CN103163575A - 彩色微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种彩色微透镜阵列及其制备方法，属于光学领域。包括提供基底；通过热熔工艺在基底上制备微透镜阵列母版；将聚二甲基硅氧烷黏稠液覆盖在所述母版上，制得带有凹形微透镜阵列的聚二甲基硅氧烷软印章；将聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在另一基底的颜色光阻剂上，制得微透镜阵列；重复上述步骤，利用不同的颜色光阻剂，制备不同颜色的微透镜阵列。本发明通过聚二甲基硅氧烷和颜色光阻剂，比传统多谱成像系统减少一个滤光片结构，减少光能损失，提高成像质量，避免了滤光片与微透镜阵列对准集成的问题；通过将几种不同颜色的微透镜阵列集成，应用于多谱成像系统中实现单色成像和彩色重构，大大降低系统复杂度和成本。

Description

彩色微透镜阵列及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种彩色微透镜阵列及其制备方法。
背景技术
微透镜列阵是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高、多通道等特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。
在一些实际应用中，有时人们只关心某一单色光的成像。例如，人体血管成像中需要关心的是蓝色光线所成的像，这就需要用到多谱成像系统。人们采用多通道集成彩色滤光片与微透镜阵列相结合的方式，利用微透镜阵列的多通道特点，可以实现多谱成像功能。目前已有很多微透镜阵列制造技术，主要有以下几种方法。
(1)光刻胶热回流技术
光刻胶热回流法(光刻胶热熔法)是Zoran D.Popovic等人(期刊论文，题目:Technique for monolithic fabrication of microlens arrays期刊:Applied Optics,Vol.27,Issue7,pp.1281-1284，1988)提出的，整个工艺过程可以分为三步，一、对基版上的光刻胶在掩模的遮蔽下进行曝光，曝光图案呈圆形，矩形或正六边形；二、对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质；三、放臵于加热平台上，热熔成型。由于这种方法具有工艺简单，对材料和设备的要求较低，工艺参数稳定且易于控制，复制容易等优点，被广泛地用于微透镜阵列的制备当中。该方法是制备微透镜整列最成熟的方法之一，成功率高。但是光刻胶热熔法只适用于正光刻胶，而颜色光阻剂是负光刻胶，不能用该方法来制备微透镜阵列。因此该方法制备的微透镜达不到对某一单色光的单独聚光、成像，在某些应用中会受到限制。
（2）软压印技术
王伟等人(期刊论文，题目：一种新型聚合物微透镜阵列的制造技术期刊:中国激光，第36卷11期，2009年11月)提出了一种利用软模压印制备微透镜阵列的技术。采用传统的光刻胶热熔方法制备微透镜阵列母版，利用复制模具的方法在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上得到一个和母版表面图形相反的模具，最后通过压印的方法把聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具上的图形转移到涂有紫外固化胶的玻璃基片上，待紫外胶完全固化后可得到和母版一致的微透镜阵列。该方法工艺简单，成本低。但是使用普通的紫外胶同样达不到对某一单色光的单独聚光、成像。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
目前，已有的方法制备的微透镜阵中，都存在一定的不足。如光刻胶热回流技术，它只适用于正光刻胶，而颜色光阻剂是负光刻胶，不能用该方法来制备微透镜阵列。因此该方法不能制备出对某一单色光单独聚光、成像的微透镜。软压印技术由于使用的是普通的紫外胶，同样达不到对某一单色光的单独聚光、成像。如果想实现想对某一单色光成像，需要与专门的滤光片结合，这样就存在滤光片与微透镜阵列对准的问题，从而增加了系统的复杂度，在某些应用中会受到限制。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种彩色微透镜阵列及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种彩色微透镜阵列制备方法，所述方法至少包括：
提供基底；
通过热熔工艺在基底上制备光刻胶微透镜阵列母版；
将聚二甲基硅氧烷黏稠液覆盖在所述母版上，制得带有凹形微透镜阵列的聚二甲基硅氧烷软印章；
将聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在另一基底的颜色光阻剂上，制得微透镜阵列；
重复上述步骤，利用不同的颜色光阻剂，可以制备不同颜色的微透镜阵列。
具体地，所述将聚二甲基硅氧烷黏稠液覆盖在所述母版上，制得聚二甲基硅氧烷软印章，包括：
将预聚体和固化剂按照体积比为10：1进行混合，制得聚二甲基硅氧烷黏稠液；
