CN103852816A - 一种高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高数值孔径曲面微透镜阵列的制备方法。包括如下步骤：采用液滴微喷射法制备甘油水溶液微液滴阵列；采用模塑法制备PDMS平面微凹透镜阵列负模；制备PDMS半圆球凸凹模；将PDMS平面微凹透镜阵列负模与PDMS半圆球凹模粘结在一起，制得PDMS曲面微凹透镜阵列负模，然后向PDMS曲面微凹透镜负模中倒入NOA1625胶水，将PDMS半圆球凸模与PDMS半圆球凹槽合模，固化处理后，将PDMS半圆球凸模和固化的NOA1625胶水从PDMS半圆球凹槽中揭下，即制得曲面微透镜阵列。本发明所制备的曲面微透镜的曲面基底曲率可由PDMS半圆球凹凸模的曲率决定和改变，且制得的曲面微透镜阵列的微透镜数值孔径高达0.625。

Description

一种高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法

技术领域

本发明涉及一种微透镜阵列的制备方法，具体为一种高数值孔径曲面微透镜阵列的制备方法，属于微光学领域。

背景技术

微透镜及微透镜阵列作为一种典型的微光学器件被广泛地应用于光学信息处理、光束整形、光学器件互连、三维成像以及仿生复眼等领域。其中，仿生复眼具有视场角大、体积小、灵敏度高等优点，在军事以及医学等领域均有着重要的应用。仿生复眼一般由数百到上万只小眼组成，每个小眼由微透镜与晶椎波导组成。因此，仿生复眼的制备主要包括曲面微透镜阵列的制备和晶椎波导的制备两部分，其中，由于曲面微透镜阵列的制造过程复杂、装调困难，因此进展不大，故曲面微透镜阵列的制备成为制作仿生复眼的关键步骤。

目前，微透镜阵列的制备方法有光刻胶热回流法、激光直写、电子束直写、聚焦离子束光刻、灰度掩模法、光诱导交联聚合法以及微喷打印法等，但其中大部分方法工艺过程繁琐、设备昂贵、制作成本较高且只适于制作平面微透镜阵列。微透镜阵列制备材料主要有玻璃、聚合物、硅或半导体。其中聚合物微透镜因其较玻璃及半导体微透镜具有更大的设计自由度、机械性质和热学性质良好、质量轻及制作过程简便等特点而得到了广泛的关注和研究。现有报道用于制作微透镜阵列的聚合物主要有有机玻璃、SU-8光刻胶、紫外光固化胶以及聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）等，其中，有机玻璃透光率达到了92%，但由于它没有柔韧性而且不能批量复制，所以不适合制作仿生复眼曲面微透镜阵列；SU-8胶的透光性不好，影响微透镜的光学性能；PDMS作为一种高透光性的聚合物，透光率能达到90%，而且具有很好的柔韧性，能进行批量复制，所以在仿生复眼上应用很广泛。曲面微透镜阵列的制备，主要有曲面激光刻蚀法、曲面光刻离子交换法和以弹性材料为模具材料的模塑法。曲面激光刻蚀法以首先在曲面基底上制作曲面光栅为掩模板，在曲面基底上进行两次正交的曝光显影，热熔后进行离子束刻蚀，最终获得曲面微透镜阵列，该方法制备曲面微透镜阵列工艺过程复杂，设备要求高，制作成本较大。曲面光刻离子交换法也为在曲面基底上直接制作曲面微透镜阵列，包括光刻工艺和离子交换工艺、过程繁琐，不易控制。以弹性材料作为模具的模塑法中曲面微透镜负模的制备是制得曲面微透镜阵列的关键，主要制备方法有通过空气压力差使薄膜变形和将弹性平面微凹透镜负模自然贴合到曲面基底。对于通过空气压力差使薄膜变形，在气压差变化过程中，薄膜变形，从而使得微透镜阵列变形较大，获得的曲率不精确和无法制造形状更为复杂的曲面微透镜。将弹性平面微凹透镜负模与曲面基底贴合的方法中，微透镜的变形较小，但平面微凹透镜负模的制备工艺繁琐，制作成本较高。

数值孔径作为微透镜的一个重要光学参数，决定着微透镜的分辨率、清晰度及消除位置色差能力，传统方法制备高数值孔径微透镜阵列同样存在制备过程繁琐、效率低等问题，且难以制造数值孔径大于0.5的微透镜。目前，高数值孔径微透镜阵列制备技术的研究主要针对平面微透镜阵列，鲜有高数值孔径曲面微透镜阵列制备方面的报道，这使得仿生复眼在需求高分辨率及高清晰度成像的医学及军事领域的应用受到限制。

