CN103777256A - 一种柔性曲面微透镜阵列的制作方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性曲面微透镜阵列的制作方法及应用，用于光学器械领域，本发明利用柔性透明的PET片材和透明PUA的自我复制能力，经过两次复制过程，制作出以PET片材为基底、PUA为透镜材料的微透镜阵列。由于PET片材的柔韧性，通过机械弯曲的方式，将微透镜阵列弯曲成曲面形状，从而形成柔性曲面微透镜阵列。相比平面微透镜阵列，曲面微透镜具有类似昆虫复眼所具有的广视角特点。本发明步骤简单，不需要复杂的设备，成本低。且可以通过改变微透镜阵列的弯曲程度来改变柔性曲面微透镜阵列的聚光范围。由于固化后的PUA具有较强的化学和机械稳定性，因此能保存较长的时间。此外，凹形微透镜阵列可以重复使用多次，从而极大的减少工艺步骤及工艺成本。

Description

一种柔性曲面微透镜阵列的制作方法及应用

技术领域

本发明用于光学器械领域，特别是涉及一种柔性曲面微透镜阵列的制作方法及应用。

背景技术

生物复眼通常具有体积小，视场角大，对高速移动物体敏感等优点。目前已有一些基于微透镜阵列的仿生复眼成像系统被提出。但受到制作工艺的限制，这些复眼成像系统大多为平面结构，很大程度上丧失了曲面复眼结构的突出优点——大视场角。在自然界中，生物复眼是由聚集在一起的一簇“小眼”所构成，通常整个复眼呈曲面结构。通过这些小眼可以将整个视场分成若干部分，每个小眼对应一定的视场角，只负责观察视场中的一部分。位于小眼后面的感光细胞将每个小眼观察到的情况采集下来，接合在一起就形成了整个视场的完整像。因此曲面复眼在获得更大的探测角度以及准确获取被探测曲面发出的信号等方面都有着潜在的应用。

现有技术中对于曲面上制作微透镜阵列的方法主要包括两种：

（1）激光光刻制造法，该方法通过激光直接在在球面上光刻的方式来制作曲面微透镜阵列，这种方法能制作出较为完美的曲面微透镜阵列，但是该方法需要较为精密且昂贵的可旋转移动激光发射源，因此制作成本很高，不适合大批量生产。

（2）热成型法，该方法是一种利用热玻璃球将平面模板加热变形成曲面的制作工艺。具体的，首先通过激光光刻和湿法刻蚀的方法在平面玻璃基底上制作出凹形微透镜阵列，然后用PMMA倾覆到该玻璃基底，固化PMMA制作出PMMA材质的微透镜阵列，最后加热球形热热玻璃至130摄氏度，将PMMA热压成曲面，从而形成球面微透镜阵列。该方法工艺步骤多，需要复杂的光刻、湿法腐蚀技术和设备，而且最后的热压法实施起来也不太方便，且工艺步骤多，同样不适合批量生产。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种设备、加工方法简单，成本低，并且制作出来的微透镜能保存较长的时间、不易损坏的柔性曲面微透镜阵列的制作方法及应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柔性曲面微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：

A.     制作表面具有微透镜形状凸起阵列的母版；

B.     在母版表面上倾倒透明的PUA至覆盖整个凸起阵列，取一PET片材作为第一基底，覆盖在PUA上，施加压力至第一基底与PUA接触平整；

C.     将整个母版、PUA、第一基底至于紫外光刻机下曝光，PUA固化后，撕下第一基底，PUA会随着第一基底与母版分离，从而形成以PET片材为第一基底的凹形微透镜阵列；

D.     在凹形微透镜阵列上再倾覆一层PUA，同时取一PET片材作为第二基底覆盖在PUA上，施加压力至第二基底与PUA接触平整；

E.      将整个凹形微透镜阵列、PUA、第二基底至于紫外光刻机下曝光，PUA固化后，撕下第二基底后，新固化的PUA会随着第二基底与凹形微透镜阵列分离，从而形成以PET片材为第二基底的透镜阵列；

F.      将透镜阵列的两侧边缘固定在夹具上，以PET片材为第二基底的透镜阵列自然弯曲，形成柔性曲面微透镜阵列。

进一步作为本发明技术方案的改进，步骤A中母版的制作包括以下步骤：取一片表面平整的玻璃片作为基板，清洗烘干后将正光刻胶涂覆于所述基板上；经过前烘后，将带有正光刻胶的基板至于圆孔掩膜板下进行紫外曝光；再将曝光后的基板置于显影液中，显影得到带有圆柱形正光刻胶的基板；再将基板置于烘箱内，正光刻胶融化，并在表面张力的作用下，自动形成微透镜形状的凸起阵列，完成母版的制作。

