CN115356793A - 一种聚合物微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚合物微透镜阵列及其制备方法，其中，本发明的聚合物微透镜阵列的制备方法可以在室温下通过复制模具的微观形貌和紫外线固化，在无需施加外部压力的条件下来实现快速制造无缺陷的聚合物微透镜阵列，单体溶液在毛细管力的作用下组织和形成图案，单体溶液被填充到模具型腔内并进行紫外线(UV)固化。本发明结构操作简单，微透镜阵列的制备容易，且制备的微透镜阵列表面较高。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件领域，尤其涉及一种聚合物微透镜阵列及其制备方法。
背景技术
随着光学、微光学和光电子技术的快速发展，微透镜阵列已经成为最普遍的微光学元件之一。其被广泛应用于太阳能电池和有机发光显示器(OLED)以提高亮度和发光效率、用于光通信***以提高耦合效率、以及应用于Hartmann-Shack(H-S)波前传感器和CMOS成像传感器以提高图像输出和灵敏度。此外，它可以扩展到生物医学领域，例如内窥镜在细胞成像和组织工程中的应用。为了满足光学***的要求或提高其效率和性能，具有多种几何形状(例如球形、圆柱形、曲面和六角形)的微透镜阵列对于突破下一代微光学器件的挑战至关重要。
针对微透镜阵列不断增长的应用需求，引入了各种制造技术，包括超精密加工、光刻、飞秒激光辅助的湿法蚀刻、机械加工、喷墨打印、精密热成型、热回流等。然而，上述微透镜阵列制造技术大多十分复杂且昂贵，不利于大规模生产。此外，上述工艺制造的微透镜表面往往具有意外缺陷，这些缺陷会显著降低微透镜在调制入射波前相位和重建全息图像方面的性能。下面是采用已有工艺技术制造的微透镜阵列中的缺陷和问题的例子：采用电子束、聚焦离子束和激光直写等技术生成微透镜阵列的成本高、量产耗时且表面质量差；依靠超精密机床等技术(包括单点金刚石车削)加工出来的微透镜阵列，其精度取决于纳米范围内的刀具尖端几何形状和尖端分辨率，生产效率低，设备成本高；精密热成型技术必须在高于光学材料玻璃转化温度的区域进行，会导致光学材料与模具之间的粘附，使得微透镜阵列的表面质量较差，并容易损坏模具表面。
在现有的设计方案中，微透镜阵列的制备复杂，且制备出的微透镜阵列精度较低。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种聚合物微透镜阵列及其制备方法，旨在解决现有的微透镜阵列制备复杂且表面质量较低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，包括步骤：
制备模具；其中，所述模具设置有型腔；
在室温下采用单体溶液填充至所述模具的型腔；
将所述单体溶液进行紫外线固化，得到带有凸起结构的固化层；
将所述固化层从所述模具去除，得到所述微透镜阵列。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述型腔包括多个阵列分布的凹槽以及连接多个所述凹槽的连接槽；所述模具的材料为聚合物树脂或金属；
所述制备模具包括：
提供一基板，采用激光在所述基板上刻蚀出所述凹槽；
采用激光在所述凹槽底侧刻蚀出多个所述连接槽，得到模板。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述单体溶液为光敏单体溶液；所述在室温下采用单体溶液填充至所述模具的型腔，包括：
将所述光敏单体溶液倾倒至所述模具上，以使所述光敏单体溶液通过毛细管作用充满所述型腔。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述固化层包括衔接结构和凸起结构，所述模具一侧设有紫外线固化***，所述紫外线固化***与所述型腔相对设置，所述衔接结构和所述凸起结构连接；
所述将所述单体溶液进行紫外线固化，得到带有凸起结构的固化层，包括：
确定所述紫外线固化***的位置；
根据所述紫外线固化***的位置，控制所述紫外线固化***在预设时间内对所述单体溶液进行固化，得到衔接结构以及与所述衔接结构连接的凸起结构。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述微透镜阵列包括基底层以及与所述基底层连接的多个透镜元件，多个所述透镜元件呈阵列排布；
所述将所述固化层从所述模具去除，得到所述微透镜阵列包括：
