一種聚合物微透鏡陣列的制備方法
【專利摘要】一種聚合物微透鏡陣列的制備方法，涉及微機械加工領域，解決了現(xiàn)有熱壓成型法存在的周期長、成本高、效率低、微透鏡尺寸精度及形貌不易保證的問題。該方法為在硅基底表面形成圖形化光刻膠掩膜；干法刻蝕出微孔陣列；將聚二甲基硅氧烷薄膜均勻覆蓋在微孔陣列上，將微孔陣列與腔體密封相連，調(diào)節(jié)腔體壓力改變聚二甲基硅氧烷薄膜的球冠狀形變，保持壓力恒定；在聚二甲基硅氧烷薄膜上澆鑄光敏膠，經(jīng)紫外固化脫模得光敏膠凸模；將聚二甲基硅氧烷預聚物與固化劑混合物倒入光敏膠凸模中加熱固化得聚二甲基硅氧烷凹模；用凹模熱壓聚碳酸酯基材脫模后得聚碳酸酯基微透鏡陣列。本發(fā)明操作簡單，效率高，成本低，誤差小，重復性好，無損脫模適于批量化生產(chǎn)。
【專利說明】一種聚合物微透鏡陣列的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微機械加工【技術領域】，具體涉及一種聚合物微透鏡陣列的制備方法?！颈尘凹夹g】
[0002]微透鏡陣列是一系列直徑在幾個微米到幾百個毫米的微小型透鏡按一定排列組成的陣列。微透鏡陣列作為重要的微光學器件，被廣泛應用于光通信、光存儲和數(shù)字顯示等領域。在焦平面集光、激光準直、大面陣顯示、光效率增強、光計算、光互聯(lián)及微型掃描等方面的應用越來越廣泛。目前，工業(yè)領域中使用的微透鏡陣列大多屬石英或玻璃材質(zhì)，其加工工藝多采用刻蝕工藝，而刻蝕工藝所用設備昂貴，工藝流程復雜，最終導致微透鏡陣列的價格十分昂貴，極大的影響了微透鏡陣列在各領域的應用。
[0003]由于聚合物材料優(yōu)異的光學性能，低廉的成本，以及光學系統(tǒng)小型化，集成化的發(fā)展需求，促進了聚合物材料在光學系統(tǒng)中的迅速應用，使其逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料用于多種光學器件的制作。最近幾年，聚合物微透鏡陣列已經(jīng)廣泛應用于光通信和光電子等領域中，如用于聚光到陣列檢測器以及用于平板顯示的照明等。用于聚合物微透鏡陣列的制造方法主要有:光刻膠回流法、激光直寫法、刻蝕法、微噴印法和熱壓成型法等。其中熱壓成型法采用聚合物復制技術，加工效率高，更適合大批量生產(chǎn)。
[0004]熱壓成型法是一種直接將模具圖形轉移到聚合物襯底材料上的方法。所用模具一般為金屬材質(zhì)，通過光刻和電鑄等微加工工藝制得，制作周期長，加工成本高，且光學微透鏡的尺寸精度及形貌不易保證。如需改變微透鏡的曲率，則需重新制作模具，使制造成本進一步升高。另外，透鏡的材料和形貌直接決定著透鏡的功能，采用金屬模具熱壓后脫模的粘附問題會嚴重影響透鏡的形貌，從而影響其光學性能。如果粘附問題嚴重的話還會損毀模具，這嚴重影響了微透鏡陣列的制作效率，并使制作成本大大升高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有熱壓成型法存在的制作周期長、加工成本高、效率低、光學微透鏡的尺寸精度及形貌不易保證問題，本發(fā)明提供一種聚合物微透鏡陣列的制備方法。
[0006]本發(fā)明為解決技術問題所采用的技術方案如下:
[0007]本發(fā)明的一種聚合物微透鏡陣列的制備方法，包括以下步驟實現(xiàn):
[0008]步驟一、采用光刻法在硅片基底表面形成帶有微透鏡陣列圖形的光刻膠掩膜；
[0009]步驟二、采用干法刻蝕以上微透鏡陣列圖形，在硅片基底上刻蝕出直徑與微透鏡直徑相同的微孔陣列；
