CN114296161A - 一种大面阵三维球形微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微透镜阵列制造相关技术领域，其公开了一种大面阵三维球形微透镜阵列及其制备方法，制备方法包括以下步骤:(1)在基板的表面上旋涂预定厚度的光刻胶，并利用光刻与热回流工艺对得到的光刻胶层进行处理以得到目标微透镜阵列的结构母模；(2)在结构母模的表面制备PDMS层，并在固化后将PDMS层进行脱模剥离，以得到目标微透镜阵列的凹模；(3)以制备微透镜的材料为原料在基底上制备目标层，并采用凹模对目标层进行压印、紫外光固化及脱模剥离，以在基底上制备得到三维球形微透镜阵列。本发明结合了热回流工艺及PDMS软光刻，可以用于制作不同体积与曲率大小的微透镜单元，同时不受微透镜单元数量限制，操作简单，适用性较强。
Description
技术领域
本发明属于微透镜阵列制造相关技术领域，更具体地，涉及一种大面阵三维球形微透镜阵列及其制备方法。
背景技术
微透镜阵列是由尺寸为微米级的透镜单元组成的阵列，在实现传统透镜聚焦、成像等基本功能的同时，具有单元尺寸小、集成度高的特点。将其应用在当前新型光学系统中，可实现光学元件的小型化、集成化，应用于传统光学元件无法胜任的领域。
然而，制作微透镜阵列的传统方法工艺复杂，在制作压印凹模时采用湿法刻蚀、金刚石切削等方法。湿法刻蚀，利用化学试剂的各向同性刻蚀，在基底上刻蚀出半球形凹模，在去除表面掩膜层后得到基底材料的微透镜阵列结构凹模。此方法工艺过程难以控制，操作复杂。利用金刚石切削金属模具得到凹模，工艺简单，但随着微透镜数量的增加，时间和成本都会随之增加。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大面阵三维球形微透镜阵列及其制备方法，其结合了热回流工艺及PDMS软光刻，可以用于制作不同体积与曲率大小的微透镜单元，同时不受微透镜单元数量限制，操作简单，适用性较强。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，所述制备方法主要宝包括以下步骤：
(1)在基板的表面上旋涂预定厚度的光刻胶，并利用光刻与热回流工艺对得到的光刻胶层进行处理以得到目标微透镜阵列的结构母模；
(2)在所述结构母模的表面制备PDMS层，并在固化后将PDMS层进行脱模剥离，以得到目标微透镜阵列的凹模；
(3)以制备微透镜的材料为原料在基底上制备目标层，并采用所述凹模对所述目标层进行压印、紫外光固化及脱模剥离，以在所述基底上制备得到三维球形微透镜阵列。
进一步地，步骤(1)中，通过控制光刻窗口形状及尺寸、光刻窗口间距、光刻胶厚度、热回流温度及时间调节微透镜单元的形状、体积和曲率大小。
进一步地，光刻窗口形状为圆形或者矩形。
进一步地，通过调整窗口间距控制微透镜单元的形状为圆形或矩形。
进一步地，PDMS层的原料中PDMS材料与固化剂的比例为10:1，固化过程在真空烘箱中进行，固化温度为70℃，固化时间为2小时。
进一步地，压印前，基底上制备的目标层的厚度大于微透镜结构矢高。
进一步地，制备微透镜的材料为UV固化环氧树脂或丙烯酸酯。
进一步地，所述基底的材料为透明材料。
进一步地，所述基底为熔融石英。
按照本发明的另一方面，提供了一种大面阵三维球形微透镜阵列，所述微透镜阵列是采用如上所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法制备而成的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明所提供的大面阵三维球形透镜阵列及其制备方法主要具有以下有益效果：
1.采用热回流工艺与PDMS软光刻制作压印凹模，不受微透镜阵列中单元数量限制，可以用于制造大面阵微透镜阵列结构。
2.利用热回流工艺制作微透镜单元，工艺调整简单，灵活性高，利用同一块掩膜版通过控制光刻胶深度也能制作不同尺寸的微透镜单元。
3.利用压印制作微透镜阵列结构，效率块，精度高，获得的微透镜结构满足性能要求。
4.随着压印频率增加，凹模不断磨损需定期更换，中用作凹模的PDMS材料价格低廉，同时复制简单，成本大大降低。
附图说明
图1是本发明提供的一种大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法的流程示意图；
图2是采用热回流工艺制备目标微透镜阵列的结构母模的示意图；
图3是采用图2中的结构母模制备得到目标微透镜阵列结构的示意图；
图4中的(a)、(b)、(c)分别是通过控制光刻胶深度不同，经过热回流工艺后获得不同曲率的微透镜单元的示意图；
图5中的a)、b)、c)、d)分别是通过控制光刻窗口间距不同，经过热回流工艺后获得不同形状的微透镜单元的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100-基板，110-光刻胶，120-掩膜版，200-PDMS层，300-基底，310-微透镜材料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的一种大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法主要包括以下步骤：
步骤S10，在基板的表面上旋涂预定厚度的光刻胶，并利用光刻与热回流工艺对得到的光刻胶层进行处理以得到目标微透镜阵列的结构母模。
请参阅图2，结构母模的制备包括以下子步骤：
S11，在基板100的一侧表面旋涂预定厚度的光刻胶110。所述基板100仅作为支撑平面，可以选择硅、玻璃、陶瓷等，所述光刻胶110可以选择AZ4562。
S12，利用掩膜版120对得到的光刻胶层进行曝光，未遮光区域的光刻胶110发生交联反应，为下一步去除做准备。
S13，显影去除未遮光区域的光刻胶110。
