CN112373008B - 一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造方法、其产品及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造方法、产品及其应用。该方法不仅实现了超高分辨率的嵌入式微透镜阵列制造，而且通过在微透镜阵列难以消除的间隙中填充透明电极，利用透明电极通电后产生的焦耳热可实现自动除雾的功能，微透镜阵列材料采用液体材料且被封装在微孔阵列中，通过透明电极的通电加热可改变液滴接触角，实现微透镜阵列变焦。

Description

一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造方法、其产品及 其应用

技术领域

本发明属于光学制造领域，具体涉及一种可自动除雾微透镜阵列的制备方法、产品及其应用。

背景技术

微透镜阵列是由直径在10μm到1mm之间的微透镜按照一定的排列组合而形成的阵列，在显示器、内窥镜、全景相机、微传感器、光通信等领域具有广阔的应用前景。目前，随着制造技术的飞速发展，已经出现了多种微透镜阵列的制造技术，代表性的主要有微喷打印法、光刻热熔法、电润湿法、飞秒激光直写法、飞秒激光酸刻蚀法、自组装法、模塑法、热压成型法及机械加工法等，甚至在微透镜阵列性能(如数值孔径，F数，表面粗糙度及填充率等)与类型(平面微透镜阵列、曲面微透镜阵列、凹/凸微透镜阵列及梯度折射率微透镜阵列等)方面表现出了较好的调控能力。尽管微透镜阵列制造技术取得了较大的进展，但微透镜阵列的实际应用仍然面临诸多问题，例如，当微透镜阵列应用于内窥镜的大视场成像微型镜头时，内窥镜的表面在手术探查以及常规检查时容易因为镜头表面容易粘连体液等液体，从而造成镜头模糊，无法成像，大大影响了检查结果。当曲面微透镜阵列仿生复眼应用于全景相机成像时，在镜头突遇温度变化时容易造成镜头表面形成一层雾或冰，造成镜头无法成像，严重影响了全景相机的准确成像，特别是在军事设备上容易造成重大影响。因此，微透镜阵列的防雾、防冰能力是微透镜阵列实际应用中所必须具备的。虽然受自然界的启发制得的具有超润湿性的防雾结构材料具有优异的防雾性能，但其制备方法仍较为昂贵或复杂，高透光率的防雾材料的制备仍然极具挑战。因此，仍需发明新型的微透镜阵列结构及制造方法，使其具有自除雾功能。另外，在医学内窥镜及全景成像应用中，微透镜阵列的灵活自动变焦能力亦尤为重要，液体微透镜阵列作为重要的可变焦微透镜阵列，得到了世界各国学者的广泛研究，例如，基于热效应的液体微透镜阵列可实现微透镜阵列的可控变焦，但存在制造工艺复杂，热响应速度慢等问题；基于水凝胶在温度变化后产生的膨胀和收缩可实现微透镜阵列的变焦，但水凝胶微流道的存在使其集成度变差；基于电润湿原理可实现液体变焦透镜制造，但电润湿存在高压驱动的缺陷；基于低电压驱动填充有液体的纳米压印微孔结构，可实现液体微透镜阵列焦距的快速反转变焦，但需要纳米压印制造微孔模具。因此，仍然需要开发一种工艺过程简单且响应速度快的液体变焦微透镜阵列制造新方法。

综上所述，尽管随着现有制造技术的发展，微透镜阵列的几何及光学性能得到了大幅提高。然而，针对微透镜阵列在极端条应用过程中容易出现起雾、结霜甚至结冰以及难以实现快速变焦等问题，迫切需要开发一种新的微透镜阵列结构及加工工艺实现自动除雾及变焦微透镜阵列的低成本、批量化生产。

