CN110927835A - 利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明提出了利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法及产品，该方法包括：利用PDMS从正微透镜阵列母版复制出负微透镜阵列模具；将负微透镜阵列模具进行单轴预拉伸；将预拉伸处理的PDMS负微透镜阵列表面形成类二氧化硅硬膜；将负微透镜阵列的预拉伸解除后即可在负微透镜阵列表面形成光栅微结构，得到自组装的负焦距GMA。以制备出的负焦距GMA作为模具进行复制可以制备出正焦距GMA。该方法步骤简单，不需要复杂的设备，成本低；相比传统光栅/微透镜阵列的制作，具有工艺流程简单灵活，制备时间短成本低的优势，且可以在制作过程中根据不同需求复制不同母版微透镜阵列分别来制备负焦距GMA和正焦距GMA。

Description

利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法及产品

技术领域

本发明涉及光学仪器领域，尤其涉及利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法及产品。

背景技术

如今，小型便携式光谱仪已成为许多生物、医学和环境测量任务中最重要和应用最广泛的仪器之一。随着谱仪性能的不断提高，传统的光谱技术可以满足当前科学和工程应用的主要需求。然而，包括曲面准直收集镜和衍射光栅在内的典型的分立光学元件使传统的光学光谱仪变得复杂、笨重和昂贵。为了减小光学系统的尺寸和成本，我们通过将不同的光学功能组合成一个元件来减少元件的数量。在传统的光谱仪系统中，聚焦和色散是两个主要的光学功能。这两个功能可以通过在折射或反射光学元件上制作衍射面来实现。包括使用凹面光栅、光栅/菲涅尔透镜和光栅/微透镜混合元件。光栅/微透镜阵列混合元件集成了聚焦和色散两种主要光学功能。此外，许多简单而有效的制造方法可以用于微透镜阵列的制造，从而降低批量生产的成本。

光栅/微透镜阵列有望生产更低成本、更紧凑的商用光谱仪。本文报道了一种制备负焦距GMA(光栅/微透镜阵列)混合光学元件的简便方法。该技术采用了一种更简单的制造工艺，涉及将预应变后的PDMS制成的负微透镜阵列使用表面改性进行表面硬化，再对其预应变进行释放使其因应变失配以实现将光栅集成在微透镜阵列上，并可以实现正焦距GMA与负焦距GMA的互相复制与转化，可以通过两次复制灵活的制作出基于不同尺寸及形态的母版微透镜阵列的复制PDMS微透镜阵列与不同参数的光栅相结合的GMA。与传统方法如全息制造法相比，该方法运用的仪器较少，工艺简单易操作，不需要搭接复杂的光路系统，具有显著的成本优势并可以显著简化光谱仪结构，降低光谱仪的体积，并可以使光栅/微透镜阵列的制造门槛大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法及产品，可以实现传统光谱仪中的聚焦色散原件的整合及快速、低成本制造，具有较好的可重复性。能够显著缩小光学光谱仪体积，简化光谱仪结构，增大光谱仪视角，实现商用光学光谱仪更好的成本控制及更简单快速的制造流程。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法，该方法包括：

利用PDMS从正微透镜阵列母版复制出负微透镜阵列模具；

将负微透镜阵列模具进行单轴预拉伸；

将预拉伸处理的PDMS负微透镜阵列表面形成类二氧化硅硬膜；

将负微透镜阵列的预拉伸解除后即可在负微透镜阵列表面形成光栅微结构，得到自组装的负焦距GMA(光栅/微透镜阵列)。

进一步，所述负微透镜阵列模具通过固定在单轴拉伸的夹具上进行单轴预拉伸。

进一步，所述类二氧化硅硬膜通过离子束蚀刻机进行氧等离子体处理或者紫外臭氧处理形成。

进一步，利用所述负焦距GMA作为模具进行复制制备出正焦距GMA。

一种产品，其利用前述方法制备而成。

与现有技术相比，本发明的优点为：该方法步骤简单，不需要复杂的设备，成本低；相比传统光栅/微透镜阵列的制作，具有工艺流程简单灵活，制备时间短成本低的优势，且可以在制作过程中根据不同需求复制不同母版微透镜阵列分别来制备负焦距GMA和正焦距GMA。

附图说明

图1为本发明实施例中一种利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法流程图。

图2为本发明实施例中一种利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法所得产品截面图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。

本发明的第一实施方式提供了一种利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法，参见图1-2，其包括如下流程：

步骤1，取一块正微透镜阵列作为母版，利用PDMS材料(聚二甲基硅氧烷)复制出负微透镜阵列模具。

步骤2，将制备好的负微透镜阵列模具固定在一个可以进行单轴拉伸的夹具上进行以实现负微透镜阵列模具的预拉伸，对负微透镜阵列模具利用离子束刻蚀机进行氧等离子体处理或者对其进行紫外臭氧处理形成一层类二氧化硅硬膜。

步骤3，将负微透镜阵列模具的预拉伸解除，由于其表层类二氧化硅硬膜与PDMS杨氏模量差异，将在负微透镜阵列表面应变失配自组装形成光栅微结构，得到自组装的负焦距GMA(光栅/微透镜阵列)。

镜面直径为700微米的886线光栅/微透镜阵列的制作及测试：

如今各种设备都在集成化小型化以使更多的功能设备得以集成实现新的功能来适应更复杂的应用场景。传统的光谱技术可以满足当前科学和工程应用的主要需求，但传统光谱仪由于器件数量多且需要空间搭建光路以致较大的体积和质量。小型便携式光谱仪已成为许多生物、医学和环境测量任务中最重要和最广泛使用的仪器之一，如类内窥镜式的入体式医学检查检测设备，搭载在航空航天器上的轻型微型光电探测器、光谱分析仪等都需要设备的质量及体积尽可能小，如此才能使医学检测可以进入更深的人体结构内，使航天器的续航能力得到进一步的提升，光谱仪内部器件的进一步集成是降低光谱仪体积与质量的重要方法，本专利利用PDMS微透镜阵列表面改性自组装的方式来实现了微透镜阵列与光栅的集成。本专利在此应用背景下以“镜面直径为700微米的886线光栅/微透镜阵列的制作及测试”为应用实例以体现本专利广泛的实际应用范围。

样品制作

在本应用实例中采用光刻胶热熔法自主制备了母版微透镜阵列，并利用离子束蚀刻机对复制出的PDMS负微透镜阵列模板进行氧等离子体处理来实现表面改性实现硬膜的制备，最后的正焦距GMA复制采用的是PDMS材料。以下为样品制作具体工艺流程。

以BK7玻璃片作为基板，利用旋涂机将正光刻胶AZP4620旋涂在基板上，旋涂机转速设定为每分钟2000转，持续30秒以在基板上制备一层厚度为23.8微米的光刻胶薄膜。将旋涂好光刻胶的基板置放在烘箱内进行前烘，烘箱温度设置为90℃，时间设定为15分钟。在前烘完成之后的光刻胶上覆盖一块用铬镀制的圆形阵列掩膜板，利用光源为250W光谱能量分布集中在365nm的紫外高压汞灯对掩膜板覆盖好的样品进行紫外曝光，曝光时间为180S。将曝光好的样品浸入浓度为5‰的NAOH溶液进行显影，显影时间为60S，之后会在基板上形成直径与掩膜板上铬制图案直径相同的光刻胶柱阵列。制备好的样品放置在加热至140摄氏度的对流烘箱中45分钟，圆柱体材料熔化并流向基座边缘，形成球形微透镜阵列。将PDMS(聚二甲基硅氧烷)以10：1的重量比与固化剂混合，顺时针机械搅拌0.5小时，使其混合均匀。将混合物在真空干燥箱中在室温下去除气泡20分钟，然后将微透镜阵列固定在模具上，使其边缘对齐。将脱气的PDMS混合物倒入模具中，然后将模具放入室温状态下的真空干燥箱中20分钟，再次脱气。然后，在另一个设置为90℃的干燥箱中干燥45分钟。冷却后将PDMS混合物制备成的负微透镜阵列模具取下。

