CN116140793A - 仿蜂眼结构膜的模压制作方法以及使用该膜的眼镜镜片 - Google Patents

仿蜂眼结构膜的模压制作方法以及使用该膜的眼镜镜片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了仿蜂眼结构膜的模压制作方法以及使用该膜的眼镜镜片，其通过采用飞秒激光湿法刻蚀技术在硬脆材料基底上制备出微透镜阵列；通过PDMS或PMMA复制技术倒模得到具有微透镜阵列的结构；接着将PDMS薄膜与镜片键合得到具有防近视效果的镜片的方法过程。通过本发明公开的简易的步骤制备的微透镜阵列的硬质材料模具，可以大批量复制出具有微凸透镜阵列的结构的PDMS或PMMA薄膜，然后将该PDMS或PMMA薄膜固定于眼镜表面，该方法操作简单、精度高、可以大批量生产，具有较低的成本从而适于推广应用。

Description

仿蜂眼结构膜的模压制作方法以及使用该膜的眼镜镜片
技术领域
本发明涉及飞秒激光微纳加工技术领域，尤其涉及仿蜂眼结构膜的模压制作方法以及使用该膜的眼镜镜片。
背景技术
飞秒激光微纳加工因具有热影响区小、与材料相互作用呈非线性过程、超出衍射极限的高分辨率加工等特点，可以实现对各种材料的高质量、高精度微纳米加工和三维微纳结构制造。飞秒激光加工可以满足高精度三维结构制备、多材料微纳结构加工以及器件成型与集成的加工需求，因此，在各类微纳结构化功能部件的研制中展现出了很大的技术优势。目前，飞秒激光已经广泛应用于多个前沿科学领域。
近年来，近视已经成为影响视觉健康的重要威胁。近视患病率急剧上升，且有低龄化趋势。近视一旦发生即不可逆转，并且随着近视程度加重，发生近视并发症的风险增加，将会严重影响视觉健康。现已证明采用周边离焦的方式能够有效地减缓近视地进一步发展。该种类型的防近视镜片上存在着微透镜阵列构成的离焦区域。在该镜片中，光线通过不同的屈光区域，将图像聚焦在眼睛的视网膜上使得入射到眼镜镜片的光线在比预定位置更靠近物体的位置处聚焦，从而抑制近视的发展。此时，通过结合飞秒激光微纳加工能制备能够高效率、低成本地制备仿生复眼防近视眼镜镜片就变得很有意义。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供仿蜂眼结构膜的模压制作方法以及使用该膜的眼镜镜片，其通过飞秒激光器制备出微透镜阵列的硬质材料模具，可以大批量复制出具有微凸透镜阵列的结构的PDMS或PMMA薄膜，然后将该薄膜固定于眼镜表面，该方法操作简单、精度高、可以大批量生产，具有较低的成本从而适于推广应用。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：仿蜂眼结构膜的模压制作方法，其特征在于，包括模具制作、微透镜阵列结构膜压制成型和微透镜阵列结构膜与眼镜表面键合，所述模具制作包括以下步骤：
S1：飞秒激光改性
选用硬质材料并将其依次进行酒精、去离子水及超声水浴清洁后固定在飞秒激光机的三维平移台上，接着将飞秒激光束通过聚焦物镜聚焦在所述硬质材料表面，通过控制三维平移台的移动，实现对辐照点相邻距离以及排列方式的控制，并对所述硬质材料实现飞秒激光辐照改性处理，成型模板样品；
S2：湿法刻蚀
将飞秒激光辐照后的所述模板样品放置到体积浓度为8％-10％的氢氟酸溶液中，辅助超声水浴进行化学腐蚀，经过50-90min的HF湿法刻蚀后，模板表面形成了紧密排布的微透镜阵列，成型硬质模板；
S3：清洁干燥
将化学刻蚀处理后的所述硬质模板依次经过酒精、去离子水及超声水浴清洗进行清洁，并放置在真空干燥箱中烘干备用；
所述微透镜阵列结构膜压制成型包括下述步骤：
S4：倒模，将预聚物与固化剂混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入烘干后的硬模板中，待静止后放入高温炉中加热至80-100℃时固化2h～3h，固化完成后取出并脱模，得到微透镜阵列结构膜；
所述结构膜与眼镜表面键合包括下述步骤：
S5：表面键合，将制备的微透镜阵列结构膜贴合于干燥后的所述硬质模板表面。
优选的，在步骤S1中，所述硬质材料为K9玻璃样片或石英。
优选的，在步骤S4中，所述预聚物为PDMS，其与固化剂按照10:1的比例混合。
仿蜂眼结构膜的模压制作方法制作的眼镜镜片，其特征在于：在眼镜镜片上键合有所述微透镜阵列结构膜。
本发明的有益效果是：