发明内容

针对现有技术中存在的一些问题，本发明提供了一种嵌入式自除雾微透镜阵列的制造方法。该方法不仅实现了超高分辨率的嵌入式微透镜阵列制造，而且通过在微透镜阵列难以消除的间隙中填充透明电极，利用透明电极通电后产生的焦耳热可实现自动除雾的功能。微透镜阵列材料采用液体材料且被封装在微孔阵列中，通过透明电极的通电加热可改变液滴接触角，实现微透镜阵列变焦。本发明具有工艺步骤简单，制造成本低，微透镜除雾及变焦性能优异等优点，为大面积、高性能嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的低成本和规模化制造提供了一种新的解决方案。

本发明的技术方案为：

一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备打印基底：将硬质基底预处理后，涂覆一层薄厚均匀的PDMS 液体，加热固化后将其作为打印基底取出备用，固化温度为40-120℃，固化时间为0.5-2小时；

(2)打印微透镜阵列：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以有机溶剂或掺杂有纳米粒子的溶液作为打印材料，在打印基底上直接打印出液体微透镜阵列；

(3)封装微透镜阵列：将PDMS液体倒在液体微透镜阵列上，静置一段时间待PDMS液体自然流平，形成嵌入式微透镜阵列；

(4)打印透明电极：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以高固含量的导电浆料作为打印浆料，将其打印在液态PDMS基底中的液体微透镜阵列各单元透镜的空隙处，利用PDMS液体对导线的浸润包裹作用，实现超高分辨率的金属网格的嵌入式打印；

(5)后处理：对步骤(4)打印出产品进行烧结后处理，烧结温度为 60-140℃，烧结时间为1-2h，PDMS交联固化的同时完成导电浆料的烧结，提高导电性能，并将制造的微透镜阵列从打印基底揭下，形成微透镜阵列与金属网格均嵌入在柔性PDMS中的柔性嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列。

进一步地，所述步骤(1)中硬质基底材料为玻璃、硅片或亚克力板。

进一步地，所述步骤(1)中PDMS涂覆厚度为50-80μm。

进一步地，所述步骤(1)中的预处理为：将打印基底用异丙醇超声处理后，再用去离子水超声清洗一段时间去除残余的异丙醇溶液，最后用氮气或其他惰性气体吹干；将PDMS弹性体和其对应的固化剂以一定比例搅拌混合均匀后去气泡处理，然后涂覆在硬质基底上。

进一步地，所述步骤(1)中的涂覆为刮涂、旋涂或辊轮涂布；所述去气泡处理为抽真空或离心处理；所述步骤(2)中制备的微透镜阵列的间距、透镜直径能够通过工艺参数来改变；工艺参数包括电压、喷嘴距离衬底高度、占空比、频率、工作台移动速度、背压。

进一步地，所述工艺参数为：电压100-3000V，喷嘴距离衬底高度50-500μm，工作台移动速度10-500mm/s。

进一步地，所述步骤(2)中打印材料为丙三醇水溶液或掺杂有折射率约1.55 的SiO₂纳米粒子、折射率约2.71的TiO₂纳米粒子以及折射率约2.68的Fe₂O₃纳米粒子中的一种或多种的丙三醇溶液，并通过基础实验验证折射率与透光率大小，与所设计要求一致后，确定该两种物质的配比。

进一步地，所述步骤(3)中使用的PDMS液体制备过程为：将PDMS弹性体和其对应的固化剂以一定的比例搅拌混合均匀，然后抽真空或离心处理以去除气泡，将PDMS液体直接浇筑在制备好的液体微透镜阵列上，静置1-5min液体流平。

进一步地，所述步骤(4)中导电浆料包括纳米银导电浆料、纳米铜导电浆料、纳米银线导电浆料，粘度范围为1000-80000cps。

本发明还提供所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法制备得到的产品。

本发明还提供所述产品在内窥镜、显示屏、摄像机中的应用。

本发明中，液态PDMS受热发生交联固化反应，导电浆料中的有机溶剂得以挥发，提高导电性能；当采用丙三醇水溶液作为打印材料时，溶剂水得以挥发，液体微透镜阵列变为丙三醇微透镜阵列，固化的PDMS从衬底揭下并通电后，透明电极产生的焦耳热便能够实现除雾的作用，并且，丙三醇微透镜阵列在热效应的作用下，在PDMS微腔中接触角将随温度发生变化，实现变焦功能。