将所述聚二甲基硅氧烷黏稠液完全覆盖所述微透镜阵列母版，在85℃时烘烤30分钟后使其固化；
将固化的聚二甲基硅氧烷层从所述微透镜阵列母版上剥离，得到带有凹形微透镜阵列的聚二甲基硅氧烷软印章。
具体地，所述将聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制到另一基底的颜色光阻剂上，制得微透镜阵列，包括：
提供另一片基底；
在所述基底上旋涂红色光阻剂，制得红色光阻剂基底；
将所述聚二甲基硅氧烷软印章压在红色光阻剂上，所述聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在所述另一基底的红色光阻剂上，制得只能透过红色的微透镜阵列。
进一步地，所述提供另一片基底，包括：
将所述另一片基底用清水和丙酮清洗后臵于烘箱中，在130℃时烘烤10分钟。
进一步地，在所述基底上旋涂红色光阻剂，制得红色光阻剂基底，包括：
将旋涂后的红色光阻剂臵于真空烤箱内，在80℃时烘烤2分钟。
进一步地，将所述聚二甲基硅氧烷软印章压在红色光阻剂上，所述聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在所述另一基底的红色光阻剂上，制得只能透过红色的微透镜阵列，包括：
将所述聚二甲基硅氧烷软印章和所述另一基底的红色光阻剂基底放在烘箱内，在90℃时烘烤2分钟；
将所述聚二甲基硅氧烷软印章压在另一基底的红色光阻剂上，在所述聚二甲基硅氧烷软印章上放臵0.5㎏的平整重物，保持90℃和重物压力，10分钟后自然冷却；
透过所述聚二甲基硅氧烷软印章对另一基底的红色光阻剂进行紫外曝光，曝光剂量为150mJ；
将曝光后的所述另一基底的红色光阻剂臵于烤箱内在230℃时烘烤固化120分钟；
将所述聚二甲基硅氧烷软印章与所述另一基底的红色光阻剂分离，制得所述只能透过红色的微透镜阵列。
具体地，所述提供基底，包括：
取一片透光率高，表面平整的玻璃片作为基底；
将基底用清水和丙酮清洗后臵于烘箱中，在130℃时烘烤10分钟。
具体地，所述通过热熔工艺在基底上制备光刻胶微透镜阵列母版，包括：
将正光刻胶旋涂于清洗好的基底上，经过烘烤后，将带有光刻胶的基底臵于事先制备好的圆孔掩膜版下进行紫外曝光；
将曝光过的基底臵于质量百分比5%的氢氧化钠溶液中，显影出圆柱形图案；
将制备的带有圆柱形图案的光刻胶的基底臵于真空烘箱内，加热至125℃，加热时间为60秒；
光刻胶融化，自动形成微透镜的形状，在烘箱内自然冷却，制得微透镜阵列母版。
另一方面，提供了一种彩色微透镜阵列，包括依次层叠连接的另一基底、颜色光阻剂和微透镜。
具体地，所述基底为一片透光率高，表面平整的玻璃片。
具体地，所述颜色光阻剂旋涂于另一基底上。
具体地，所述微透镜阵列是将聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在另一基底的颜色光阻剂上制得的。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）和颜色光阻剂，比传统多谱成像系统减少一个滤光片结构，减少光能损失，提高成像质量，避免了滤光片与微透镜阵列对准集成的问题；通过将几种不同颜色的微透镜阵列集成，应用于多谱成像系统中实现单色成像和彩色重构，大大降低系统复杂度和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的微透镜阵列制备方法流程图；
图2是本发明实施例一提供的微透镜阵列制备工艺示意图；
图3是本发明实施例二提供的微透镜阵列示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例一提供了一种彩色微透镜阵列制备方法，参见图1、图2，该方法具体包括如下步骤：
步骤101：提供基底。
优选地，取一片透光率高，表面平整的玻璃片作为基底1。
具体地，将基底用清水和丙酮清洗，然后臵于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟，用于除去水汽和残余丙酮；烘烤后进行氧气等离子体处理，用于增加玻璃的表面能。
优选地，该氧气等离子体处理的真空度为25Pa，功率为60W，轰击时间为90秒。
步骤102：通过热熔工艺在基底上制备光刻胶微透镜阵列母版。
具体地，将正光刻胶2旋涂于清洗好的基底上，经过烘烤后，将带有光刻胶的基底臵于事先制备好的圆孔掩膜板3下进行紫外曝光4。
优选地，该正光刻胶为正光刻胶AZ4620。
其中，曝光时间和剂量根据胶层厚度和光强决定。曝过光的正光刻胶5能在显影液下去除掉为宜。
优选地，将曝光过的基底臵于质量百分比5%的氢氧化钠溶液中，显影出圆柱形图案6。其中，显影时间要根据光刻胶厚度，由实验决定。
进一步地，将制备的带有圆柱形图案的光刻胶的基底臵于真空烘箱内，加热至125℃，加热时间为60秒。此时光刻胶会融化，在表面张力的作用下，自动形成微透镜的形状，在烘箱内自然冷却，制得微透镜阵列母版7。
步骤103：将配臵好的聚二甲基硅氧烷黏稠液倾倒在所述母版上，制得聚二甲基硅氧烷软印章。
具体地，按照体积比为10:1将预聚体（Sylgard184elastomer）和固化剂（Sylgard184curing agent）进行混合，混合后静臵1小时除气，制得聚二甲基硅氧烷（PDMS）粘稠液。
优选地，预聚体（Sylgard184elastomer）和固化剂（Sylgard184curing agent）是由美国Dow-Corning公司出品。
进一步地，将聚二甲基硅氧烷（PDMS）粘稠液倾覆摊平在微透镜阵列母版上，使粘稠液完全覆盖微透镜阵列母版，以85℃烘烤30分钟，使聚二甲基硅氧烷（PDMS）固化。固化后的聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面能很低，可以很轻松的将固化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）层从微透镜阵列母版上剥离，得到带有凹形微透镜阵列的PDMS软印章8。
步骤104：利用聚二甲基硅氧烷软印章将微透镜阵列图形转移到另一基底的颜色光阻剂上，制得微透镜阵列。
具体地，取另一基底9，用清水和丙酮清洗后臵于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟除去水汽和残余丙酮。
优选地，取一片透光率高，表面平整的玻璃片作为基底。
进一步地，在另一基底9上旋涂一层一定厚度的红色光阻剂10，在真空烘箱内，经80℃烘烤2分钟形成红色光阻剂基底；
将步骤103制得的聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章和红色光阻剂基底放在烘台上以90℃预热3分钟，预热的目的是减少后续压印过程中由于材料热膨胀系数不同造成的复制缺陷；
将聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章压在红色光阻剂上，对聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章上放一重为0.5kg的平整重物11，使聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章压入软化的红色光阻剂中；
保持90℃和重物压力分钟后自然冷却；由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）透光的，透过聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章对红色光阻剂进行紫外曝光4，曝光剂量为150mJ；
对曝光后的红色光阻剂以230℃烘烤固化120分钟，使聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章上的微透镜阵列结构复制在光阻剂上；
由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有很低的表面能，自然冷却后可以很轻松的将聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章于光阻剂分离，从而制得只能透过红色的微透镜12。
其中，由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有优良的机械性能，聚二甲基硅氧烷（PDMS）只需经过简单的去离子水清洗就可以重复使用。
步骤105：重复上述步骤，利用不同的颜色光阻剂，制备不同颜色的微透镜阵列。
其中，根据市场上已有的颜色光阻剂种类，可以制备，红色13、绿色14和蓝色15三种颜色的微透镜阵列。
本发明实施例一提供的上述方法带来的有益效果是：通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）和颜色光阻剂，比传统多谱成像系统减少一个滤光片结构，减少光能损失，提高成像质量，避免了滤光片与微透镜阵列对准集成的问题；同时，聚二甲基硅氧烷（PDMS）可以重复使用，极大的降低了微透镜阵列的生产成本。
实施例二
本发明实施例二提供了一种彩色微透镜阵列，参见图2，该微透镜阵列包括依次层叠连接的另一基底9、红色光阻剂10和微透镜12。
具体地，取另一基底1，在另一基底1上旋涂一层一定厚度的红色光阻剂10，在真空烘箱内，经80℃烘烤2分钟形成红色光阻剂基底；将步骤103制得的聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章和红色光阻剂基底放在烘台上以90℃预热3分钟；将聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章压在红色光阻剂上，对聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章上放一重为0.5kg的平整重物，使聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章压入软化的红色光阻剂中；保持90℃和重物压力分钟后自然冷却；对曝光后的红色光阻剂以230℃烘烤固化120分钟，使聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章上的微透镜阵列结构复制在光阻剂上；自然冷却后将聚二甲基硅氧烷（PDMS）软印章于光阻剂分离，从而制得只能透过红色的微透镜12。