发明内容

鉴于以上描述的现有曲面微透镜阵列制备方法具有制备过程复杂，设备要求高、成本大，难以制造高数值孔径的曲面微透镜等缺点，本发明的目的是提供一种简单的高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法。

本发明的原理是：微透镜的数值孔径主要与微透镜的矢高/直径比和微透镜材料的折射率有关，且对于球面微透镜，当微透镜的接触角为90˚左右时，微透镜的数值孔径达到最大值，微透镜材料的折射率越高，其数值孔径越大。而在PP塑料基板上的50v%的甘油水溶液微液滴接触角约为90˚，故以该甘油水溶液微液滴阵列为阳模而复制得到的PDMS平面微凹透镜阵列负模以及PDMS曲面凹透镜阵列负模的微凹透镜的接触角也为90˚，从而使得最终制得的曲面微透镜阵列的微透镜接触角约为90˚，且由于在基板上自由成型的微液滴剖面为球面，故此时的曲面微透镜的数值孔径为最大值。因此，本发明将甘油水溶液按需喷射（以脉冲惯性力为主动力，由压电致动器提供）到洁净处理的PP塑料基板上，形成甘油水溶液微液滴阵列，将弹性材料PDMS液体沉积到甘油水溶液微液滴阵列上，由于弹性材料PDMS液体与甘油水溶液不相融，对PDMS液体固化处理后，可制得PDMS平面微凹透镜负模，最后利用模塑法制得透光率为100%的曲面微透镜阵列，制得的曲面微透镜数值孔径可达0.625，大于其他方法制备的曲面微透镜数值孔径。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，包括以下步骤：

第一步、 PDMS平面微凹透镜阵列负模的制备

1.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴，出口内径为5~200μm；

1.2对PP塑料基板进行洁净处理；

1.3驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将50v%甘油水溶液按需喷射到PP塑料基板上，得到甘油水溶液微液滴阵列；

1.4将PDMS液体抽真空，去除液体中的气泡，再缓慢、均匀沉积到甘油水溶液微液滴阵列上，再次抽真空后，放入烘箱内30~40℃下加热24小时后，将固化后的PDMS揭下，即制得PDMS平面微凹透镜阵列负模；

第二步、PDMS曲面微凹透镜负模的制备：采用模塑法制备出PDMS半圆球凸凹模，再将PDMS平面微凹透镜阵列负模与PDMS半圆球凹模粘结到一起得到PDMS曲面微凹透镜负模；

第三步、高数值孔径曲面微透镜阵列的制备：向制得的PDMS曲面微凹透镜阵列负模填充NOA1625光学胶水，将PDMS半圆球凸模与PDMS半圆球凹模合模，经紫外曝光1小时后，将固化的NOA1625光学胶水从PDMS模具上揭下，即得到高数值孔径曲面微透镜阵列。

步骤1.2中所述的PP塑料基板分别采用PP塑料清洗剂与丙酮清洗。

步骤1.3中所述的甘油水溶液微液滴阵列通过对液滴微喷射控制参数与二维工作台运动参数协同控制实现，其中，所述的液滴微喷射控制参数包括提供给压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动电压幅值范围为10~80V，驱动频率范围为2~20Hz；二维工作台运动参数包括液滴微阵列的液滴排列方式和液滴间距，液滴排列方式分为正方形排列和正六边形排列，液滴最小间距为20μm。

步骤1.4中所述的PDMS液体由PDMS弹性体与固化剂按10：1比例混合均匀得到。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）本发明采用NOA1625光学胶水，折射率为1.625，高于一般光学胶水的折射率（1.5左右）；且50v%甘油水溶液微液滴与PP塑料基板的静态接触角为90˚，故最终制得的曲面微透镜的数值孔径理论计算为0.625，高于其他方法制备的高数值孔径微透镜（0.5左右）。

（2）本发明采用一种简单、低成本的液滴微喷射技术制备甘油水溶液微液滴阵列作为阳模，且阳模的制作过程只需一步。液滴微喷射的分辨率较高，可稳定得到直径为10μm的微液滴。50v%甘油水溶液微液滴阵列的基板无需进行特殊处理，即可获得接触角为90˚的微液滴。制得甘油水溶液微液滴阵列后，再利用两步模塑工艺即可制得高数值孔径曲面微透镜阵列，整个制备过程只需三步，与其他高数值孔微透镜阵列制备技术相比，具有制备过程简单、快速、成本低廉且制备的微透镜的数值孔径高等优势。