1、由于飞秒激光加工的精准性和可选择性，微透镜形貌良好，可以实现微透镜阵列各种排列方式的精确控制；
2、通过飞秒激光器制备出微透镜阵列的硬质材料模具，可以大批量复制出具有微凸透镜阵列结构的PDMS或PMMA薄膜，然后将该PDMS或PMMA薄膜固定于眼镜表面，该方法操作简单、精度高、可以大批量生产，具有较低的成本从而适于推广应用。
附图说明
图1为本发明飞秒激光在样品表面进行改性处理图示。
图2为本发明采用氢氟酸湿法刻蚀结果图示。
图3为本发明倒模图示。
图4为本发明模压图示。
其中：1-物镜，2-激光，3-烧蚀弹坑，4-K9玻璃基板，5-微凹透镜阵列，6-PDMS基板，7-微凸透镜阵列，8-眼镜基材。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
仿蜂眼结构膜的模压制作方法，包括模具制作、微透镜阵列结构膜压制成型和微透镜阵列结构膜与眼镜表面键合。
实施例一
模具制作包括以下步骤：
S1：飞秒激光改性
选用K9玻璃样片依次进行酒精、去离子水超声水浴后，固定在飞秒激光机的x-y-z三维平移台上，接着将能量为3mW的飞秒激光束通过聚焦物镜(优选的，NA＝0.8)聚焦在所述K9玻璃样片表面，飞秒激光的中心波长为800nm、脉宽为50fs、重复频率1KHz。通过控制三维平移台的移动，实现对辐照点相邻距离以及排列方式的控制，并对所述K9玻璃样片实现飞秒激光辐照改性处理，成型模板样品。
S2：湿法刻蚀
将飞秒激光辐照后的所述模板样品放置到体积浓度为8％的氢氟酸溶液中，辅助超声水浴进行化学腐蚀。由于氢氟酸溶液的选择性腐蚀，使得烧蚀过的弹坑区域以及周围的改性区域腐蚀速率远大于未改性的区域。经过55min的HF湿法刻蚀后，模板表面形成了紧密排布的微透镜阵列，成型硬质模板。
S3：清洁干燥
将化学刻蚀处理后的所述硬质模板依次经过酒精、去离子水及超声水浴清洗进行清洁，并放置在真空干燥箱中烘干备用。
所述微透镜阵列结构膜压制成型包括下述步骤：
S4：倒模，将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入烘干后的硬模板中，待静止后放入高温炉中加热至80℃时固化3h，固化完成后取出并脱模，得到PDMS材料的微透镜阵列结构膜。
所述结构膜与眼镜表面键合包括下述步骤：
S5：表面键合，将制备的PDMS材料的微透镜阵列结构膜贴合于干燥后的所述硬质模板表面。
实施例二
模具制作包括以下步骤：
S1：飞秒激光改性
选用K9玻璃样片依次进行酒精、去离子水超声水浴后，固定在飞秒激光机的x-y-z三维平移台上，接着将飞秒激光束通过聚焦物镜聚焦在所述K9玻璃样片表面，通过控制三维平移台的移动，实现对辐照点相邻距离以及排列方式的控制，并对所述K9玻璃样片实现飞秒激光辐照改性处理，成型模板样品。
S2：湿法刻蚀
将飞秒激光辐照后的所述模板样品放置到体积浓度为9％的氢氟酸溶液中，辅助超声水浴进行化学腐蚀，经过70min的HF湿法刻蚀后，模板表面形成了紧密排布的微透镜阵列，成型硬质模板。
S3：清洁干燥
将化学刻蚀处理后的所述硬质模板依次经过酒精、去离子水及超声水浴清洗进行清洁，并放置在真空干燥箱中烘干备用。
所述微透镜阵列结构膜压制成型包括下述步骤：
S4：倒模，优选采用PMMA预聚物，将固体PMMA颗粒溶解在丙酮溶液中，比例是4gPMMA溶于20mL的丙酮，将溶解好的液体均匀涂抹在载玻片上形成薄膜，等丙酮挥发后形成薄膜，然后将该薄膜放置于硬模板上，通过75℃高温加压(优选的，1*1cm的模板、2*2cm的PMMA薄膜，采用1kg的砝码加压)，以及保温2h的方式复制形成微透镜阵列。
所述结构膜与眼镜表面键合包括下述步骤：
S5：表面键合，将制备的PMMA材料的微透镜阵列结构膜贴合于干燥后的所述硬质模板表面。
实施例三
模具制作包括以下步骤：
S1：飞秒激光改性
选用K9玻璃样片依次进行酒精、去离子水超声水浴后，固定在飞秒激光机的x-y-z三维平移台上，接着将飞秒激光束通过聚焦物镜聚焦在所述K9玻璃样片表面，通过控制三维平移台的移动，实现对辐照点相邻距离以及排列方式的控制，并对所述K9玻璃样片实现飞秒激光辐照改性处理，成型模板样品。
S2：湿法刻蚀
将飞秒激光辐照后的所述模板样品放置到体积浓度为10％的氢氟酸溶液中，辅助超声水浴进行化学腐蚀，经过85min的HF湿法刻蚀后，模板表面形成了紧密排布的微透镜阵列，成型硬质模板。
S3：清洁干燥
