CN109031482B

CN109031482B - 一种制备微透镜结构的方法

Info

Publication number: CN109031482B
Application number: CN201811015885.7A
Authority: CN
Inventors: 马宁; 张馨月; 王强; 程皓鸽; 朱旭; 魏浩; 王伟; 高闪; 张智嘉; 王国军
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2018-09-01
Filing date: 2018-09-01
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2038-09-01
Also published as: CN109031482A

Abstract

本发明属于微光学材料工程领域领域，公开了一种制备微透镜结构的方法，包含如下步骤：步骤(1)：将基底清洗干净；步骤(2)：将一定质量比例的小分子聚乙二醇，大分子聚乙二醇和聚苯乙烯溶于有机溶剂中，配置成一定浓度的溶液；步骤(3)：将一定量的溶液滴加于清洗干净的基底上；步骤(4)：将表面滴有溶液的基底放入具有一定湿度和温度的密闭体系中，一定反应时间后取出基底；步骤(5)：得到位于基底上的微透镜结构聚合物薄膜。本发明采用化学方法直接制备出微透镜结构，不需要再加工；本发明制备工艺简单，运用的模板是水，对环境造成的危害小，且微透镜结构的制备面积可调控；本发明中用到的材料廉价易得，极大地降低了成本，便于量产。

Description

一种制备微透镜结构的方法

技术领域

本发明属于微光学材料工程领域领域，尤其涉及一种制备微透镜结构的方法。

背景技术

透镜是一种常用光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。通常的透镜体积比较大，人眼能看得到，遵循折射定律，用几何光学的知识就能很好地研究它们的光学性质。

相同的透镜按一定的周期排列在一个平面上便构成了透镜阵列，由普通的透镜组成的透镜阵列的光学性质就是单个透镜功能的合成。然而，随着科学技术的进步，当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展趋势。利用传统方法制造出来的光学元件不仅制造工艺复杂，而且制造出来的光学元件尺寸大、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。目前，人们已经能够制作出直径非常小的透镜与透镜阵列，这种透镜与透镜阵列通常是不能被人眼识别的，只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到，这就是微透镜和微透镜阵列。

微光学技术所制造出的微透镜与微透镜阵列以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，已成为新的科研发展方向。随着光学元件小型化的发展趋势，为减小透镜与透镜阵列的尺寸而开发了许多新技术，现在已经能够制作出直径为毫米、微米甚至纳米量级的微透镜与微透镜阵。在上个世纪80年代，一种新型的微小光学阵列器件自聚焦平面微透镜阵列发展起来，它采用当时先进的光刻工艺，制作出排列整齐，结构均匀的微透镜阵列，而且微透镜阵列的表面为平面，易于与其它平面元件耦合连接，并且具有较好的聚光、准直、分路、成像、波分复用、开关、隔离等三维功能。另外，由于单个透镜的直径小，透镜密度高，可实现信息的大容量，多通道并行处理。因此，在光传感、光计算、光纤通信及其它光电子器件中获得了重要的应用。

目前微透镜的制作方法有以下几种：光刻胶热回流技术，激光直写技术。光刻胶热回流技术具有工艺简单，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作当中。然而利用这种技术制作的微透镜阵列也存在诸多缺点：一、由于光刻胶对于基板材料存在浸润现象，当光刻胶在熔融状态时与基板的附着力是一定的，那么当熔融光刻胶最终成型以后微透镜球面轮廓与基板之间存在浸润角，使微透镜的边缘存在一定的曲率，而中间部分下陷；二、一般情况下微透镜阵列的填充因子不会超过80％，而且光刻胶在熔化后容易粘连，相邻的熔融光刻胶一旦接触后，不会形成透镜的面形。由于填充因子不高，使入射的光不能充分利用，并且会引起背景噪声；三、由于光刻胶本身的机械性能和化学性能比较差，光学性能也不高，不适于作为最终的微透镜或其他微结构的材料。

申请号为201610352561.7的专利公开了一种微透镜的制备方法，按照以下步骤实施：步骤1、将基片清洗干净，并在基片上涂覆一层光刻胶，再采用掩膜板执行光刻工艺，显影后在基片上得到光刻胶柱；步骤2、将经步骤1处理后的基片，直接放置在有机蒸汽的气氛下保持一定时间，通过有机蒸汽对光刻胶柱溶解回流形成具备球冠结构的掩膜，即光刻胶微透镜；步骤3、将步骤2中表面形成光刻胶微透镜掩膜的基片，在室温空气中静置1小时后，再对其进行干法刻蚀；步骤4、对步骤3中完成干法刻蚀的基片进行酸洗，去除光刻后的杂质，得到微透镜，解决了传统热回流方法制备微透镜掩膜时，在同一球冠直径下得到的微透镜曲率半径较小的问题。但该发明所用材料不易得，成本高；且工艺流程复杂，质量控制困难，成品率低。