附图说明

图1是本发明第一步中甘油水溶液微液滴阵列的液滴微喷射制备示意图。

图2是本发明第一步中制得的甘油水溶液微液滴阵列的结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是本发明第一步中制得的PDMS平面微凹透镜阵列负模示意图。

图5是本发明第二步中制得的PDMS半圆球凸模。

图6是图5的B-B剖视图。

图7是本发明第二步中制得的PDMS半圆球凹模。

图8是图7中的C-C剖视图。

图9是本发明中第三步中高数值孔径曲面微透镜阵列的制备结构示意图。

图10是本发明中制得的高数值孔径曲面微透镜阵列。

元件标号说明

1 Z轴调节旋钮；2 支架；3 第一连接件；4压电致动器；5内构双锥形玻璃微喷嘴；6第二连接件；7 数码显微镜；8 二维工作台；9 PP塑料基板；10 甘油水溶液微液滴阵列；11 PDMS平面微凹透镜阵列负模；12第一圆柱台；13 PDMS半圆球凸模；14第二圆柱台；15 PDMS半圆球凹模；16 PDMS曲面微凹透镜阵列负模；17高数值孔径曲面微透镜阵列。

具体实施方式

本发明中，液滴微喷射是通过以脉冲惯性力为主动力，克服内构双锥形玻璃微喷嘴（参见博士论文《数字化液滴微喷射技术及其在印制电子中的应用研究》）内液体的粘性力实现的。所述的脉冲惯性力可用多种方式产生，由于压电器件具有电压-位移动态响应好、响应频率高等特点，可作为整体驱动器置于微喷嘴外部产生脉冲惯性力，故本发明脉冲惯性力由压电致动器提供。图1所示为液滴微喷射装置，首先将压电致动器4和所需内构双锥形玻璃微喷嘴5由第一连接件3、第二连接件6连接到支架2上，调节支架Z轴调节旋钮1，从而调节内构双锥形玻璃微喷嘴5与PP塑料基板9的距离。调节数码显微镜7放大倍数和焦距，使得内构双锥形玻璃微喷嘴5和PP塑料基板9可以清晰的在电脑屏幕上显示。

所述的内构双锥形玻璃微喷嘴5采用玻璃冷热加工工艺制得，首先采用激光微针/微电极拉制仪（Sutter P-97/P-2000，美国Sutter）将毛坯外径为1.0mm、内径为0.6mm的硼硅酸盐玻璃毛细管拉断成微针，然后采用锻针仪（MF-900，日本Narishige）将微针在合适的尺寸位置截断并将出口锻制成内构双锥形，最后制备的出口内径可变范围为5~200μm；内构双锥形玻璃微喷嘴具有较好的液滴微喷射能力，较平口等微喷嘴能够微喷射出更大粘度的溶液。

本发明中，所用的水溶液为甘油水溶液，且甘油体积分数为50%，在常温下不会很快蒸发。采用旋转粘度计NDJ-1、4#转子、12rpm/min、25℃条件下测得其粘度为6.77cps，符合液滴微喷射对液体的粘度要求（小于35cps）。

实施例1

PDMS平面微凹透镜阵列负模11的制备，具体步骤如下：

步骤1 内构双锥形玻璃微喷嘴5的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为5μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

步骤2 PP塑料基板9的清洗：采用PP塑料清洗剂对PP塑料基板浸泡、涂刷5分钟后，再用丙酮反复清洗3次后吹干。PP塑料基板要保证处理洁净，否则，基板上的杂质会影响微液滴的形状。

步骤3 配制甘油体积分数为50v%的甘油水溶液；采用接触角分析仪静态悬滴法测得50v%的甘油水溶液微液滴在洁净的PP塑料基板上的接触角为90˚。

步骤4 将所述制备的内构双锥形玻璃微喷嘴5浸入所配制的50v%甘油水溶液中，利用毛细现象原理使得内构双锥形玻璃微喷嘴5内吸入50v%甘油水溶液。设置压电致动器的驱动电压幅值为10V，驱动频率为20Hz，设置二维工作台运动参数，液滴排列方式选择正方形，液滴间距设置为20μm。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴5，将内构双锥形玻璃微喷嘴5内的50v%甘油水溶液按需喷射到PP塑料基板9上，即可得到甘油水溶液微液滴阵列10，如图2、3所示；采用数码显微镜7二百倍下观察，测得制得的甘油水溶液液滴微阵列10的液滴直径为10μm，液滴间距平均值约为20μm。