S14，采用热回流工艺进行处理，使得光刻胶110形成的柱状阵列受热熔化呈球形阵列，以形成大面阵三维球形微透镜阵列的结构母模。
其中，通过控制光刻窗口形状及尺寸、光刻窗口间距、光刻胶厚度、热回流温度及时间调节微透镜单元的形状、体积和曲率大小。本实施方式中，通过调节光刻窗口的尺寸，曝光显影后产生不同直径大小的柱状阵列，热回流后产生不同体积及曲率大小的微透镜单元结构；光刻窗口的形状可以选择圆形或者矩形；通过调整窗口间距来控制微透镜单元的形状为圆形或者矩形。
步骤S20，在所述结构母模的表面制备PDMS层，并在固化后将PDMS层进行脱模剥离，以得到目标微透镜阵列的凹模。
请参阅图3，凹模的制备包括以下子步骤：
S21，在所述结构母模的表面制备预定厚度的PDMS层200。
S22，对固化后的PDMS层200进行脱模剥离，以制备得到目标微透镜阵列的PDMS凹模。
其中，凹模的材料为PDMS材料；PDMS层200的原料中PDMS材料与固化剂的比例为10:1，固化过程是在真空烘箱中进行，固化温度为70℃，固化时间为2小时。
步骤S30，以制备微透镜的材料为原料在基底上制备目标层，并采用所述凹模对所述目标层进行压印、紫外光固化及脱模剥离，以在所述基底上制备得到三维球形微透镜阵列。
请参阅图3，此步骤S30包括以下子步骤：
S31，以微透镜材料310为原料在基底300的表面制备目标层。其中，所述基底300可以选择熔融石英；所述微透镜材料310可以选择UV固化环氧树脂或丙烯酸酯。
S32，利用所述凹模对所述目标层进行压印，进而进行紫外光固化以将凹模上的微透镜阵列结构转移至所述目标层上。其中，通过调节压印时间、温度、压强、固化时间来获得面型精度较高的微透镜阵列。
S33，待目标层固化后进行脱模剥离以在所述基底300上制备得到目标球形微透镜阵列。
以下以几个实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
请参考图2及图3，本实施例1通过控制光刻窗口尺寸不同，光刻胶深度一致，经过热回流工艺后形成不同尺寸的微透镜阵列母模。具体步骤如下：S10，在选定基板一侧表面旋涂预定厚度的光刻胶，利用光刻与热回流工艺制备出光刻胶材质的目标微透镜阵列结构母模；S20，在得到的光刻胶微透镜阵列母模的表面制备预定厚度的PDMS材料，经预定时间与温度固化后进行脱模剥离，制备出目标微透镜阵列结构的PDMS凹模；S30，在选定基底表面制备一层用作微透镜阵列的材料，利用上述PDMS凹模进行压印及紫外光固化，并经脱模剥离后，在基底上制作出目标球形微透镜阵列。
实施例2
请参考图4，本实施例2通过控制光刻胶深度不同，光刻窗口尺寸相同，经过热回流工艺后形成不同曲率的微透镜阵列母模。
实施例3
请参考图5，本实施例3通过控制光刻窗口间距和形状不同，光刻胶深度相同，经过热回流工艺后形成不同形状的微透镜阵列母模。图5中a)所示，光刻窗口间距较大，窗口形状为圆形，热回流后会生成圆形形状的微透镜单元，图5中的c)所示为俯视图。图5中的b)所示，光刻窗口间距较小，窗口形状为正方形，热回流后可以生成正方形形状的微透镜单元，图5中的d)所示为俯视图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在基板的表面上旋涂预定厚度的光刻胶，并利用光刻与热回流工艺对得到的光刻胶层进行处理以得到目标微透镜阵列的结构母模；
(2)在所述结构母模的表面制备PDMS层，并在固化后将PDMS层进行脱模剥离，以得到目标微透镜阵列的凹模；
(3)以制备微透镜的材料为原料在基底上制备目标层，并采用所述凹模对所述目标层进行压印、紫外光固化及脱模剥离，以在所述基底上制备得到三维球形微透镜阵列。
2.如权利要求1所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，通过控制光刻窗口形状及尺寸、光刻窗口间距、光刻胶厚度、热回流温度及时间调节微透镜单元的形状、体积和曲率大小。
3.如权利要求2所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：光刻窗口形状为圆形或者矩形。
4.如权利要求1所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：通过调整窗口间距控制微透镜单元的形状为圆形或矩形。
5.如权利要求1所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：PDMS层的原料中PDMS材料与固化剂的比例为10:1，固化过程在真空烘箱中进行，固化温度为70℃，固化时间为2小时。
6.如权利要求1所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：压印前，基底上制备的目标层的厚度大于微透镜结构矢高。
7.如权利要求1所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：制备微透镜的材料为UV固化环氧树脂或丙烯酸酯。
8.如权利要求1-7任一项所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述基底的材料为透明材料。
9.如权利要求8所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述基底为熔融石英。
10.一种大面阵三维球形微透镜阵列，其特征在于：所述微透镜阵列是采用权利要求1-9任一项所述的大面阵三维球形微透镜阵列的制备方法制备而成的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220408 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |