CN101339364B - 软模压印制造微透镜阵列的方法 - Google Patents

Abstract

一种软模压印制造微透镜阵列的方法，利用传统的光刻胶热熔方法制造母微透镜阵列，利用聚二甲基硅氧烷作为微透镜模具，采用压印方法将微透镜阵列图形转移到玻璃基板上的紫外胶上。本发明具有工艺简单、成本低、可以大批量生产的优点。

Description

软模压印制造微透镜阵列的方法

技术领域

本发明涉及微透镜阵列，特别是一种软模压印制造微透镜阵列的方法。

背景技术

微透镜阵列是一种目前使用十分广泛的微光学元件，它是一系列孔径在几个微米至几百个微米的微小型透镜按一定排列组成的阵列，广泛的应用于光束整形，光学器件互连，光信息处理、三维成像等领域。

目前，用于制作微透镜阵列的方法主要有光刻胶热熔法、光敏玻璃法、离子交换法，反应离子刻蚀法。

光刻胶热熔法就是以光致抗蚀剂为材料，采用光刻，腐蚀的方法使材料成为一个个圆柱体，然后用烘烤加热的方法，使其溶解，依靠表面张力，冷却后最终成为球冠状的微透镜。该方法的优点是工艺简单，制作容易，成本低。但是光致抗蚀剂本事具有一定的颜色，这种方法制造的微透镜阵列光能损耗大，波长依赖性大，而且材料的熔点较高，需要较高的烘烤温度。

光敏玻璃热成型法是用紫外辐射曝光来调制光敏玻璃材料，就是用紫外线通过掩模对其曝光，在将材料加热到软化点，材料发生膨胀。然后对光敏玻璃两侧施加压力，由于光敏玻璃被曝光的部分的密度与硬度远大于未曝光的部分，在挤压过程中未曝光的部分会高出表面，在表面张力的作用下，突出的表面变成球形，从而形成透镜的形状。这种方法的缺点是必须使用特殊的玻璃，且较难改变透镜焦距等参数。

离子交换方法就是在高温装有某种熔盐的容器中，金属离子由外及里扩散到玻璃介质中去，并且置换出玻璃介质的一些离子，在玻璃表面附近形成折射率梯度，其性能类似于小透镜。这种方法制作出的微透镜阵列比较坚固。这种方法的缺点是制作周期长，需要高温。

反应离子刻蚀方法首先用光刻胶热熔法在光刻胶上制作微透镜阵列，然后把样品暴露在精确控制的反应离子中，光刻胶和基底材料都受到刻蚀，光刻胶上的微透镜图形被转移到基底材料中，从而在基底上形成微透镜阵列。这种方法的缺点是必须精确控制基底材料和光刻胶的刻蚀速率，工艺较难控制，而且由于光刻胶和基底材料的刻蚀速率不一样，光刻胶图形并不能完全转移到基底中去。

以上所述的各种微透镜阵列制作方法，对于微透镜的小批量制作较为合适，但如果需要大批量生产微透镜阵列，以上方法就不太方便，而且成本高，总的生产过程复杂，产品均匀性难以保证。因此发展低成本、工艺简单、能够大批量生产的微透镜制作工艺非常重要。

发明内容

本发明是的目的是在于克服上述现有技术的不足，提供一种软模压印制造微透镜阵列的方法，该方法具有工艺简单、成本低、制造周期短和可以大批量生产等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种软模压印制造微透镜阵列的方法，其特点是该方法利用传统的光刻胶热熔方法制造母微透镜阵列，利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为微透镜模具，采用压印方法将微透镜阵列图形转移到玻璃基板上的紫外胶上。

一种软模压印制造微透镜阵列的方法，包括下列步骤：

①在一基片上旋涂一层光刻胶，将具有微透镜阵列分布的透光板覆盖在所述的光刻胶上，通过光刻的方法在基片上得到阵列分布的圆柱形微结构；

②将所述的基片置于在一平板上加热，使光刻胶的温度达到熔化温度以上并持续一段时间，由于表面张力的作用，每一个圆柱形光刻胶各自收缩成球冠结构；

③冷却到室温，得到母微透镜阵列基片；

④将所述的母微透镜阵列基片放入一个塑料培养皿中并使微透镜阵列面朝上，将混合好的聚二甲基硅氧烷，以下简称为PDMS，倒入所述的培养皿中，PDMS薄膜的厚度控制在3～5mm；

