CN111474610B - 一种制备连续面形菲涅尔透镜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备连续面形菲涅尔透镜的方法，包括：连续面形菲涅尔透镜母版制作和连续面形菲涅尔透镜流延复制。具体包括环带凹槽模具、紫外固化胶滴注、紫外固化胶旋转固化、连续面形母版、胶液流延固化、连续面形菲涅尔透镜。工作流程为首先加工出环带凹槽模具，然后往环带凹槽模具滴注紫外固化胶，使紫外固化胶填满所有凹槽，接着将其置于离心机上对心旋转，同时在上方施加紫外辐照，直至紫外固化胶完全固化。固化后的紫外胶成为连续面形母版，在母版表面浇筑聚合物胶液并固化，脱膜后成为连续面形菲涅尔透镜。该方法克服了传统技术口径小、成本高、效率低等问题，实现口径几十毫米以上、结构表面粗糙度较低的连续面形菲涅尔透镜制作。
Description
技术领域
本发明属于光学微细加工领域，具体涉及一种制备连续面形菲涅尔透镜的方法。
背景技术
在连续面形菲涅尔透镜母版的加工技术上，普遍采用灰度光刻刻蚀或单点金刚石切削的工艺技术路线。其中灰度光刻由于工艺固有特点无法加工较深的结构，且受限于掩膜数据量，口径一般只能做到几毫米到几十毫米。单点金刚石切削受限于材料硬度，只能在较软的金属材料表面加工，且制作出的结构表面具有较高粗糙度，在光学应用中会造成较大的能量损失。无论是灰度光刻还是单点金刚石切削，都存在成本高、效率低的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服传统技术口径小、成本高、效率低的问题，实现口径几十毫米以上、结构表面粗糙度较低的连续面形菲涅尔透镜制作，本发明提供一种制备连续面形菲涅尔透镜的方法。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种制备连续面形菲涅尔透镜的方法，包括两大步，连续面形菲涅尔透镜母版制作和连续面形菲涅尔透镜流延复制。具体包括环带凹槽模具、紫外固化胶滴注、紫外固化胶旋转固化、连续面形母版、胶液流延固化、连续面形菲涅尔透镜。
所述的环带凹槽模具是一种类似两台阶菲涅尔透镜的平面模具，每个环带包括凹槽和凸起，凹槽和凸起的宽度之和与菲涅尔透镜的环带周期一一对应，每个环带的凸起宽度小于环带周期的10％，在工艺允许情况下越小越好。该模具的材料包括但不限于金属、石英、硅，加工工艺包括但不限于机械切削、掩膜光刻、湿法腐蚀、干法刻蚀。凹槽的深度由设计深度决定，与菲涅尔透镜的结构深度一致，通常在0.1μm至10μm区间。
所述的紫外固化胶滴注是通过滴管或注射器等将紫外固化胶滴注到凹槽内，保证所有凹槽被紫外固化胶填满。紫外固化胶是一种单组分无溶剂无色透明液体，受紫外辐照后交联固化成为无色透明固体。紫外胶的型号包括但不限于NOA61型等固化快、耗能少、无污染的胶黏剂。操作环境做黄光处理，避免紫外胶提前固化。
所述的紫外固化胶旋转固化是使凹槽内的紫外固化胶在旋转的同时受紫外辐照进行固化。利用匀胶机或离心机等设备将环带凹槽模具固定，保证模具中心与旋转轴中心重合，控制旋转加速度和最高转速，使得多余紫外固化胶在离心力的作用下从中心到边缘逐渐甩离模具，在稳定状态下，每个凹槽的紫外固化胶表面都是抛物面的一部分，所有紫外固化胶表面连接起来构成一个完整的抛物面。利用紫外汞灯或紫外LED灯等紫外光源置于紫外胶上方，照射足够剂量保证紫外胶完全固化。
所述的连续面形母版就是环带凹槽模具及经过旋转固化后的紫外胶。当紫外胶完全固化后成为固体，停止旋转和紫外辐照，紫外胶的面形不再改变，每个凹槽的紫外固化胶表面都是抛物面的一部分，连续面形母版的横截面轮廓就是连续面形的菲涅尔环带。通过控制紫外固化时的旋转速度与模具的凹槽深度进行匹配，可以使得每个凹槽内紫外固化胶的底端位于凸起的下边缘，顶端位于凸起的上边缘，从而实现各环带的曲率连续变化。
所述的胶液流延固化是利用连续面形母版进行流延复制，根据使用的聚合物胶液性质不同，选择紫外固化或热固化等方式，将连续面形母版上的微浮雕复制到聚合物上。胶液包括但不限于紫外固化胶、有机硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等。胶液流延的方式包括但不限于旋涂、刮涂、静置等。
所述的连续面形菲涅尔透镜就是流延复制所得的聚合物透镜。胶液流延固化以后，需要脱膜处理将聚合物透镜取下来。脱膜方法包括但不限于机械剥离、激光剥离、氟化处理等。
所述的工作流程如下：首先加工出环带凹槽模具，然后往环带凹槽模具滴注紫外固化胶，使紫外固化胶填满所有凹槽，接着将其置于离心机上对心旋转，同时在上方施加紫外辐照，直至紫外固化胶完全固化。固化后的紫外胶成为连续面形母版，在母版表面浇筑聚合物胶液并固化，脱膜后成为连续面形菲涅尔透镜。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可以实现三维连续面形母版快速加工，并且放大口径的技术难度和成本较低。
(2)本发明可以通过调控工艺参数控制三维结构的曲率分布，调控透镜的焦距等参数。
(3)本发明可以实现较低的表面粗糙度，有利于光学透过率和衍射效率。
附图说明
图1：连续面形菲涅尔透镜母版制作方法示意图；
图2：连续面形菲涅尔透镜流延复制方法示意图；
图中：1为环带凹槽模具；2为紫外固化胶滴注；3为紫外固化胶旋转固化；4为连续面形母版；5为胶液流延固化；6为连续面形菲涅尔透镜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种制备连续面形菲涅尔透镜的方法，包括两大步，连续面形菲涅尔透镜母版制作和连续面形菲涅尔透镜流延复制。具体包括环带凹槽模具1、紫外固化胶滴注2、紫外固化胶旋转固化3、连续面形母版4、胶液流延固化5、连续面形菲涅尔透镜6。其工作流程是首先加工出环带凹槽模具1，然后在环带凹槽模具内完成紫外固化胶滴注2，使紫外固化胶填满所有凹槽，接着将其置于离心机上对心旋转，同时在上方施加紫外辐照，实现紫外固化胶旋转固化3。固化后的紫外胶成为连续面形母版4，基于连续面形母版4进行胶液流延固化5，脱膜后成为连续面形菲涅尔透镜6。
环带凹槽模具1是一种类似两台阶菲涅尔透镜的平面模具，每个环带包括凹槽和凸起，凹槽和凸起的宽度之和与菲涅尔透镜的环带周期一一对应，每个环带的凸起宽度小于环带周期的10％，在工艺允许情况下越小越好。该模具的材料包括但不限于金属、石英、硅，加工工艺包括但不限于机械切削、掩膜光刻、湿法腐蚀、干法刻蚀。凹槽的深度由设计深度决定，与菲涅尔透镜的结构深度一致，通常在0.1μm至10μm区间。
紫外固化胶滴注2是通过滴管或注射器等将紫外固化胶滴注到凹槽内，保证所有凹槽被紫外固化胶填满。紫外固化胶是一种单组分无溶剂无色透明液体，受紫外辐照后交联固化成为无色透明固体。紫外胶的型号包括但不限于NOA61型等固化快、耗能少、无污染的胶黏剂。操作环境做黄光处理，避免紫外胶提前固化。
紫外固化胶旋转固化3是使凹槽内的紫外固化胶在旋转的同时受紫外辐照进行固化。利用匀胶机或离心机等设备将环带凹槽模具固定，保证模具中心与旋转轴中心重合，控制旋转加速度和最高转速，使得多余紫外固化胶在离心力的作用下从中心到边缘逐渐甩离模具，在稳定状态下，每个凹槽的紫外固化胶表面都是抛物面的一部分，所有紫外固化胶表面连接起来构成一个完整的抛物面。利用紫外汞灯或紫外LED灯等紫外光源置于紫外胶上方，照射足够剂量保证紫外胶完全固化。
连续面形母版4是环带凹槽模具及经过旋转固化后的紫外胶。当紫外胶完全固化后成为固体，停止旋转和紫外辐照，紫外胶的面形不再改变，每个凹槽的紫外固化胶表面都是抛物面的一部分，连续面形母版的横截面轮廓就是连续面形的菲涅尔环带。通过控制紫外固化时的旋转速度与模具的凹槽深度进行匹配，可以使得每个凹槽内紫外固化胶的底端位于凸起的下边缘，顶端位于凸起的上边缘，从而实现各环带的曲率连续变化。
胶液流延固化5是利用连续面形母版进行流延复制，根据使用的聚合物胶液性质不同，选择紫外固化或热固化等方式，将连续面形母版上的微浮雕复制到聚合物上。胶液包括但不限于紫外固化胶、有机硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等。胶液流延的方式包括但不限于旋涂、刮涂、静置等。
连续面形菲涅尔透镜6是流延复制所得的聚合物透镜。胶液流延固化以后，需要脱膜处理将聚合物透镜取下来。脱膜方法包括但不限于机械剥离、激光剥离、氟化处理等。
Claims (7)
1.一种制备连续面形菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的方法包括两大步：连续面形菲涅尔透镜母版制作和连续面形菲涅尔透镜流延复制；其工作流程是首先加工出环带凹槽模具（1），然后在环带凹槽模具内完成紫外固化胶滴注（2），使紫外固化胶填满所有凹槽，接着将其置于离心机上对心旋转，同时在上方施加紫外辐照，实现紫外固化胶旋转固化（3），固化后的紫外胶成为连续面形母版（4），基于连续面形母版（4）进行胶液流延固化（5），脱膜后成为连续面形菲涅尔透镜（6）。
2.根据权利要求1所述的制备连续面形菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的环带凹槽模具（1）是一种类似两台阶菲涅尔透镜的平面模具，每个环带包括凹槽和凸起，凹槽和凸起的宽度之和与菲涅尔透镜的环带周期一一对应，每个环带的凸起宽度小于环带周期的10%，在工艺允许情况下越小越好，该模具的材料包括金属、石英、硅，加工工艺包括机械切削、掩膜光刻、湿法腐蚀、干法刻蚀，凹槽的深度由设计深度决定，与菲涅尔透镜的结构深度一致，在0.1μm至10μm区间。
3.根据权利要求1所述的制备连续面形菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的紫外固化胶滴注（2）是通过滴管或注射器将紫外固化胶滴注到凹槽内，保证所有凹槽被紫外固化胶填满，紫外固化胶是一种单组分无溶剂无色透明液体，受紫外辐照后交联固化成为无色透明固体，紫外胶的型号包括NOA61型固化快、耗能少、无污染的胶黏剂，操作环境做黄光处理，避免紫外胶提前固化。
4.根据权利要求1所述的制备连续面形菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的紫外固化胶旋转固化（3）是使凹槽内的紫外固化胶在旋转的同时受紫外辐照进行固化，利用匀胶机或离心机设备将环带凹槽模具固定，保证模具中心与旋转轴中心重合，控制旋转加速度和最高转速，使得多余紫外固化胶在离心力的作用下从中心到边缘逐渐甩离模具，在稳定状态下，每个凹槽的紫外固化胶表面都是抛物面的一部分，所有紫外固化胶表面连接起来构成一个完整的抛物面，利用紫外汞灯或紫外LED灯置于紫外胶上方，照射足够剂量保证紫外胶完全固化。
5.根据权利要求1所述的制备连续面形菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的连续面形母版（4）就是环带凹槽模具及经过旋转固化后的紫外胶，当紫外胶完全固化后成为固体，停止旋转和紫外辐照，紫外胶的面形不再改变，每个凹槽的紫外固化胶表面都是抛物面的一部分，连续面形母版的横截面轮廓就是连续面形的菲涅尔环带，通过控制紫外固化时的旋转速度与模具的凹槽深度进行匹配，可以使得每个凹槽内紫外固化胶的底端位于凸起的下边缘，顶端位于凸起的上边缘，从而实现各环带的曲率连续变化。
6.根据权利要求1所述的制备连续面形菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的胶液流延固化（5）是利用连续面形母版进行流延复制，根据使用的聚合物胶液性质不同，选择紫外固化或热固化方式，将连续面形母版上的微浮雕复制到聚合物上，胶液包括紫外固化胶、有机硅、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯，胶液流延的方式包括旋涂、刮涂、静置。
7.根据权利要求1所述的制备连续面形菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的连续面形菲涅尔透镜（6）就是流延复制所得的聚合物透镜，胶液流延固化以后，需要脱膜处理将聚合物透镜取下来，脱膜方法包括机械剥离、激光剥离、氟化处理。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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