其中，根据市场上已有的颜色光阻剂种类，可以制备，红色、绿色和蓝色三种颜色的微透镜阵列。
本发明实施例二提供的上述技术方案带来的有益效果是：通过将几种不同颜色的微透镜阵列集成，应用于多谱成像系统中实现单色成像和彩色重构，大大降低系统复杂度和成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种彩色微透镜阵列制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：
提供基底；
通过热熔工艺在基底上制备微透镜阵列母版；
将聚二甲基硅氧烷黏稠液覆盖在所述母版上，制得带有凹形微透镜阵列的聚二甲基硅氧烷软印章；
将聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在另一基底的颜色光阻剂上，制得微透镜阵列；
重复上述步骤，利用不同的颜色光阻剂，可以制备不同颜色的微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将聚二甲基硅氧烷黏稠液覆盖在所述母版上，制得聚二甲基硅氧烷软印章，包括：
将预聚体和固化剂按照体积比为10：1进行混合，制得聚二甲基硅氧烷黏稠液；
将所述聚二甲基硅氧烷黏稠液完全覆盖所述微透镜阵列母版，在85℃时烘烤30分钟后使其固化；
将固化的聚二甲基硅氧烷层从所述微透镜阵列母版上剥离，得到带有凹形微透镜阵列的聚二甲基硅氧烷软印章。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列图形转移到另一基底的颜色光阻剂上，制得微透镜阵列，包括：
提供另一片基底；
在所述基底上旋涂红色光阻剂，制得红色光阻剂基底；
将所述聚二甲基硅氧烷软印章压在红色光阻剂上，所述聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在所述另一基底的红色光阻剂上，制得只能透过红色的微透镜阵列。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述提供另一片基底，包括：
将所述另一片基底用清水和丙酮清洗后臵于烘箱中，在130℃时烘烤10分钟。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述基底上旋涂红色光阻剂，制得红色光阻剂基底，包括：
将旋涂后的红色光阻剂臵于真空烤箱内，在80℃时烘烤2分钟。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述聚二甲基硅氧烷软印章压在红色光阻剂上，所述聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在所述另一基底的红色光阻剂上，制得只能透过红色的微透镜阵列，包括：
将所述聚二甲基硅氧烷软印章和所述另一基底的红色光阻剂基底放在烘箱内，在90℃时烘烤2分钟；
将所述聚二甲基硅氧烷软印章压在另一基底的红色光阻剂上，在所述聚二甲基硅氧烷软印章上放臵0.5㎏的平整重物，保持90℃和重物压力，10分钟后自然冷却；
透过所述聚二甲基硅氧烷软印章对另一基底的红色光阻剂进行紫外曝光，曝光剂量为150mJ；
将曝光后的所述另一基底的红色光阻剂臵于烤箱内在230℃时烘烤固化120分钟；
将所述聚二甲基硅氧烷软印章与所述另一基底的红色光阻剂分离，制得所述只能透过红色的微透镜阵列。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供基底，包括：
取一片透光率高，表面平整的玻璃片作为基底；
将基底用清水和丙酮清洗后臵于烘箱中，在130℃时烘烤10分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过热熔工艺在基底上制备光刻胶微透镜阵列母版，包括：
将正光刻胶旋涂于清洗好的基底上，经过烘烤后，将带有光刻胶的基底臵于事先制备好的圆孔掩膜版下进行紫外曝光；
将曝光过的基底臵于质量百分比5%的氢氧化钠溶液中，显影出圆柱形图案；
将制备的带有圆柱形图案的光刻胶的基底臵于真空烘箱内，加热至125℃，加热时间为60秒；
光刻胶融化，自动形成微透镜的形状，在烘箱内自然冷却，制得微透镜阵列母版。
9.一种彩色微透镜阵列，其特征在于，所述微透镜阵列包括依次层叠连接的另一基底、颜色光阻剂和微透镜。
10.根据权利要求9所述的微透镜阵列，其特征在于，所述基底为一片透光率高，表面平整的玻璃片。
11.根据权利要求9所述的微透镜阵列，其特征在于，所述颜色光阻剂旋涂于另一基底上。
12.根据权利要求9所述的微透镜阵列，其特征在于，所述微透镜阵列是将聚二甲基硅氧烷软印章上的微透镜阵列结构复制在另一基底的颜色光阻剂上制得的。
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