⑤热固化PDMS薄膜：固化温度在25℃到100℃之间，PDMS薄膜完全固化后，沿着一个方向用镊子从一侧揭起所述的PDMS薄模，使其和母微透镜阵列基片分离，得到一个和原微透镜阵列表面形貌相反的PDMS模具；

⑥将玻璃基板置于平台上，在该玻璃基板的表面滴放紫外胶，选用的紫外胶应是一种无色透明的液体，粘滞系数应小于500厘泊，有好的流动性，邵氏硬度D大于70，将所述的PDMS模具朝下垂直轻压在紫外胶的表面，让其在玻璃基板上自然静止5分钟以上，利用所述的PDMS模具本身重力和毛细效应，使所述的紫外胶完全充满PDMS的沟槽；

⑦将所述的玻璃基板连同PDMS模具移到紫外灯下，用紫外光下固化所述的紫外胶，移动时放在平台上，不要让两者之间产生位移；固化时间取决于选用的紫外灯能量和光敏聚合物类型与使用量；

⑧固化完全后沿着一个方向从一侧揭起所述的PDMS模具，使其和紫外胶分离，即在玻璃基板上的紫外胶上形成微透镜阵列图形，获得所需要的玻璃基板微透镜阵列。

所述的基片是硅或者玻璃制成的。

本发明所采用的工艺条件主要特点有以下几点：

第一、所用的母微透镜阵列采用传统的光刻胶热熔法制造，整个工艺过程中只需要一次热熔工艺。采用PDMS制作微透镜阵列模具，PDMS比较容易和光刻胶材料分离，制作PDMS模具时工艺容易控制，而且制备PDMS模具时不会对母微透镜阵列产生损坏，母微透镜阵列可以多次使用。

第二、微透镜阵列图形通过压印的方法转移到玻璃基板上的紫外胶上，由于紫外胶的折射率和玻璃非常接近，而且无色、透明，具有良好的光学性能，所以制得的微透镜阵列具有非常好的光学性能。这就避免了光刻胶热熔法由于光刻胶颜色引起的光学性能的改变。

第三、采用玻璃作为基底材料，利用紫外胶和玻璃很强的粘着力以及玻璃很高的硬度，便于微透镜阵列的使用。

第四、PDMS模具可以多次使用，使用50次以上不见损坏，具有成本低、可以大批量生产的优点。

因此，本发明方法具有工艺简单、成本低、制造周期短和可以大批量生产等优点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。采用软模压印法制造微透镜阵列，第一步要用光刻胶热熔法制作一个母微透镜阵列。首先在干净的玻璃基片上采用旋涂的方式均匀的涂一层光刻胶(shiplay1818，或者shiplay1805等)；然后通过曝光、显影，在基片上得到圆柱形的微结构；最后在热平板上将基片在130℃时加热10分钟，取下基片，待其冷却后即可得到母微透镜阵列。

第二步是用压印的方法将微透镜阵列图形转移到紫外胶上。首先要制作一个有机硅橡胶模具：我们利用聚二甲基硅氧烷(PDMS，Sylgard184，Dow Coring)来制作模具，先把主剂和固化剂按照重量比为10：1的比例混合，搅拌均匀，如果产生气泡则需要经过真空脱泡处理，真空脱泡的时间取决于搅拌过程中混入的气泡量；脱泡完成后把PDMS均匀的涂覆在母微透镜阵列的表面，然后室温固化48小时或者高温固化，高温固化可以减少固化时间，我们在25℃下固化48个小时，60℃下固化4小时，90℃下固化90分钟，都可以有好的固化效果。PDMS完全固化后，从一个方向上用镊子揭起PDMS模具，PDMS模具和母微透镜阵列可以很容易地分离。