步骤5 取DC184 SYLGARD PDMS弹性体与固化剂（PDMS弹性体专用固化剂）按质量比10︰1比例混合，在磁力搅拌器上搅拌20分钟，将混合充分的PDMS液体抽真空，去除液体中的气泡。

步骤6 将PDMS抽完真空的液体缓慢、均匀沉积到甘油水溶液微液滴阵列10上，再次抽真空后，放入烘箱内30~40℃下加热24小时后，将固化后的PDMS揭下，即制得PDMS微凹透镜阵列负模11，如图4所示。

实施例2

PDMS平面微凹透镜阵列负模11的制备，具体步骤如下：

步骤1 内构双锥形玻璃微喷嘴5的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为200μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

步骤2、3与实施例1所述步骤2、3相同。

步骤4 将所述制备的内构双锥形玻璃微喷嘴5浸入所配制的50v%甘油水溶液中，利用毛细现象原理使得内构双锥形玻璃微喷嘴5内吸入50v%甘油水溶液。设置压电致动器的驱动电压幅值为80V，驱动频率为2Hz，设置二维工作台运动参数，液滴排列方式选择正六边形，液滴间距设置为480μm。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴5，将内构双锥形玻璃微喷嘴5内的50v%甘油水溶液按需喷射到PP塑料基板9上，即可得到甘油水溶液微液滴阵列10，如图2、3所示；采用数码显微镜7一百倍下观察，测得制得的甘油水溶液液滴微阵列10的液滴直径为450μm，液滴间距平均值约为480μm。

步骤5、6与实施例1中步骤5、6相同。

实施例3

PDMS平面微凹透镜阵列负模11的制备，具体步骤如下：

步骤1 内构双锥形玻璃微喷嘴5的制备：采用所述的内构双锥形玻璃微喷嘴制备方法制备出内径为100μm的内构双锥形玻璃微喷嘴。

步骤2、3与实施例1所述步骤2、3相同。

步骤4 将所述制备的内构双锥形玻璃微喷嘴5浸入所配制的50v%甘油水溶液中，利用毛细现象原理使得内构双锥形玻璃微喷嘴5内吸入50v%甘油水溶液。设置压电致动器的驱动电压幅值为40V，驱动频率为10Hz，设置二维工作台运动参数，液滴排列方式选择正六边形，液滴间距设置为280μm。驱动所述内构双锥形玻璃微喷嘴5，将内构双锥形玻璃微喷嘴内的50v%甘油水溶液按需喷射到PP塑料基板9上，即可得到甘油水溶液微液滴阵列10，如图2、3所示；采用数码显微镜7一百倍下观察，测得制得的甘油水溶液液滴微阵列10的液滴直径为260μm，液滴间距平均值约为280μm。

步骤5、6与实施例1中步骤5、6相同。

实施例4

高数值孔径曲面微透镜阵列17的制备，具体步骤如下：

步骤1 设计制作PDMS半圆球凸模13、PDMS半圆球凹模15所需阳模并加工；

步骤2 采用与制备PDMS平面微凹透镜负模11类似的模塑法制备出PDMS半圆球凸模13、PDMS半圆球凹模15。其中，第一圆柱台12的圆柱直径为2.2cm，PDMS半圆球凸模13的直径为1cm；第二圆柱台14的圆柱直径为2.2cm，PDMS半圆球凹模15直径为1.7cm，制备的PDMS半圆球凸凹模如图5、6、7、8所示；

步骤3 向PDMS半圆球凹模15中涂覆0.2ml PDMS液体，然后将实施例1、2、3中制得的PDMS平面微凹透镜阵列负模11底面与PDMS半圆球凹模15贴合，并在30~40℃的烘箱中加热24小时将其固化粘结在一起，即制得PDMS曲面微凹透镜阵列负模16；

步骤4 向PDMS曲面微凹透镜阵列负模16中注入0.4ml NOA1625光学胶水，将PDMS半圆球凸凹模轻轻合模。NOA1625光学胶水是一种高折射率光学胶水，固化后的折射率为1.625，无色、透明，透光率可达100%，且由于该种光学胶水用于表面涂层时会呈现氧抑制现象，故固化处理时在充氮的惰性环境中进行；

