材料薄膜101，其表面具有预设周期的环形微褶皱104；硬材料薄膜103，结合于所述软材料薄膜101表面，具有与所述软材料薄膜101周期相同的环形微褶皱104，其截面图如图6a所示，俯视图如图6b所示。

在本实施例中，所述软材料薄膜101为聚二甲基硅氧烷薄膜，所述硬材料薄膜为金薄膜103。当然，在其它的实施例中，可以选用不同于本实施例的软材料薄膜101和硬材料薄膜103，以达到所需的要求。

所述预设周期T（相邻的两个环形微褶皱的谷峰或谷底的距离）为0.2~30μm。在本实施例中为2μm。

所述环形微褶皱104的振幅A为0.1~10μm。在本实施例中为0.3μm。

可通过调节环形微褶皱104的周期T，获得不同的透镜汇聚角、发散角、焦距等光学参数，以满足实际所需的要求。

为了更好的说明本发明所获得的良好效果，发明人对本发明制备的环形微褶皱光学镜片进行了测试，如图7~图10所示。

图7显示为本发明的环形微褶皱光学镜片的微褶皱透镜侧视照片以及在显微镜下的局部微褶皱形貌照片。由图可见，运用本发明展示的制作微褶皱的方法可以在聚二甲基硅氧烷薄膜101-金薄膜103的双层薄膜结构中制作间隔均匀的环形微褶皱104。其中图中的彩色正是由于形成的褶皱在照明光下的衍射效应造成的。

下面以微褶皱104的周期2μm及振幅0.3μm，金薄膜103厚度7nm，聚二甲基硅氧烷薄膜厚度170μm为例说明本发明的环形微褶皱光学镜片的光学性能，即具有类似传统角锥透镜的光学性能。

图8~10显示为平行白光通过本发明的环形微褶皱光学镜片后的光场分布照片，其中图8为侧视照片；图9显示为距离环形微褶皱光学镜片3cm处的聚焦光斑正视照片，可见，光斑尺寸为2-3mm，是入射光斑尺寸的15%-20%，理论上如果改善加工工艺使微褶皱更加均匀则此聚焦光斑可以更小（加工工艺的改善只是将上述各步骤做得更仔细精确而已，并不增加工艺复杂度）；图10为距离环形微褶皱光学镜片15cm处的+1及-1级衍射图样正视照片。

根据图1a~1b与图7~10的对比，我们可以发现运用本发明基于应力诱导软-硬双层结构产生微褶皱的原理，通过在聚二甲基硅氧烷薄膜-金薄膜的双层薄膜结构中引入径向应力诱导产生环形微褶皱而制作的柔性薄膜微褶皱透镜具有与传统角锥透镜相似的光学性能。图8显示在靠近透镜的区域，汇聚光束发散很慢，具有非常长的聚焦深度，即成为贝塞尔光束。图9显示在靠近透镜的区域,入射光束得到汇聚。图10显示在离透镜较远的区域，光束变为环状；因为我们的器件具有+1和-1两个衍射级次，所以有两个环状光束，其中内环对应于角锥透镜的环状光束。

关于应用，本发明展示的柔性薄膜上的环形微褶皱光学镜片具有厚度极薄、重量极轻、柔性的特点，并且成本低廉，在这些方面较传统光学镜片有巨大的优势。除了角锥透镜的传统用途外，这种新型镜片还可以应用于低成本聚光、彩色灯光、光学玩具等方面。本发明展示的制备方法还适于制作大面积的镜片，这只需将软材料薄膜101和所述基底102的孔洞1021做大即可，而传统的玻璃镜片想要做大是非常困难和昂贵的。本发明展示的制备方法也适于同时批量制作多个镜片，这可通过将软材料薄膜101平铺于包含多个孔洞1021的基底102，同时对多个孔洞1021上的软材料薄膜101进行拉伸及后续加工，而传统的玻璃镜片制备方法很难实现对多个镜片的并行加工。

综上所述，本发明的环形微褶皱光学镜片及其制备方法，首先制备软材料薄膜；将该软材料薄膜固定于一具有孔洞的基底上，然后从该孔洞的预设位置提拉或顶推所述薄膜形成锥状结构；于所述锥状结构表面沉积硬材料薄膜，或使锥状结构的表面硬化形成硬材料薄膜，然后取消提拉或顶推，使所述软-硬材料双层薄膜的表面形成周期性环形微褶皱，以完成制备。本发明的环形微褶皱光学镜片有类似于传统角锥透镜的光学性能，且其透镜汇聚角、发散角、焦距等光学参数可以通过制备的工艺参数方便地调节，并且具有厚度极薄、重量极轻、柔性的特点，加之其低廉的加工成本，较传统角锥透镜有巨大的优势。本发明中制备环形褶皱的工艺还可用于制备较大尺寸的光学镜片，并可批量制造，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.环形微褶皱光学镜片的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：

1）提供一表面具有预设形状和预设尺寸的孔洞的基底及一软材料薄膜，将所述软材料薄膜固定于所述基底的表面，并使所述软材料薄膜覆盖所述孔洞；

2）从所述孔洞的预设位置提拉或顶推所述软材料薄膜至一预设高度形成锥状结构；

3）于所述锥状结构表面沉积硬材料薄膜，或使锥状结构的表面硬化形成硬材料薄膜，然后去除对所述锥状结构的提拉或顶推，使所述软材料薄膜表面及所述硬材料薄膜形成具有预设周期的环形微褶皱，以完成所述环形微褶皱光学镜片的制备。

2.根据权利要求1所述的环形微褶皱光学镜片的制备方法，其特征在于：所述孔洞为孔径为0.1～1.4cm的圆孔。

3.根据权利要求2所述的环形微褶皱光学镜片的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，从所述圆孔中心提拉所述软材料薄膜至一预设高度形成圆锥结构，其中，所述预设高度与所述圆孔孔径的比值为0.1～2∶1。

4.根据权利要求1所述的环形微褶皱光学镜片的制备方法，其特征在于：所述预设周期由公式：确定，其中λ为环形微褶皱的周期，H为软材料薄膜的厚度，h为硬材料薄膜的厚度，Es为软材料薄膜的杨氏模量，E为硬材料薄膜的杨氏模量，ν_s为软材料薄膜的泊松比。

5.根据权利要求1所述的环形微褶皱光学镜片的制备方法，其特征在于：所述预设周期为0.2～30μm。

6.根据权利要求1所述的环形微褶皱光学镜片的制备方法，其特征在于：所述软材料薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，所述硬材料薄膜为金薄膜。

7.一种具有光学聚焦及发散功能的环形微褶皱光学镜片，其特征在于，至少包括：

软材料薄膜，其表面具有预设周期的环形微褶皱；

硬材料薄膜，结合于所述软材料薄膜表面，具有与所述软材料薄膜周期相同的环形微褶皱。

8.根据权利要求7所述的具有光学聚焦及发散功能的环形微褶皱光学镜片，其特征在于：所述软材料薄膜为聚二甲基硅氧烷薄膜，所述硬材料薄膜为金薄膜。

9.根据权利要求7所述的具有光学聚焦及发散功能的环形微褶皱光学镜片，其特征在于：相邻的两个环形微褶皱的谷峰或谷底的距离为0.2～30μm。

10.根据权利要求7所述的具有光学聚焦及发散功能的环形微褶皱光学镜片，其特征在于：所述环形微褶皱的振幅为0.1～10μm。