在硬质基底上涂覆一层PDMS作为打印衬底，可以利用PDMS的疏水性能可以增加透镜的接触角，便于获得性能更加优异的微透镜。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

(1)工艺步骤简单，每个工艺步骤的加工时间短，不需要专用的设备，整个制造流程生产效率高。

(2)生产成本低，材料利用率高。本发明采用电喷射3D打印技术，利用脉冲锥射流打印模式打印液体微透镜阵列，覆盖液态PDMS后再利用连续锥射流打印模式直接打印出超高分辨率透明电极，实现了嵌入式自除雾透镜的直接制造，嵌入式微透镜阵列的结构相比于浮雕式微透镜阵列的结构，镜头无外部刮擦以及容易脱落等问题。相比于现有的加工工艺极大的降低了制造成本。由于采用增材制造技术，可实现材料的百分之百利用。

(3)嵌入式的微透镜阵列可采用的是液体微透镜阵列形式，可通过透明电极的电加热特性实现微透镜阵列焦距的实时调控，具备自动变焦功能。

(4)制造的嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列性能优异。利用电喷射3D打印技术的泰勒锥“缩颈”效应，可实现高粘度材料的高精度打印。微透镜阵列的直径、间距可通过改变工艺参数来调整，微透镜直径最低可以达10μm以下。采用连续锥射流模式直接在液态PDMS上打印透明电极，利用泰勒锥的缩颈效应和液态PDMS对透明电极的包裹浸润作用，可实现最细1μm的金属网格透明电极的制备，可完全突破人眼分辨率的同时，其打印位置为微透镜阵列单元间的间隙位置，对微透镜阵列的成像没有任何影响。直接在液态PDMS上打印金属网格透明电极，可直接形成超高分辨率的金属网格嵌入式电极，嵌入式金属网格透明电极性能不受弯折及刮擦的影响，环境适应性更好。并且，具备良好自除雾功能的同时，基于透明电极的热效应，微透镜阵列具备一定程度的变焦能力，且由于制造的透明电极具有较大的高宽比，可在低电压下快速发热，采用纽扣电池即可满足快速变焦。

(5)可实现嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的大面积、批量化生产。液体微透镜阵列和透明电极可通过电喷射3D打印机直接制造，制造面积取决于工作台的行程。工艺步骤简单，易于实现批量化生产。

本发明可用于内窥镜、显示屏、摄像机等设备的极端环境下的应用。尤其是摄像机在低温成雾等环境下所需要的自动除雾及变焦功能，并且这种制造工艺具有精度高、成本低、效率高等优点，易于实现批量化生产。

附图说明

构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造工艺流程示意图。

其中a为在固化的PDMS基底上打印微透镜阵列，b为制造完成的微透镜阵列，c为在微透镜阵列上浇筑一层液态PDMS，d为在覆盖有PDMS液体的微透镜阵列的间距中打印透明电极，e为将制造完成的嵌入式自除雾微透镜阵列从硬质基底上揭开。

图2是一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造工艺流程的侧视图。

a为在已固化的PDMS衬底上打印微透镜阵列，b所示为微透镜阵列制造完成；c为在微透镜阵列上浇筑一层液态PDMS，d为在覆盖有PDMS液体的微透镜阵列难以消除的间距中打印电加热线。

图3为嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的除雾工作原理示意图。

嵌入式自除雾微透镜阵列两端连接直流电源，利用透明电极产生的焦耳热即可起到除雾的效果。

图4是嵌入式微透镜阵列变焦功能示意图。

a为制备好的嵌入式微透镜；b为在PDMS加热固化过程中，丙三醇溶液中的溶剂蒸发，密闭腔中形成多余的微腔；当温度升高时，接触角变化如图d所示。降温后，微透镜接触角如图c所示。