将所述衔接结构和所述凸起结构从所述模具结构上去除，得到基底层和所述透镜元件。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述提供一基板，采用激光在所述基板上刻蚀出所述凹槽之前，还包括：
确定所述透镜元件的形状尺寸和数量；
根据所述透镜元件的形状尺寸和数量，确定所述凹槽的形状尺寸以及所述连接槽的形状尺寸和数量。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述单体溶液的粘度在1000厘帕·秒以上。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述透镜元件为凸形或凹形，所述透镜元件截面为圆形或六角形。
所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其中，所述透镜元件截面为圆形，所述透镜元件的尺寸范围为20微米至600微米。
一种聚合物微透镜阵列，其中，采用如上述中任一所述的聚合物微透镜阵列的制备方法制备得到。
有益效果：本发明的聚合物微透镜阵列的制备方法可以在室温下通过复制模具的微观形貌和紫外线固化，在无需施加外部压力的条件下来实现快速制造无缺陷的聚合物微透镜阵列，单体溶液在毛细管力的作用下组织和形成图案，单体溶液被填充到模具型腔内并进行紫外线(UV)固化。本发明结构操作简单，微透镜阵列的制备容易，且制备的微透镜阵列表面质量较高。
附图说明
图1为本发明的聚合物微透镜阵列的制备方法流程图。
图2为本发明的聚合物微透镜阵列为圆形正透镜元件的俯视图。
图3为本发明的图2中圆形正透镜元件的截面图。
图4为本发明的聚合物微透镜阵列为六角形正透镜元件的俯视图。
图5为本发明的图4中六角形正透镜元件的截面图。
图6为本发明的微透镜阵列的表面质量与单体溶液粘度关系的曲面图。
附图标记说明：
1、模具；2、单体溶液；3、紫外线固化***；4、微透镜阵列；5、透镜元件；6a、入射光线；6b、射出光线。
具体实施方式
本发明提供一种聚合物微透镜阵列及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
针对微透镜阵列不断增长的应用需求，引入了各种制造技术，包括超精密加工、光刻、飞秒激光辅助的湿法蚀刻、机械加工、喷墨打印、精密热成型、热回流等。然而，上述微透镜阵列制造技术大多十分复杂且昂贵，不利于大规模生产。此外，上述工艺制造的微透镜表面往往具有意外缺陷，这些缺陷会显著降低微透镜在调制入射波前相位和重建全息图像方面的性能。下面是采用已有工艺技术制造的微透镜阵列中的缺陷和问题的例子：采用电子束、聚焦离子束和激光直写等技术生成微透镜阵列的成本高、量产耗时且表面质量差；依靠超精密机床等技术(包括单点金刚石车削)加工出来的微透镜阵列，其精度取决于纳米范围内的刀具尖端几何形状和尖端分辨率，生产效率低，设备成本高；精密热成型技术必须在高于光学材料玻璃转化温度的区域进行，会导致光学材料与模具之间的粘附，使得微透镜阵列的表面质量较差，并容易损坏模具表面。
在现有的设计方案中，微透镜阵列的制备复杂，导致生产效率低下、生产成本较高，并且制备出的微透镜阵列精度较低。
如本文所用，术语“微透镜”是指尺寸(例如直径)在大约0.1微米至大约1000微米范围内的透镜。术语“直径”对应最大的横截面尺寸。
为了解决上述问题，本发明提供了一种聚合物微透镜阵列的制备方法，能够可以在室温下通过复制模具的微观形貌和紫外线(UV)固化，在无需施加外部压力的条件下来实现快速制造无缺陷的聚合物微透镜阵列。
如图1至图4所示，所述微透镜阵列4包括基底层以及与所述基底层连接的多个透镜元件5，多个所述透镜元件5呈阵列排布。
如图1所示，聚合物微透镜阵列的制备装置包括：
模具1，所述模具1上设置有型腔；
紫外线固化***3，位于所述模具1的一侧，所述紫外线固化***3与所述型腔相对设置。
具体地，模具1的型腔包括多个阵列分布的凹槽以及连接多个所述凹槽的连接槽，连接槽位于靠近紫外线固化***3的一侧，凹槽位于背离紫外线固化***3的一侧。
进一步地，所述连接槽的数量为一个，凹槽的数量为25个，且25个凹槽呈行数列数均为5的矩形阵列排布；连接槽呈矩形状，每个凹槽槽呈大小相同的圆形。
所述模具的材料为聚合物树脂或金属。进一步可设置为双组分RTV硅橡胶、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯。
