CN105911620A - 一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法，先制得具有PMMA薄膜的第一样片，在第一样片上制得具有纳米结构的第二样片，使用PDMS浇灌第二样片，制得具有纳米结构的第一反模具；然后制得用于激光加工的第三样片，在第三样片表面涂覆一层能紫外固化且固化后具有柔韧性的胶材料，使用第一反模具将纳米结构压印到胶材料上，制得具有纳米结构且可用于激光加工的第四样片，使用激光加工第四样片，制得具有纳米+微米复眼透镜阵列的第五样片，将PDMS旋涂在第五样片上，制得具有微纳复合结构的第二反模具，最后使用第二反模具，实现纳米+微米复眼透镜阵列的二次曲面化，本发明实现了毫微纳三级结构复眼透镜的制造，制造效率和结构完整性高。

Description

一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法
技术领域
本发明属于微纳制造及激光加工技术领域，具体涉及一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法。
背景技术
在微纳光学元件的设计与制造中，自然界给予人类很多重要的启示，复眼透镜就是从昆虫复眼获得灵感的典型例子,昆虫复眼独特的微观结构赋予了其卓越的光学性能。首先，排列紧密、方向位置各异的小眼同时成像，使得复眼具有超大的视角和超高的动态响应能力；其次，小眼表面的纳米结构充当了空气与小眼界面的抗反射功能层，在宽频带内有效降低了入射光的反射率，使复眼具有超强的微弱光信号感知能力；再次，昆虫复眼的微纳多级结构使其具有了优异的超疏水性能、防雾和抗粘附特性，这种自清洁表面有利于使复眼成像系统在复杂环境(如潮湿环境等)中保持优异的成像性能。
根据昆虫复眼的结构可知，一个理想的复眼透镜实际上是包含毫米、微米和纳米结构在内的三维复杂结构，因此，要实现具有上述高性能的复眼透镜的制造，就必须解决毫微纳三级跨尺度结构制造的难题，在曲面上形成规则可控的跨尺度三级结构。目前，复眼透镜多级结构制造都具有“先制造初级结构(大透镜)，进而在初级结构曲面上制造次级结构(小透镜或纳米结构)”的特点。但是，由于次级结构数目多，且制造工艺对目标平面的平整度要求较高，使得现有跨尺度复眼透镜制造技术饱受效率和结构特征完整性的困扰。并且所制得的复眼透镜最多只有两级结构，具有毫微纳三级结构的复眼透镜还没有被成功制造的先例。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法，完整继承昆虫复眼的卓越性能,制造效率高。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：
一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法，包括以下步骤：
1)使用PMMA甲苯溶液于第一玻璃基底上制得具有PMMA薄膜的第一样片；
2)使用多孔氧化铝作为模具，利用纳米压印技术在第一样片上制得具有纳米结构的第二样片；
3)使用PDMS浇灌第二样片，制得具有纳米结构的第一反模具；
4)在第二玻璃基底上涂覆一层激光膨胀材料，制得用于激光加工的第三样片；
5)在第三样片表面涂覆一层能紫外固化且固化后具有柔韧性的胶材料，使用第一反模具将纳米结构压印到胶材料上，制得具有纳米结构且可用于激光加工的第四样片；
6)使用激光加工第四样片，使膨胀层产生微米级透镜状凸起，带动纳米结构的胶材料发生形变，实现纳米结构的三维曲面化，制得具有纳米+微米复眼透镜阵列的第五样片；
7)将PDMS旋涂在第五样片上，制得具有微纳复合结构的第二反模具；
8)使用第二反模具，利用气压辅助成形技术实现纳米+微米复眼透镜阵列的二次曲面化，制造毫米级尺度的透镜，实现毫微纳三级结构复眼透镜的制造。
本发明的有益效果为：
采用“先制造次级结构，再形成初级结构”的方法，利用纳米压印、激光光致膨胀和气压辅助成形等工艺手段，实现了毫微纳三级结构复眼透镜的制造，完整获得昆虫复眼的卓越性能。由于采用平面工艺制造相对难加工、且数目众多的次级结构，再通过结构基体的整体变形实现次级结构的三维曲面化，回避了传统多级结构制造方法(先制造初级结构，进而在初级结构曲面上制造次级结构)存在的效率和结构特征完整性的问题，制造效率和结构完整性高。
附图说明
图1为制备纳米结构的压印示意图。
图2为实施例制备第二样片4的纳米结构电镜图。
图3为在激光膨胀层上制备纳米结构的压印示意图。
图4为制备微纳复合结构的激光加工示意图。
图5为实施例制备第五样片10的微纳复合结构电镜图。
图6为制备毫微纳三级结构的气压成形示意图。
图7为实施例制备复眼透镜的毫微纳三级结构电镜图。
图8为图7中A部分的放大电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法，包括以下步骤：
1)使用0.15ml质量分数为20％的PMMA甲苯溶液涂覆尺寸为2cm*2cm的第一玻璃基底，于常温下自然挥发8h，制得表面覆盖有厚度约为150μm的PMMA薄膜的第一样片1；
2)参照图1，使用孔径为200nm、孔深为5μm的多孔氧化铝模具2，于第一样片1上经由纳米压印工艺，烘箱3温度设定为80℃，压印力为750KPa，压印时间为1h，于室温下自然冷却后脱去多孔氧化铝模具即获得具有纳米结构的第二样片4，第二样片4的纳米结构如图2所示；
3)使用PDMS浇灌第二样片4，制得具有纳米结构的第一反模具5；
4)于第二玻璃基底上涂覆甲基红PMMA溶液，烘箱3温度设定为35℃，使甲基红PMMA溶液在恒温下挥发2h，制得用于激光加工的第三样片6；
5)参照图3，将NOA65紫外固化胶滴于第三样片6表面，将第一反模具5以80KPa压印力压在胶材料上，使用功率为350mw的紫外曝光机曝光15min，脱去第一反模具5，制得具有纳米结构且可用于激光加工的第四样片7；
6)参照图4，将第四样片7安装于三维工作台9上，搭建激光加工光路，使皮秒激光器发射出的激光经焦距为100mm的聚焦透镜8后垂直照射在第四样片7上，设定皮秒激光器重复频率为10KHz，功率为8mW，单点作用时间为0.5s，打点周期为100μm，制造数目为100*100的点阵列，制得具有纳米+微米复眼透镜阵列的第五样片10，第五样片10微纳复合结构如图5所示；
7)将PDMS旋涂在第五样片10上，旋涂速度为600rad/s，旋涂时间为20s，制得厚度为300μm的具有微纳复合结构的第二反模具11；
8)参照图6，将第二反模具11固定在孔径为5mm的可以抽真空的圆形空腔12上，抽真空至负压为-0.7MPa，使PDMS薄膜变形成为一个曲面，将NOA72紫外固化胶浇注在PDMS曲面上，压上第三玻璃基底，然后用功率为350mW的紫外曝光机曝光5min，脱模得到具有毫微纳三级结构的复眼透镜，复眼透镜的毫微纳三级结构如图7、图8所示，图8为图7中A部分的放大电镜图。

Claims (2)

1.一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使用PMMA甲苯溶液于第一玻璃基底上制得具有PMMA薄膜的第一样片；
2)使用多孔氧化铝作为模具，利用纳米压印技术在第一样片上制得具有纳米结构的第二样片；
3)使用PDMS浇灌第二样片，制得具有纳米结构的第一反模具；
4)在第二玻璃基底上涂覆一层激光膨胀材料，制得用于激光加工的第三样片；
5)在第三样片表面涂覆一层能紫外固化且固化后具有柔韧性的胶材料，使用第一反模具将纳米结构压印到胶材料上，制得具有纳米结构且可用于激光加工的第四样片；
6)使用激光加工第四样片，使膨胀层产生微米级透镜状凸起，带动纳米结构的胶材料发生形变，实现纳米结构的三维曲面化，制得具有纳米+微米复眼透镜阵列的第五样片；
7)将PDMS旋涂在第五样片上，制得具有微纳复合结构的第二反模具；
8)使用第二反模具，利用气压辅助成形技术实现纳米+微米复眼透镜阵列的二次曲面化，制造毫米级尺度的透镜，实现毫微纳三级结构复眼透镜的制造。
2.根据权利要求1所述的一种具有毫微纳三级结构复眼透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使用0.15ml质量分数为20％的PMMA甲苯溶液涂覆尺寸为2cm*2cm的第一玻璃基底，于常温下自然挥发8h，制得表面覆盖有厚度约为150μm的PMMA薄膜的第一样片(1)；
2)使用孔径为200nm、孔深为5μm的多孔氧化铝模具2，于第一样片(1)上经由纳米压印工艺，烘箱3温度设定为80℃，压印力为750KPa，压印时间为1h，于室温下自然冷却后脱去多孔氧化铝模具即获得具有纳米结构的第二样片(4)；
3)使用PDMS浇灌第二样片(4)，制得具有纳米结构的第一反模具(5)；
4)于第二玻璃基底上涂覆甲基红PMMA溶液，烘箱(3)温度设定为35℃，使甲基红PMMA溶液在恒温下挥发2h，制得用于激光加工的第三样片(6)；
5)将NOA65紫外固化胶滴于第三样片(6)表面，将第一反模具(5)以80KPa压印力压在胶材料上，使用功率为350mw的紫外曝光机曝光15min，脱去第一反模具(5)，制得具有纳米结构且可用于激光加工的第四样片(7)；
6)将第四样片(7)安装于三维工作台(9)上，搭建激光加工光路，使皮秒激光器发射出的激光经焦距为100mm的聚焦透镜(8)后垂直照射在第四样片(7)上，设定皮秒激光器重复频率为10KHz，功率为8mW，单点作用时间为0.5s，打点周期为100μm，制造数目为100*100的点阵列，制得具有纳米+微米复眼透镜阵列的第五样片(10)；
7)将PDMS旋涂在第五样片(10)上，旋涂速度为600rad/s，旋涂时间为20s，制得厚度为300μm的具有微纳复合结构的第二反模具(11)；
8)将第二反模具(11)固定在孔径为5mm的可以抽真空的圆形空腔(12)上，抽真空至负压为-0.7MPa，使PDMS薄膜变形成为一个曲面，将NOA72紫外固化胶浇注在PDMS曲面上，压上第三玻璃基底，然后用功率为350mW的紫外曝光机曝光5min，脱模得到具有毫微纳三级结构的复眼透镜。
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