图5是嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的成像和去雾实验效果图。

(a)为数码显微镜拍摄的嵌入式自除雾微透镜阵列的多重成像图；(b)为嵌入式自除雾微透镜阵列表面起雾时的成像图，表面的雾气会严重影响透镜的成像效果；(c)为嵌入式自除雾微透镜阵列在接通3V直流电压时5s后的成像效果图，微透镜表面的小雾滴开始变少；(d)为嵌入式自除雾微透镜在接通3V 直流电压时15s后的成像效果图；(e)为嵌入式自除雾微透镜在接通3V直流电压时20s后的成像效果图，此时微透镜表面的雾已基本去除；(f)为嵌入式自除雾透镜在接通3V直流电压时26s后的成像效果图，此时雾已完全去除，成像效果恢复到未起雾之前的状态。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步的解释。

实施例1

步骤1：制备打印基底

(1)选择普通玻璃作为硬质基底，先将普通玻璃置于异丙醇溶液中超声清洗5min，再置于去离子水中超声清洗5min，最后再用氮气吹干，取出备用；

(2)PDMS液体为Dow Corning公司的Sylgard 184，PDMS弹性体和其对应的固化剂以10：1的质量比搅拌混合均匀，置于真空干燥箱中抽真空以去除气泡；

(3)将抽真空处理后的PDMS液体倾倒在普通玻璃表面，静置2min后放置在匀胶机上旋涂，旋涂时间为2min，转速500r/min，形成一层约50μm厚的 PDMS液体，最后置于真空干燥箱中70℃加热30分钟，PDMS受热发生交联固化，打印基底制备完成；步骤2：打印微透镜阵列

(1)采用质量百分比为80％丙三醇溶液作为打印材料，选择内径200μm的武藏针头作为打印喷头，启动电喷射微3D打印机，调整好打印参数(打印电压、占空比、频率、工作台移动速度、背压、喷嘴距离衬底高度)，打开运行程序；

(2)运行打印程序，打印完成后，取下样品，微透镜阵列打印面积为50mm ×50mm，间距100μm；主要工艺参数为：高压脉冲直流电压2000V，喷嘴距离衬底高度250μm，工作台移动速度20mm/s；步骤3：封装微透镜阵列

PDMS液体为Dow Corning公司的Sylgard 184，PDMS弹性体和其对应的固化剂以10：1的比例搅拌混合均匀，置于真空干燥箱中抽真空以去除气泡；将抽真空处理后的PDMS液体缓慢的浇筑到打印好的微透镜阵列样品上，静置5min 后PDMS液体自然流平，形成嵌入式微透镜阵列。

步骤4：打印透明电极

(1)选择中科纳通TL-20E纳米导电银浆作为打印材料，选择内径为150 μm的武藏针头，启动电喷射微3D打印机，调整好打印参数后，打开运行程序；

(2)运行打印程序，在覆盖有PDMS液体的微透镜阵列的间距中打印透明电极，不影响微透镜的透光率和成像效果；通过利用泰勒锥的缩颈效应和液膜对导线的包裹浸润作用实现超高分辨率的透明电极的制备；本实施例打印的有效面积为50mm×50mm，周期为0.5mm，打印的银线线宽为5μm；主要工艺参数为：高压直流电压350V，喷嘴距离衬底高度200μm，工作台移动速度40mm/s。

步骤5：后处理

将打印好的样品置于真空干燥箱中120℃加热1h，在PDMS固化的同时，银线也完成了烧结的过程，有效的提高了导电性能。最后将PDMS从普通玻璃上揭开，即可得到嵌入式自除雾透镜。在透明电极的两端连接电源，利用透明电极产生的焦耳热即可起到除雾的作用。如图4所示，PDMS固化时，丙三醇溶液中的溶剂得以蒸发，从而形成微腔；同时在热效应的作用下，微透镜阵列在PDMS 微腔中接触角将随温度发生变化，从而实现自动变焦的功能。实施例2

步骤1：制备打印基底

(1)选择硅片作为硬质基底，先将硅片用异丙醇溶液超声清洗5min，再置于去离子水中超声清洗5min去除残余的异丙醇溶液，最后再用氮气吹干，取出备用；

(2)PDMS液体选择Dow Corning公司的Sylgard 184，将PDMS弹性体和固化剂以10：1的比例搅拌混合均匀，置于真空干燥箱中抽真空以去除气泡；