在一些实现方式中，微透镜阵列4是一个N×M的阵列，N和M分别为是微透镜阵列4的行数和列数，每个透镜元件5有一个直径W1和一个厚度d1。每个透镜尺寸的增加或减少、以及阵列的数量都可以通过改变模具的微型腔来定制。图1或图2所示单个透镜是圆形的，但是它可以通过修改模具型腔的特征来定制各种几何形状和尺寸的微透镜阵列。
具体地，透镜元件5横截面呈圆形，且为行数列数均为5的矩形阵列排布，基底层呈矩形状，基底层将多个透镜元件5连接于一体，尺寸大小也就是每个透镜元件的直径为W1、且厚度为d1。
在一些实现方式中，如图3或图5所示，所述透镜元件5为凸形或凹形。本实施例制备的透镜元件5为凸形(也就是圆形正透镜元件5)，透镜元件5可以根据微透镜阵列4的要求产生各种形状，每个凸透镜元件5可用于将入射光线6a导向一个焦点，射出光线如6b所示。这样，微透镜阵列4可以单独将N×M不同的光线投射到不同的焦点上。
在一些实现方式中，如图2或5所示，所述透镜元件5截面为圆形或六角形。具体地，微透镜阵列4呈球形、圆柱形、曲面或六角形中的一种。
所述透镜元件为凸面或凹面，所述透镜元件截面为圆形，所述透镜元件的尺寸范围为20微米至600微米，具体透镜元件的直径可为26μm、46μm、100μm、150μm、300μm。
如图1所示，聚合物微透镜阵列的制备方法基于上述微透镜阵列(并不是其他产品均通用的方法)，所述方法包括步骤：
步骤S100、制备模具；其中，所述模具设置有型腔。
所述步骤S100具体包括：
步骤S110、确定所述透镜元件的形状尺寸和数量；
步骤S120、根据所述透镜元件的形状尺寸和数量，确定所述凹槽的形状尺寸以及所述连接槽的形状尺寸和数量；
步骤S130、提供一基板(硅基板)，采用激光在所述基板上刻蚀出所述凹槽；
步骤S140、采用激光在所述凹槽底侧刻蚀出多个所述连接槽，得到模板。
具体地，透镜元件5的形状包括圆形或六角形，尺寸包括透镜元件直径和厚度，以及基底层的边长和厚度，从而在误差范围内设计模具上型腔(包括凹槽和多个连接槽)的形状尺寸和数量，进而通过激光在基板上刻蚀凹槽和连接槽，生成具有目标几何形状的模具。
所述步骤S100还包括：
根据微透镜阵列所需的光学特性，确定所述透镜元件的形状尺寸和数量。具体地，根据特定应用所需的光学特性，预先设计合适的模具型腔和几何形状，实现控制单个透镜的几何形状和尺寸。
需要说明的是，模拟制造不同尺寸和形状的微透镜阵列4的关键在于单体溶液在毛细管力的作用下组织和形成图案，通过毛细管作用，光敏单体溶液被填充到模具1的型腔内并进行紫外线(UV)固化，本发明采用的聚合物微透镜的制备装置结构新颖而简单，在几何形状和尺寸方面具有广阔的微透镜阵列制造范围，可以根据实际需求控制光学特性，如凹凸阵列以保证表面质量。通过本发明制备微透镜阵列，能够提高生产效率，且方法简单、无需昂贵的设备。
本发明中具有微观特征的模具，能够满足微透镜阵列的光学特性，这种微观特征充当负透镜阵列，通过在模具中使用各种尺寸和形状的微型腔，可定制具有多种几何形状和尺寸的微透镜阵列。同时，模具在加工过程中不会损坏，可重复用于批量生产。
步骤S200、在室温下采用单体溶液填充至所述模具的型腔。
所述单体溶液为光敏单体溶液。
如本文所用，术语“毛细管作用”是指：毛细管中能使与其管壁润湿或非润湿的液体自然上升或下降的作用力。此力指向液体凹面所朝向的方向，其大小与该液体的表面张力成正比，与毛管半径成反比。在地层毛细孔隙中常表现为两相不混溶液体(如油和水)弯曲界面两侧的压力差。
由于未经干燥的水性颜料滤饼具有复杂的微观结构，当颜料粒子被油相包围时，接触角小于90°，可以发生浸润作用，这时粒子内部的毛细管孔径与毛细管压力差有关，毛细管越细，溶剂的浸润力就越大，但由于毛细管不均匀，规则性差，使粒子在油相的各个不同区域的浸透速率不同，以致水在被油完全取代之前已被油包围住，造成少量的水不能彻底地被取代，而残留在粒子内部；但是毛细管作用总的趋势是有助于颜料分子向油相转移，只要颜料粒子有一定的亲油性，在搅拌作用下，油相会自发地在聚集粒子表面上润湿，并使其在油相中逐渐解体，最终使油进入颜料粒子内部，并将水排出。
所述步骤S200具体包括：
步骤S210、将所述单体溶液倾倒至所述模具上，以使所述单体溶液通过毛细管作用充满所述型腔。
所述型腔底壁(内壁)上设有毛细结构，毛细结构与单体溶液接触具有毛细管作用，通过所述毛细结构能使倾倒在型腔的光敏单体溶液自然下降，从而使光敏单体溶液浸润整个型腔，单体溶液下表面和上表面均呈圆润弧面。