将得到的负微透镜阵列模具固定在一个可以进行单轴拉伸的夹具上进行40％的单轴预拉伸，用离子束刻蚀机在正常装置工作条件下(射频离子束源面积220MM×60MM，束电压100EV，束流80MA，氧气流量30SCCM)对预拉伸的负微透镜阵列模具进行处理，处理时间为30分钟，使PDMS混合物制成的负微透镜阵列模具表面在氧等离子体中形成一层相对于模具其余部分杨氏模量更高的类二氧化硅薄膜。随后将离子束蚀刻机处理过后的负微透镜阵列模具的预拉伸解除，由于模具表层类二氧化硅硬膜与模具其余部位的杨氏模量不相同，模具的松弛导致了应变失配，表层形成褶皱，其形态近似于正弦曲线，其周期在0.8微米，振幅约为1.128微米，此时得到了表面具有每毫米886线的光栅微结构的负微透镜阵列模具，模具上微透镜阵列中单个微透镜的镜面直径为700微米。在处理过的负焦距GMA(光栅/微透镜阵列)模具表面蒸发20纳米的凡士林膜作为分离层，以便于脱模，然后将其边缘对齐附在模具上，用与上文相同方法制备的PDMS混合物，将混合物在真空干燥箱中在室温下脱气20分钟后倒入模具，将模具放入室温真空干燥箱中20分钟，然后放入另一个90℃干燥箱中45分钟，再次脱气，随后，我们将处理过的负焦距GMA和倒入模具中的PDMS混合物进行脱模，最后获得获得正焦距GMA。利用原子力显微镜对样品进行测量，测得其规格为镜面直径为700微米，光栅线密度为每毫米886线，微透镜焦距为3.7毫米。

光谱性能测试：

搭建光路将450纳米、532.2纳米和632.8纳米的三个激光光源耦合入一个芯径为9微米的单模光纤，尾端出口与一个固定在可进行三轴调节的工作台上的型号为MT9P031的CMOS,像素为2592×1944。利用计算机进行数据采集和处理。光谱测量证实了正焦距GMA的单个光栅/微透镜在450纳米上具有高于6.9纳米的正一级分辨率，对于532.2纳米及632.8纳米则分别具有高于8.7纳米和13.1纳米的正一级分辨率。由于实验条件中母版微透镜阵列制备存在误差，理论上将具有更好的分辨率。

结论

本应用实例证实了利用本专利中所描述的方法可以实现低成本、快速简便的进行成像效果具有很高的实际应用价值的光栅/负微透镜阵列制造。本应用实例利用原子力显微镜验证了样品的制造精度，并利用自主搭建的光谱测试平台验证了光栅/微透镜阵列可以在一个较宽的波长范围(450纳米到650纳米)下工作。这些光谱测量证实了光栅/微透镜阵列的单个光栅/微透镜部分在450纳米、532.2纳米及632.8纳米上分别具有高于6.9纳米、8.7纳米和13.1纳米的正一级分辨率。本应用实例证明了光栅/微透镜阵列可以作为光谱仪阵列系统的关键元件，可以实现光谱仪价格更便宜、体积更小、携带更方便的目的，具有广泛的实际应用范围和很高的应用价值。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法，其特征在于，该方法包括：

利用PDMS从正微透镜阵列母版复制出负微透镜阵列模具；

将负微透镜阵列模具进行单轴预拉伸；

将预拉伸处理的PDMS负微透镜阵列表面形成类二氧化硅硬膜；

将负微透镜阵列的预拉伸解除后即可在负微透镜阵列表面形成光栅微结构，得到自组装的负焦距GMA。

2.根据权利要求1所述的利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法，其特征在于，所述负微透镜阵列模具通过固定在单轴拉伸的夹具上进行单轴预拉伸。

3.根据权利要求1所述的利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法，其特征在于，所述类二氧化硅硬膜通过离子束蚀刻机进行氧等离子体处理或者紫外臭氧处理形成。

4.根据权利要求1所述的利用应变调制自组装制作光栅微透镜阵列的方法，其特征在于，利用所述负焦距GMA作为模具进行复制制备出正焦距GMA。

5.一种产品，其利用如权利要求1-3任一所述方法制备而成。

6.一种产品，其利用如权利要求4所述方法制备而成。

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