(3)将抽真空处理后的PDMS液体倾倒在硅片表面，利用匀胶机旋涂，旋涂时间为2min，转速500r/min，形成一层约50μm厚的PDMS液体；最后置于真空干燥箱中75℃加热30分钟，PDMS受热发生交联固化，打印基底制备完成；

步骤2：打印微透镜阵列

(1)选择60％丙三醇溶液作为打印材料，选择内径200μm的武藏针头作为打印喷头。启动电喷射微3D打印机，调整好打印参数(打印电压、占空比、频率、工作台移动速度、背压、喷嘴距离衬底高度)，打开运行程序；

(2)运行打印程序，打印完成后，取下样品；微透镜阵列打印面积为60mm ×60mm，间距100μm；主要工艺参数为：电压1500V，喷嘴距离衬底高度250 μm，工作台移动速度15mm/s；

步骤3：封装微透镜阵列

PDMS液体为Dow Corning公司的Sylgard 184，PDMS弹性体和其对应的固化剂以10：1的比例搅拌混合均匀，置于真空干燥箱中抽真空以去除气泡；将抽真空处理后的PDMS液体缓慢的浇筑到打印好的微透镜阵列样品上，静置5min 后PDMS液体自动流平；

步骤4：打印透明电极

(1)选择中科纳通TL-20E纳米导电银浆作为打印材料，选择内径为150 μm的武藏针头，启动电喷射微3D打印机，调整好打印参数后，打开运行程序；

(2)运行打印程序，在覆盖有PDMS液体的微透镜阵列的间距中打印透明电极，不影响微透镜的透光率和成像效果；通过利用泰勒锥的缩颈效应和液膜对导线的包裹浸润作用可实现超高分辨率的透明电极的制备；本实施例打印的有效面积为60mm×60mm，周期为1mm。打印的银线线宽为6μm；主要工艺参数为：电压350V，喷嘴距离衬底高度200μm，工作台移动速度30mm/s。

步骤5：后处理

将打印好的样品置于真空干燥箱中120℃加热1h，在PDMS固化的同时，银线也完成了烧结的过程，有效的提高了导电性能；最后将PDMS从硅片上揭开，即可得到嵌入式自除雾透镜。本实施例与实施例1相比较，形成的“空余”微腔更多，微透镜阵列的接触角变化范围也越大，变焦范围更大。

实施例3

步骤1：制备打印基底。

(1)选择优质浮法玻璃作为硬质基底，先将浮法玻璃置于异丙醇溶液中超声清洗5min，再置于去离子水中超声清洗5min，最后再用氮气吹干，取出备用；

(2)PDMS液体为Dow Corning公司的Sylgard 184，PDMS弹性体和其对应的固化剂以10：1的比例搅拌混合均匀，置于真空干燥箱中抽真空以去除气泡；

(3)将抽真空处理后的PDMS液体倾倒在浮法玻璃表面，静置2min后放置在匀胶机上旋涂，旋涂时间为1min，转速500r/min，形成一层约80μm厚的 PDMS液体。最后置于真空干燥箱中75℃加热30分钟，PDMS受热发生交联固化，打印基底制备完成。

步骤2：打印微透镜阵列

(1)采用掺杂有SiO₂纳米粒子(折射率约1.55)的丙三醇溶液作为打印材料，丙三醇与纳米粒子的混合比例可根据所需制备微透镜的折射率及透光率，设定丙三醇及SiO₂纳米粒子溶液的配比，并通过基础实验验证折射率与透光率大小，与所设计要求一致后，确定该两种物质的配比。

选择内径200μm的武藏针头作为打印喷头。启动电喷射微3D打印机，调整好打印参数(打印电压、占空比、频率、工作台移动速度、背压、喷嘴距离衬底高度)，打开运行程序。