将化学刻蚀处理后的所述硬质模板依次经过酒精、去离子水及超声水浴清洗进行清洁，并放置在真空干燥箱中烘干备用。
所述微透镜阵列结构膜压制成型包括下述步骤：
S4：倒模，将PDMS预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入烘干后的硬模板中，待静止后放入高温炉中加热至100℃时固化2h，固化完成后取出并脱模，得到PDMS材料的微透镜阵列结构膜。
所述结构膜与眼镜表面键合包括下述步骤：
S5：表面键合，将制备的PDMS材料的微透镜阵列结构膜贴合于干燥后的所述硬质模板表面。
实施例四
模具制作包括以下步骤：
S1：飞秒激光改性
选用石英依次进行酒精、去离子水超声水浴后，固定在飞秒激光机的x-y-z三维平移台上，接着将飞秒激光束通过聚焦物镜聚焦在所述石英表面，通过控制三维平移台的移动，实现对辐照点相邻距离以及排列方式的控制，并对所述石英实现飞秒激光辐照改性处理，成型模板样品。
S2：湿法刻蚀
将飞秒激光辐照后的所述模板样品放置到体积浓度为9％的氢氟酸溶液中，辅助超声水浴进行化学腐蚀，经过60min的HF湿法刻蚀后，模板表面形成了紧密排布的微透镜阵列，成型硬质模板。
S3：清洁干燥
将化学刻蚀处理后的所述硬质模板依次经过酒精、去离子水及超声水浴清洗进行清洁，并放置在真空干燥箱中烘干备用。
所述微透镜阵列结构膜压制成型包括下述步骤：
S4：倒模，将PMMA预聚物与固化剂按照10:1的比例混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入烘干后的硬模板中，待静止后放入高温炉中加热至90℃时固化2.5h，固化完成后取出并脱模，得到PMMA材料的微透镜阵列结构膜。
所述结构膜与眼镜表面键合包括下述步骤：
S5：表面键合，将制备的PMMA材料的微透镜阵列结构膜贴合于干燥后的所述硬质模板表面。优选的，也可以通过透明的胶黏剂将微透镜膜固定于眼镜表面。
本发明的原理是：采用飞秒激光湿法刻蚀技术在硬脆材料基底上制备出微透镜阵列；通过PDMS或PMMA复制技术倒模得到具有微凸透镜阵列的结构；接着将PDMS薄膜与镜片键合得到具有防近视效果的镜片，通过本发明公开的简易步骤制备的微透镜阵列的硬质材料模具，可以大批量复制出具有微凸透镜阵列的结构的PDMS或PMMA薄膜，然后将该PDMS或PMMA薄膜固定于眼镜表面，该方法操作简单、精度高、可以大批量生产，具有较低的成本从而适于推广应用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.仿蜂眼结构膜的模压制作方法，其特征在于，包括模具制作、微透镜阵列结构膜压制成型和微透镜阵列结构膜与眼镜表面键合，所述模具制作包括以下步骤：
S1：飞秒激光改性
选用硬质材料并将其依次进行酒精、去离子水及超声水浴清洁后固定在飞秒激光机的三维平移台上，接着将飞秒激光束通过聚焦物镜聚焦在所述硬质材料表面，通过控制三维平移台的移动，实现对辐照点相邻距离以及排列方式的控制，并对所述硬质材料实现飞秒激光辐照改性处理，成型模板样品；
S2：湿法刻蚀
将飞秒激光辐照后的所述模板样品放置到体积浓度为8％-10％的氢氟酸溶液中，辅助超声水浴进行化学腐蚀，经过50-90min的HF湿法刻蚀后，模板表面形成了紧密排布的微透镜阵列，成型硬质模板；
S3：清洁干燥
将化学刻蚀处理后的所述硬质模板依次经过酒精、去离子水及超声水浴清洗进行清洁，并放置在真空干燥箱中烘干备用；
所述微透镜阵列结构膜压制成型包括下述步骤：
S4：倒模，将预聚物与固化剂混合，抽干内部的气泡后，将其缓慢浸入烘干后的硬模板中，待静止后放入高温炉中加热至80-100℃时固化2h～3h，固化完成后取出并脱模，得到微透镜阵列结构膜；
所述结构膜与眼镜表面键合包括下述步骤：
S5：表面键合，将制备的微透镜阵列结构膜贴合于干燥后的所述硬质模板表面。
2.根据权利要求1所述的仿蜂眼结构膜的模压制作方法，其特征在于：在步骤S1中，所述硬质材料为K9玻璃样片或石英。
3.根据权利要求2所述的仿蜂眼结构膜的模压制作方法，其特征在于：在步骤S4中，所述预聚物为PDMS，其与固化剂按照10:1的比例混合。
4.根据权利要求1所述的仿蜂眼结构膜的模压制作方法制作的眼镜镜片，其特征在于：在眼镜镜片上键合有所述微透镜阵列结构膜。
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