步骤5 将合模后的PDMS模具放入透光的盒子中，然后将盒子内充满氮气并密封。经紫外曝光1h后，分别将PDMS半圆球凸模13和固化的NOA1625从PDMS曲面微凹透镜阵列负模16中揭下，即可制得高数值孔径曲面微透镜阵列17，此时，计算得曲面微透镜的曲面基底曲率为2，如图9、10所示。

实施例5

高数值孔径曲面微透镜阵列17的制备，具体步骤如下：

步骤1与实施例4所述步骤1相同；

步骤2 采用与制备PDMS平面微凹透镜负模11类似的模塑法制备出PDMS半圆球凸模13、PDMS半圆球凹模15。其中，第一圆柱台12的圆柱直径为4.4cm，PDMS半圆球凸模13的直径为2cm；第二圆柱台14的圆柱直径为4.4cm，PDMS半圆球凹模15直径为3.4cm；

步骤3 向PDMS半圆球凹模15中涂覆0.5ml PDMS液体，然后将实施例1、2、3中制得的PDMS平面微凹透镜阵列负模11底面与PDMS半圆球凹模15贴合，并在30~40℃的烘箱中加热24小时将其固化粘结在一起，即制得PDMS曲面微凹透镜阵列负模16；

步骤4 向PDMS曲面微凹透镜阵列负模16中注入1ml NOA1625光学胶水，将PDMS半圆球凸凹模轻轻合模。NOA1625光学胶水是一种高折射率光学胶水，固化后的折射率为1.625，无色、透明，透光率可达100%，且由于该种光学胶水用于表面涂层时会呈现氧抑制现象，故固化处理时在充氮的惰性环境中进行；

步骤5与实施例4中步骤相同，此时，计算得曲面微透镜的曲面基底曲率为1。

具体实施过程中，所选PDMS半圆球凹凸模中的半圆球直径可以根据所需曲面微透镜的曲面基底的曲率改变，即可制得不同曲率曲面基底的曲面微透镜阵列。

Claims (7)

1.一种高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、PDMS平面微凹透镜阵列负模的制备

1.1制备内构双锥形玻璃微喷嘴，出口内径为5~200μm；

1.2对PP塑料基板进行洁净处理；

1.3驱动内构双锥形玻璃微喷嘴，将甘油水溶液按需喷射到PP塑料基板上，得到甘油水溶液微液滴阵列；

1.4将PDMS液体抽真空，去除液体中的气泡，再缓慢、均匀沉积到甘油水溶液微液滴阵列上，再次抽真空后，放入烘箱内30~40℃下加热24小时后，将固化后的PDMS揭下，即制得PDMS平面微凹透镜阵列负模；

第二步、PDMS曲面微凹透镜负模的制备：采用模塑法制备出PDMS半圆球凸凹模，再将PDMS平面微凹透镜阵列负模与PDMS半圆球凹模粘结到一起得到PDMS曲面微凹透镜负模；

第三步、高数值孔径曲面微透镜阵列的制备：向制得的PDMS曲面微凹透镜阵列负模填充NOA1625光学胶水，将PDMS半圆球凸模与PDMS半圆球凹模合模，经紫外曝光1小时后，将固化的NOA1625光学胶水从PDMS模具上揭下，即得到高数值孔径曲面微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，其特征在于，步骤1.2中所述的PP塑料基板分别采用PP塑料清洗剂与丙酮清洗。

3.根据权利要求1所述的高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，其特征在于，步骤1.3中所述的甘油水溶液浓度为50v%。

4.根据权利要求1所述的高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，其特征在于，步骤1.3中所述的甘油水溶液微液滴阵列通过对液滴微喷射控制参数与二维工作台运动参数协同控制实现。

5.根据权利要求4所述的高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，其特征在于，所述的液滴微喷射控制参数包括提供给压电致动器的驱动电压波形、驱动电压幅值和驱动频率，其中，压电致动器的驱动电压波形为陡升缓降波形，驱动电压幅值范围为10~80V，驱动频率范围为2~20Hz。

6.根据权利要求4所述的高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，其特征在于，二维工作台运动参数包括液滴微阵列的液滴排列方式和液滴间距，其中，液滴排列方式分为正方形排列和正六边形排列，液滴最小间距为20μm。

7.根据权利要求1所述的高数值孔径曲面微透镜阵列制备方法，其特征在于，步骤1.4中所述的PDMS液体由PDMS弹性体与固化剂按质量比10：1比例混合均匀得到。

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