(2)运行打印程序，打印完成后，取下样品。微透镜阵列打印面积为50mm ×50mm，间距100μm。主要工艺参数为：电压2000V，喷嘴距离衬底高度300μm，工作台移动速度10mm/s。

步骤3：封装微透镜阵列

PDMS液体为Dow Corning公司的Sylgard 184，PDMS弹性体和其对应的固化剂以10：1的比例搅拌混合均匀，置于真空干燥箱中抽真空以去除气泡。将抽真空处理后的PDMS液体缓慢的浇筑到打印好的微透镜阵列样品上，静置5min 后PDMS液体自动流平。

步骤4：打印透明电极

(1)选择中科纳通TL-20E纳米导电银浆作为打印材料，选择内径为150 μm的武藏针头，启动电喷射微3D打印机，调整好打印参数(打印电压、工作台移动速度、背压、喷嘴距离衬底高度)后，打开运行程序。

(2)运行打印程序，在覆盖有PDMS液体的微透镜阵列的间距中打印透明电极，不影响微透镜的透光率和成像效果。通过利用泰勒锥的缩颈效应和液膜对导线的包裹浸润作用可实现超高分辨率的透明电极的制备。本实施例打印的有效面积为50mm×50mm，周期为0.5mm。打印的银线线宽为5μm。主要工艺参数为：电压400V，喷嘴距离衬底高度200μm，工作台移动速度40mm/s。

步骤5：后处理

将打印好的样品置于真空干燥箱中120℃加热1h，在PDMS固化的同时，银线也完成了烧结的过程，有效的提高了导电性能。最后将PDMS从浮法玻璃上揭开，即可得到嵌入式自除雾透镜。本实施例制备的嵌入式微透镜阵列同时具有自动除雾、自动变焦以及达到梯度折射率的作用。

实施例4

步骤1：制备打印基底。

(1)选择亚克力板作为硬质基底，先将亚克力板置于异丙醇溶液中超声清洗5min，再置于去离子水中超声清洗5min，烘干取出备用。

(2)PDMS液体为Dow Corning公司的Sylgard 184，PDMS弹性体和其对应的固化剂以10：1的比例搅拌混合均匀，离心处理去除气泡。

(3)将去除气泡后的PDMS液体倾倒在亚克力板表面，静置3min后放置在匀胶机上旋涂，旋涂时间为2min，转速300r/min，形成一层约70μm厚的PDMS 液体。最后置于真空干燥箱中75℃加热30分钟，PDMS受热固化，打印衬底制备完成。

步骤2：打印微透镜阵列

(1)采用掺杂有纳米粒子TiO₂纳米粒子(折射率约2.71)，丙三醇与TiO₂纳米粒子的混合比例可根据所需制备微透镜的折射率及透光率，设定丙三醇及纳米粒子溶液的配比，并通过基础实验验证折射率与透光率大小，与所设计要求一致后，确定该两种物质的配比。

选择内径300μm的武藏针头作为打印喷头。启动电喷射微3D打印机，根据所需要的微透镜直径、间距等，调整好打印参数(打印电压、占空比、频率、工作台移动速度、背压、喷嘴距离衬底高度)，打开设计好的打印程序。

(2)运行打印程序，打印完成后，取下样品。微透镜阵列打印面积为70mm ×70mm，间距100μm。主要工艺参数为：电压1600V，喷嘴距离衬底高度250μm，工作台移动速度25mm/s。

步骤3：封装微透镜阵列

PDMS液体为Dow Corning公司的Sylgard 184，PDMS弹性体和其对应的固化剂以10：1的比例搅拌混合均匀，置于真空干燥箱中抽真空以去除气泡。将抽真空处理后的PDMS液体缓慢的浇筑到打印好的微透镜阵列样品上，静置3min 后PDMS液体自动流平，微透镜阵列封装完成。

步骤4：打印透明电极

(1)选择中科纳通TL-20E纳米导电银浆作为打印材料，选择内径为150μm 的不锈钢针头，启动电喷射微3D打印机，根据所需要的银线线宽，调整好打印参数(打印电压、工作台移动速度、背压、喷嘴距离衬底高度)，打开运行程序。