如本文所用，术语“单体溶液”(光敏单体溶液)是指可与同种或他种分子通过共价键连接生成聚合物的小分子溶液。与其他现有的技术相比，本发明的微透镜阵列的表面质量好的原因主要是可通过调控单体溶液的性能，获得高于模具本身表面质量(如：粗糙度)的微透镜阵列。
如图1所示，将单体溶液2通过毛细管作用填充模具型腔，根据要求制造不同尺寸和几何形状的凹面或凸面透镜阵列。
所述步骤S210包括：
步骤S211、确定单体溶液的粘度。
不同粘度的单体溶液通过毛细管作用填充模具型腔，从而产生具有不同几何形状的模具型腔。这种简单的技术适用于针对特定应用设计和制造不同类型的微透镜阵列，如球形、六角形、圆柱形等。
需要注意，将单体溶液倾倒至模具1，此过程在室温下进行，且无需施加压力；单体溶液的物理性质，如粘度和毛细管作用对微透镜阵列表面质量的影响，可以在单一制造工艺中用作通用型单体溶液，不限于一种特定的复制模具，而可以应用于多种几何形状和尺寸的模具型腔。
步骤S300、将所述单体溶液进行紫外线固化，得到带有凸起结构的固化层。
在一些实现方式中，所述固化层包括衔接结构和凸起结构，所述模具一侧设有紫外线固化***，所述紫外线固化***与所述型腔相对设置，所述衔接结构和所述凸起结构连接。
本发明无需昂贵的加工工艺和专精技能人工。结合微复制和紫外线(UV)耦合工艺，生产一种通用的具有凹凸几何形状和尺寸的微透镜阵列，从而降低微透镜阵列制备的复杂性。
所述步骤S300具体包括：
步骤S310、确定所述紫外线固化***的位置；
步骤S320、根据所述紫外线固化***的位置，控制所述紫外线固化***在预设时间内对所述单体溶液进行固化，得到衔接结构以及与所述衔接结构连接的凸起结构。
具体地，所述步骤S310还包括：
步骤S311、确定所述紫外线固化***的波长。
具体地，单体溶液2通过毛细管作用完全充满型腔，并通过适当波长的紫外线固化***3进行固化，最终得到类似于聚合物微透镜阵列的固化层。
需要注意，特定的紫外线(UV)固化***，它被设置在一个恰当的距离，以适当的强度在很短的时间内固化单体溶液2；复制模具的表面质量决定微透镜阵列的表面质量，因此采用紫外线(UV)聚合制造技术；通过毛细管作用填充模具型腔，紫外线(UV)聚合技术控制微透镜阵列的几何形状和尺寸，针对单体溶液使用特定的紫外线(UV)固化***。
步骤S400、将所述固化层从所述模具去除，得到所述微透镜阵列。
所述步骤S400具体包括：
步骤S410、将所述衔接结构和所述凸起结构从所述模具结构上去除，得到基底层和所述透镜元件。
本发明所述的制备方法进行制备的微透镜阵列4是由简单、直接和具有成本效益的制造技术产生的，与传统技术制造的微透镜阵列相比，微透镜阵列4的制备效率高、制备简易，且可以产生更好的、无缺陷的表面质量。
在一些实现方式中，所述单体溶液的粘度在1000厘帕·秒以上。
具体地，所述单体溶液的粘度在1500厘帕·秒(cps)以上，且在3000厘帕·秒以下。较佳的，单体溶液的粘度为1700厘帕·秒。
需要说明的是，聚合物透镜的表面质量受单体溶液粘度的影响，如图6所示；透镜阵列的几何形状和尺寸可通过模具型腔进行调整实现任意改变，以具有不同粘度的单体溶液为例，图6为生成的微透镜阵列的表面质量与单体溶液的粘度的函数关系。
本发明的制备方法简单直接、高精度、高生产率，可以有效地简化无缺陷聚合物微透镜阵列的制造工艺，降低制造成本；通过结合模具复制和紫外线(UV)聚合技术，实现快速制造易于定制的具有凹凸几何形状的微透镜阵列，实现无缺陷微透镜阵列的大规模生产，提高了无缺陷结构和多种尺寸的生产效率，满足日益增长的小型化光电设备的应用需求，从而对具有高成本效益的聚合物微复制工艺对微透镜阵列的制造起着重要作用。更具体地说，本发明技术在室温下进行，且无需施加压力。此外，本发明适用于大多数具有低粘度的聚合物，母模可以多次使用，无需进一步加工。
综上所述，本发明提供了一种聚合物微透镜阵列及其制备方法，其中，本发明的聚合物微透镜阵列的制备方法可以在室温下通过复制模具的微观形貌和紫外线固化，在无需施加外部压力的条件下来实现快速制造无缺陷的聚合物微透镜阵列，单体溶液在毛细管力的作用下组织和形成图案，单体溶液被填充到模具型腔内并进行紫外线(UV)固化。本发明结构操作简单，微透镜阵列的制备容易，且制备的微透镜阵列表面较高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括步骤：