进一步作为本发明技术方案的改进，基板在涂覆正光刻胶前进行氧气等离子体处理。

进一步作为本发明技术方案的改进，圆孔掩膜板包括透光区以及若干分散在透光区且呈圆形的遮光区。

进一步作为本发明技术方案的改进，夹具包括两个互成角度的夹板，两夹板的内侧对应设有可安装透镜阵列两侧边缘的卡槽。

一种柔性曲面微透镜阵列的应用，在通过上述方法制作的柔性曲面微透镜阵列的凹面下方设置COMS传感器芯片，组成具有成像功能的全视角微透镜成像系统。

本发明的有益效果：本发明利用柔性透明的PET片材和透明PUA的自我复制能力，经过两次复制过程，制作出以PET片材为基底、PUA为透镜材料的微透镜阵列。由于PET片材的柔韧性，通过机械弯曲的方式，将微透镜阵列弯曲成曲面形状，从而形成柔性曲面微透镜阵列。该方法具有以下优点：

1、该方法步骤简单，不需要复杂的设备，成本低。

2、相比平面微透镜阵列，本专利制作的曲面微透镜具有类似昆虫复眼所具有的广视角特点。且可以通过改变微透镜阵列的弯曲程度来改变柔性曲面微透镜阵列的聚光范围。

3、由于固化后的PUA具有较强的化学和机械稳定性，因此能保存较长的时间。

4、复制出来的凹形微透镜阵列可以重复使用多次，从而极大的减少工艺步骤及工艺成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例的工艺流程示意图；

图2是本发明非均匀大小的凸起阵列结构示意图；

图3是本发明非均匀大小的柔性曲面微透镜阵列结构示意图。

具体实施方式

参照图1～图3，本发明提供了一种柔性曲面微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：

1、取一片表面平整的玻璃片作为基板1，将玻璃片用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤10分钟除去水汽和残余丙酮，烘烤后进行氧气等离子体处理，增加玻璃片的表面能。氧气等离子体处理的真空度为25 Pa，功率为60 W，轰击时间为90秒。

2、将正光刻胶2（AZ4620）旋涂于清洗好的基板1上，经过前烘后，将带有正光刻胶2（AZ4620）的基板1至于事先制作好的圆孔掩膜板3（圆孔掩膜板3包括透光区31以及若干分散在透光区31且呈圆形的遮光区32）下进行紫外曝光。曝光时间和剂量应该根据胶层厚度和光强决定。曝过光的正光刻胶2（AZ4620）能在显影液下去除掉。将曝光过的基板1至于质量百分比5%的氢氧化钠溶液中，显影出圆柱形图案。显影时间要根据正光刻胶2（AZ4620）厚度，由实验决定。

3、将制备的带有圆柱形正光刻胶2（AZ4620）的基板1至于平整烘台上，加热至128摄氏度，加热时间为115秒。正光刻胶2（AZ4620）会融化，在表面张力的作用下，自动形成微透镜形状的凸起阵列21。热熔完成后，应立即将基片取出，并自然冷却，完成母版的制作。

4、取一PET片材作为第一基底4，经酒精清洗及异丙醇淋洗后吹干，90℃烘烤10分钟自然冷却，完成第一基底4准备工作。PET片材大小应适中，不宜过大，便于后期弯曲。将处理好的第一基底4进行氧气等离子体处理，以增加PET片材的表面能，增加第一基底4与PUA的粘结强度。

5、在上述制作好的母版上倾倒透明第一次PUA51至覆盖整个凸起阵列21。取上述处理好的第一基底4覆盖在第一次PUA51上，施加少许压力至第一基底4与第一次PUA51接触平整。将整个母版、第一次PUA51、第一基底4至于紫外光刻机下曝光，由于第一基底4是透明的,紫外线能透过第一基底4，从而在紫外线的照射下使得第一次PUA51固化（PUA——聚氨酯丙烯酸酯的分子中含有丙烯酸官能团和氨基甲酸酯键，固化后的胶黏剂具有聚氨酯的高耐磨性、粘附力、柔韧性、高剥离强度和优良的耐低温性能以及聚丙烯酸酯卓越的光学性能和耐候性，是一种综合性能优良的辐射固化材料，固化后其表面能非常低，物理性质也很稳定）。其中曝光时间为10分钟，紫外线的波长为365纳米。

6、固化的第一次PUA51表面能比正光刻胶2（AZ4620）低，因此，撕下第一基底4后，第一次PUA51会随着第一基底4与母版分开，从而形成以PET片材为第一基底4的凹形微透镜阵列5。

7、类似上述步骤，在凹形微透镜阵列5上再倾覆一层第二次PUA71，同时取一PET片材作为第二基底6覆盖在第二次PUA71上，施加少许压力至第二基底6与第二次PUA71接触平整。将整个凹形微透镜阵列5、第二次PUA71、第二基底6置于紫外光刻机下曝光，将第二次PUA71固化。其中曝光时间为10分钟，紫外线的波长为365纳米。