得到PDMS模具后就可以把微透镜阵列图形转移到紫外胶上，我们使用的是低粘度系数的紫外胶NOA61(Norland)，粘度系数为300厘泊，硬度为85，也可使用NOA60、OG146、OG169(Epotek)等。先在干净的玻璃基片上滴一滴NOA61，把PDMS模具垂直压印在NOA61胶的上面，然后室温下静止放置5分钟，这有助于去除压印时产生的气泡，待紫外胶完全填充满模具的空隙后放在70瓦的汞灯下固化，固化时间为20分钟，当NOA61紫外胶完全固化后就可以容易地分离PDMS模具，得到最终的微透镜阵列。

经过扫描电镜测试制得的微透镜阵列，表明：图形分布均匀，压印复制微透镜阵列的焦距为36μm，和理论计算值基本一致。

采用软模压印技术制造折射型微透镜阵列有其独特的优点。其一，采用传统的光刻胶热熔方法制作母微透镜阵列；其二，微透镜图像转移过程中不需要高温高压的条件，造价低；其三、紫外胶的折射率和玻璃的折射率非常接近，而且紫外胶和玻璃有很好的粘结性；其四、紫外胶NOA61是一种透明、无色、具有极好透光性的光学粘合剂，避免了光刻胶由于有颜色而引起的吸收和像差；其五、制作周期短，紫外胶的固化时间短，通常几分钟的时间就能固化完全。总之，压印技术制造微透镜阵列具有精度高、工艺简单、造价低、可以大规模制造等优点，在微透镜的制造中有很重要的应用。特别是本发明的利用紫外压印技术转移微透镜阵列图形，充分利用了PDMS模具分辨率高、制作简单和紫外胶有良好的光学性能、固化速度快、折射率和玻璃的折射率接近等优点，可以大批量、低成本的生产。制成的折射型微透镜阵列性能稳定、可靠，是实现微透镜阵列大规模生产的一条重要途径。

Claims (3)

1.一种软模压印制造微透镜阵列的方法，其特征在于该方法利用传统的光刻胶热熔方法制造母微透镜阵列基片，将聚二甲基硅氧烷，以下简称为PDMS，均匀地涂覆在母微透镜阵列基片的表面，对其热固化得到PDMS模具，用PDMS模具压印滴有紫外胶的玻璃基板，固化后得到所需要的玻璃基板微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的软模压印制造微透镜阵列的方法，其特征在于包括下列步骤：

①在一基片上旋涂一层光刻胶，将具有微透镜阵列分布的透光板覆盖在所述的光刻胶上，通过光刻的方法在基片上得到阵列分布的圆柱形微结构；

②将所述的基片置于在一平板上加热，使光刻胶的温度达到熔化温度以上并持续一段时间，由于表面张力的作用，每一个圆柱形光刻胶各自收缩成球冠结构；

③冷却到室温，得到母微透镜阵列基片；

④将所述的母微透镜阵列基片放入一个塑料培养皿中并使母微透镜阵列面基片朝上，将聚二甲基硅氧烷，以下简称为PDMS，倒入所述的培养皿中，PDMS薄膜的厚度控制在3～5mm；

⑤热固化PDMS薄膜：固化温度在25℃到100℃之间，PDMS薄膜完全固化后，沿着一个方向用镊子从一侧揭起所述的PDMS薄膜，使其和母微透镜阵列基片分离，得到一个和母微透镜阵列基片表面形貌相反的PDMS模具；

⑥将玻璃基板置于平台上，在该玻璃基板的表面滴放紫外胶，选用的紫外胶应是一种无色透明的液体，粘滞系数应小于500厘泊，有好的流动性，邵氏硬度D大于70，将所述的PDMS模具朝下垂直轻压在紫外胶的表面，让其在玻璃基板上自然静止5分钟以上，利用所述的PDMS模具本身重力和毛细效应，使所述的紫外胶完全充满PDMS模具的沟槽；

⑦将所述的玻璃基板连同PDMS模具移到紫外灯下，用紫外光固化所述的紫外胶，移动时放在平台上，不要让两者之间产生位移；固化时间取决于选用的紫外灯能量和紫外胶的使用量；

⑧固化完全后沿着一个方向从一侧揭起所述的PDMS模具，使其和紫外胶分离，即在玻璃基板上的紫外胶上形成微透镜阵列图形，获得所需要的玻璃基板微透镜阵列。

3.根据权利要求2所述的软模压印制造微透镜阵列的方法，其特征在于所述的基片是硅或者玻璃制成的。