发明内容

本发明的目的在于公开工艺简单，制备条件易得和重复性好的一种制备微透镜结构的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种制备微透镜结构的方法，包含以下步骤：

步骤(1)：将基底清洗干净；

步骤(2)：将一定质量比例的小分子聚乙二醇，大分子聚乙二醇和聚苯乙烯溶于有机溶剂中，配置成一定浓度的溶液；

步骤(3)：将一定量的溶液滴加于清洗干净的基底上；

步骤(4)：将表面滴有溶液的基底放入具有一定湿度和温度的密闭体系中，一定反应时间后取出基底；

步骤(5)：得到位于基底上的微透镜结构聚合物薄膜。

进一步地，小分子聚乙二醇和大分子聚乙二醇的总质量和聚苯乙烯的质量之比在1：1至7：3之间，小分子聚乙二醇的质量和大分子聚乙二醇的质量之比在3：7至5：5之间。

进一步地，小分子聚乙二醇的分子量在200至600之间，大分子聚乙二醇的分子量在2000至4000之间，聚苯乙烯的分子量在18000至50000之间。

进一步地，溶液浓度在5％至10％之间。

进一步地，滴加于清洗干净的基底上的溶液的体积大于1mL。

进一步地，密闭体系的湿度在50％至99％之间，密闭体系的温度在20℃至50℃之间。

进一步地，反应时间在30分钟至4小时之间。

本发明的有益效果为：

本发明采用化学方法直接制备出微透镜结构，不需要再加工；本发明制备工艺简单，运用的模板是水，对环境造成的危害小，且微透镜结构的制备面积可调控；本发明中用到的材料廉价易得，极大地降低了成本，便于量产。

附图说明

图1是一种制备微透镜结构的方法制备的微透镜结构的扫描显微镜图；

图2是一种制备微透镜结构的方法制备的微透镜结构的直径统计图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

一种制备微透镜结构的方法，包含以下步骤：

步骤(1)：将基底清洗干净；

步骤(3)：将一定量的溶液滴加于清洗干净的基底上；

步骤(5)：得到位于基底上的微透镜结构聚合物薄膜。

进一步地，溶液浓度在5％至10％之间。

进一步地，滴加于清洗干净的基底上的溶液的体积大于1mL。

进一步地，反应时间在30分钟至4小时之间。

实施例1：

步骤(1)：将硅片清洗干净；

步骤(2)：将2.1g分子量为200的聚乙二醇，4.9g分子量为2000的聚乙二醇和3.0g分子量为18800的聚苯乙烯溶于10.0g的四氯化碳中，配置成浓度为8％的溶液；

步骤(3)：将3.0mL的上述溶液滴加于硅片上；

步骤(4)：将上述硅片放在湿度为70％，温度为37.0℃的密闭容器中，反应2小时后取出硅片；

步骤(5)：得到位于基底上的微透镜结构聚合物薄膜。

由实施例1制得的微透镜结构聚合物薄膜的扫描显微镜结果如图1所示，可以看出微透镜阵列较为规整。测量后，微透镜结构的直径分布如图2所示，微透镜结构的直径分布较为集中，达到了预期的要求。

与现有技术相比，本发明采用化学方法直接制备出微透镜结构，不需要再加工；本发明制备工艺简单，运用的模板是水，对环境造成的危害小，且微透镜结构的制备面积可调控；本发明中用到的材料廉价易得，极大地降低了成本，便于量产。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种制备微透镜结构的方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤(1)：将基底清洗干净；

步骤(3)：将一定量的溶液滴加于清洗干净的基底上；

步骤(5)：得到位于基底上的微透镜结构聚合物薄膜；

所述的小分子聚乙二醇和大分子聚乙二醇的总质量和聚苯乙烯的质量之比在1：1至7：3之间，小分子聚乙二醇的质量和大分子聚乙二醇的质量之比在3：7至5：5之间；

所述的小分子聚乙二醇的分子量在200至600之间，大分子聚乙二醇的分子量在2000至4000之间，聚苯乙烯的分子量在18000至50000之间；

所述的溶液浓度在5％至10％之间；

所述的滴加于清洗干净的基底上的溶液的体积大于1mL；

所述的密闭体系的湿度在50％至99％之间，密闭体系的温度在20℃至50℃之间；

所述的反应时间在30分钟至4小时之间。