8、利用PUA的自我复制能力，撕下第二基底6后，新固化的第二次PUA71会随着第二基底6与凹形微透镜阵列5分开，从而形成以PET片材为第二基底6的透镜阵列7。即通过两次复制，完成了微透镜阵列从正光刻胶2（AZ4620）到PUA的转化。由于固化的PUA性质稳定，因此制作出来的微透镜能保存较长的时间，不易损坏。并且凹形微透镜阵列5可以重复使用多次，即不需要大量制作母版，仅需要该凹形微透镜阵列5，就能复制出大量成品，从而极大的减少工艺步骤及工艺成本。

9、将透镜阵列7的两侧边缘固定在夹具8上，由于PET片材的柔韧性，透镜阵列7会自然弯曲，从而形成了柔性曲面微透镜阵列。其中，夹具8包括两个互成角度θ的夹板81，两夹板81的内侧对应设有可安装透镜阵列7两侧边缘的卡槽82。夹角θ可以根据是实际情况调节，来改变柔性曲面微透镜阵列的聚光范围。

在通过上述方法制作的柔性曲面微透镜阵列的凹面下方设置COMS传感器芯片9，可以组成具有成像功能的全视角微透镜成像系统。

此外，在制作母版时，改变圆孔掩膜板3上遮光区32的尺寸大小，可以制作非均匀大小的微透镜形状的凸起阵列21，并可依此母版获得非均匀大小的柔性曲面微透镜阵列。应用时，可以组成非均匀微透镜成像系统。这样的系统能让COMS传感器芯片9更好的接收到微透镜汇聚的光线，

本发明利用柔性透明的PET片材和透明PUA的自我复制能力，经过两次复制过程，制作出以PET片材为基底、PUA为透镜材料的微透镜阵列。由于PET片材的柔韧性，通过机械弯曲的方式，将微透镜阵列弯曲成曲面形状，从而形成柔性曲面微透镜阵列。该方法具有以下优点：

1、该方法步骤简单，不需要复杂的设备，成本低。

2、相比平面微透镜阵列，本专利制作的曲面微透镜具有类似昆虫复眼所具有的广视角特点。且可以通过改变微透镜阵列的弯曲程度来改变柔性曲面微透镜阵列的聚光范围。

3、由于固化后的PUA具有较强的化学和机械稳定性，因此能保存较长的时间。

4、复制出来的凹形微透镜阵列5可以重复使用多次，从而极大的减少工艺步骤及工艺成本。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种柔性曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.制作表面具有微透镜形状凸起阵列的母版；

B.在所述母版表面上倾倒透明的PUA至覆盖整个凸起阵列，取一PET片材作为第一基底，覆盖在PUA上，施加压力至第一基底与PUA接触平整；

C.将整个母版、PUA、第一基底至于紫外光刻机下曝光，PUA固化后，撕下第一基底，PUA会随着第一基底与母版分离，从而形成以PET片材为第一基底的凹形微透镜阵列；

D.在所述凹形微透镜阵列上再倾覆一层PUA，同时取一PET片材作为第二基底覆盖在PUA上，施加压力至第二基底与PUA接触平整；

E.将整个凹形微透镜阵列、PUA、第二基底至于紫外光刻机下曝光，PUA固化后，撕下第二基底后，新固化的PUA会随着第二基底与凹形微透镜阵列分离，从而形成以PET片材为第二基底的透镜阵列；

F.将所述透镜阵列的两侧边缘固定在夹具上，以PET片材为第二基底的透镜阵列自然弯曲，形成柔性曲面微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的柔性曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，所述步骤A中母版的制作包括以下步骤：取一片表面平整的玻璃片作为基板，清洗烘干后将正光刻胶涂覆于所述基板上；经过前烘后，将带有正光刻胶的基板至于圆孔掩膜板下进行紫外曝光；再将曝光后的基板置于显影液中，显影得到带有圆柱形正光刻胶的基板；再将基板置于烘箱内，正光刻胶融化，并在表面张力的作用下，自动形成微透镜形状的凸起阵列，完成母版的制作。

3.根据权利要求2所述的柔性曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于：所述基板在涂覆正光刻胶前进行氧气等离子体处理。

4.根据权利要求2所述的柔性曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于：所述圆孔掩膜板包括透光区以及若干分散在所述透光区且呈圆形的遮光区。

5.根据权利要求1～4任一项所述的柔性曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于：所述夹具包括两个互成角度的夹板，两所述夹板的内侧对应设有可安装透镜阵列两侧边缘的卡槽。

6.一种柔性曲面微透镜阵列的应用，其特征在于：在通过权利要求1～5任一项所述方法制作的柔性曲面微透镜阵列的凹面下方设置COMS传感器芯片，组成具有成像功能的全视角微透镜成像系统。

Images