制备模具；其中，所述模具设置有型腔；
在室温下采用单体溶液填充至所述模具的型腔；其中，所述单体溶液在所述型腔内壁上具有毛细管作用；
将所述单体溶液进行紫外线固化，得到带有凸起结构的固化层；
将所述固化层从所述模具去除，得到所述微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述型腔包括多个阵列分布的凹槽以及连接多个所述凹槽的连接槽；所述模具的材料为聚合物树脂或金属；
所述制备模具包括：
提供一基板，采用激光在所述基板上刻蚀出所述凹槽；
采用激光在所述凹槽底侧刻蚀出多个所述连接槽，得到模板。
3.根据权利要求1所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述单体溶液为光敏单体溶液；
在室温下所述采用单体溶液填充至所述模具的型腔，包括：
将所述光敏单体溶液倾倒至所述模具上，以使所述光敏单体溶液通过毛细管作用充满所述型腔。
4.根据权利要求3所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述固化层包括衔接结构和凸起结构，所述模具一侧设有紫外线固化***，所述紫外线固化***与所述型腔相对设置，所述衔接结构和所述凸起结构连接；
所述将所述单体溶液进行紫外线固化，得到带有凸起结构的固化层，包括：
确定所述紫外线固化***的位置；
根据所述紫外线固化***的位置，控制所述紫外线固化***在预设时间内对所述单体溶液进行固化，得到衔接结构以及与所述衔接结构连接的凸起结构。
5.根据权利要求4所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述微透镜阵列包括基底层以及与所述基底层连接的多个透镜元件，多个所述透镜元件呈阵列排布；
所述将所述固化层从所述模具去除，得到所述微透镜阵列包括：
将所述衔接结构和所述凸起结构从所述模具结构上去除，得到基底层和所述透镜元件。
6.根据权利要求5所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述提供一基板，采用激光在所述基板上刻蚀出所述凹槽之前，还包括：
确定所述透镜元件的形状尺寸和数量；
根据所述透镜元件的形状尺寸和数量，确定所述凹槽的形状尺寸以及所述连接槽的形状尺寸和数量。
7.根据权利要求3所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述单体溶液的粘度在1000厘帕·秒以上。
8.根据权利要求5所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述透镜元件为凸形或凹形，所述透镜元件截面为圆形或六角形。
9.根据权利要求8所述的聚合物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述透镜元件截面为圆形，所述透镜元件的尺寸范围为20微米至600微米。
10.一种聚合物微透镜阵列，其特征在于，采用如权利要求1至9任一所述的聚合物微透镜阵列的制备方法制备得到。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202211018704.2A CN115356793A (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 一种聚合物微透镜阵列及其制备方法 |
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Publications (1)
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| CN115356793A true CN115356793A (zh) | 2022-11-18 |
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Country Status (1)
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2022
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