(2)运行打印程序，在覆盖有PDMS液体的微透镜阵列的间距中打印透明电极，不影响微透镜的透光率和成像效果。通过利用泰勒锥的缩颈效应和液膜对导线的包裹浸润作用可实现超高分辨率的透明电极的制备。本实施例打印的有效面积为50mm×50mm，周期为0.5mm。打印的银线线宽为8μm。主要工艺参数为：电压500V，喷嘴距离衬底高度300μm，工作台移动速度30mm/s。

步骤5：后处理

将打印好的样品置于真空干燥箱中120℃加热1h，在PDMS固化的同时，银线也完成了烧结的过程，有效的提高了导电性能。最后将PDMS从亚克力板上揭开，即可得到嵌入式自除雾透镜。透明电极两端连接电源后，透明电极产生的焦耳热可以起到除雾的作用。在热效应的作用下，微腔内的液体微透镜接触角发生变化，实现自动变焦的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (10)

1.一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)制备打印基底：将硬质基底预处理后，涂覆一层薄厚均匀的PDMS液体，加热固化后将其作为打印基底取出备用，固化温度为40-120℃，固化时间为0.5-2小时；(2)打印微透镜阵列：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以有机溶剂或掺杂有纳米粒子的溶液作为打印材料，在打印基底上直接打印出液体微透镜阵列；(3)封装微透镜阵列：将PDMS液体倒在液体微透镜阵列上，静置一段时间待PDMS液体自然流平，形成嵌入式微透镜阵列；(4)打印透明电极：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以高固含量的导电浆料作为打印浆料，将其打印在液态PDMS基底中的液体微透镜阵列各单元透镜的空隙处，利用PDMS液体对导线的浸润包裹作用，实现超高分辨率的金属网格的嵌入式打印；(5)后处理：对步骤(4)打印出产品进行烧结后处理，烧结温度为60-140℃，烧结时间为1-2h，PDMS交联固化的同时完成导电浆料的烧结，提高导电性能，并将制造的微透镜阵列从硬质基底揭下，形成微透镜阵列与金属网格均嵌入在柔性PDMS中的柔性嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中硬质基底材料为玻璃、硅片或亚克力板。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的预处理为：将打印基底用异丙醇超声处理后，再用去离子水超声清洗一段时间去除残余的异丙醇溶液，最后用氮气或其他惰性气体吹干；将PDMS弹性体和其对应的固化剂以一定比例搅拌混合均匀后去气泡处理，然后涂覆在硬质基底上。

4.根据权利要求3所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的涂覆为刮涂、旋涂或辊轮涂布；所述去气泡处理为抽真空或离心处理；所述步骤(2)中制备的微透镜阵列的间距、透镜直径能够通过工艺参数来改变；工艺参数包括电压、喷嘴距离衬底高度、占空比、频率、工作台移动速度、背压。

5.根据权利要求4所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述工艺参数为：电压100-3000V，喷嘴距离衬底高度50-500μm，工作台移动速度10-500mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中打印材料为丙三醇水溶液或掺杂有折射率约1.55的SiO₂纳米粒子、折射率约2.71的TiO₂纳米粒子以及折射率约2.68的Fe₂O₃纳米粒子中的一种或多种的丙三醇溶液，混合溶液中纳米粒子的混合比例根据所需制备微透镜折射率与透光率的大小进行调整。

7.根据权利要求1所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中使用的PDMS液体制备过程为：将PDMS弹性体和其对应的固化剂以一定的比例搅拌混合均匀，然后抽真空或离心处理以去除气泡，将PDMS液体直接浇筑在制备好的液体微透镜阵列上，静置1-5min液体流平。

8.根据权利要求1所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中导电浆料包括纳米银导电浆料、纳米铜导电浆料、纳米银线导电浆料，粘度范围为1000-80000cps。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法制备得到的产品。

10.根据权利要求9所述产品在内窥镜、显示屏、摄像机中的应用。

Images