[0010]步驟三、將聚二甲基硅氧烷薄膜均勻覆蓋在微孔陣列表面，再將微孔陣列與腔體密封相連，調(diào)節(jié)腔體內(nèi)的負壓改變聚二甲基硅氧烷薄膜在微孔處的球冠狀形變曲率，滿足要求后，保持腔體內(nèi)的壓力恒定；
[0011]步驟四、在形變后的聚二甲基硅氧烷薄膜上澆鑄光敏膠，經(jīng)紫外固化脫模后得到光敏膠凸模；[0012]步驟五、將聚二甲基硅氧烷預聚物與固化劑混合后的聚二甲基硅氧烷混合物倒入光敏膠凸模中，經(jīng)加熱固化后得到聚二甲基硅氧烷凹模；
[0013]步驟六、利用聚二甲基硅氧烷凹模熱壓聚碳酸酯基材，經(jīng)脫模后得到聚碳酸酯基微透鏡陣列。
[0014]步驟五中，所述聚二甲基硅氧烷預聚物與固化劑按照質(zhì)量比為10:1的比例混合。
[0015]步驟五中，在將聚二甲基硅氧烷混合物倒入光敏膠凸模之前，采用真空脫氣處理聚二甲基硅氧烷混合物，以消除聚二甲基硅氧烷混合物中的氣泡。
[0016]步驟五中，在將聚二甲基硅氧烷混合物倒入光敏膠凸模之后，在80°C下加熱固化30mino
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1、本發(fā)明采用澆鑄和熱壓等復制工藝制作微透鏡陣列，無需曲面加工工藝，操作簡單，加工時間短，效率高，誤差小。
[0019]2、本發(fā)明采用壓力調(diào)節(jié)聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜的形變，能夠有效地控制微透鏡的曲率半徑。
[0020]3、本發(fā)明采用光刻和刻蝕的方法，在硅基片上制作微孔陣列，具有良好的陣列均勻性和重復性。
[0021]4、聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料表面能低，用其制作的熱壓模具與聚碳酸酯(PC)基材幾乎不粘，可以很容易的實現(xiàn)無損脫模。
[0022]5、本發(fā)明采用熱壓的方法實現(xiàn)微透鏡陣列的制作，具有工藝簡單、制作成本低廉、易于批量化的優(yōu)點，更加適合大面積微透鏡陣列的批量化制備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為制備聚合物微透鏡陣列的流程示意圖；
[0024]圖2為聚合物微透鏡陣列的光學顯微圖。
[0025]圖中:1、掩膜板，2、光刻膠掩膜，3、硅片基底，4、微孔陣列，5、聚二甲基硅氧烷薄膜，6、腔體，7、光敏膠，8、光敏膠凸模，9、聚二甲基硅氧烷混合物，10、聚二甲基硅氧烷凹模，
11、聚碳酸酯基材，12、聚碳酸酯基微透鏡陣列。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明的一種聚合物微透鏡陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0028](I)利用掩膜板I在硅片基底3表面覆蓋光刻膠，通過曝光和顯影，在硅片基底3表面形成圖形化的光刻膠掩膜2，光刻膠掩膜2上的圖形為光刻膠微透鏡陣列圖形。
[0029](2)通過干法刻蝕光刻膠掩膜2上的微透鏡陣列圖形，在硅片基底3上形成直徑與微透鏡直徑相同的微孔陣列4。
[0030](3)將聚二甲基硅氧烷薄膜5均勻的覆蓋在微孔陣列4表面，再將微孔陣列4與一可產(chǎn)生負壓的腔體6密封相連，使聚二甲基硅氧烷薄膜5在微孔陣列4的各微孔處呈球冠狀形變，通過調(diào)節(jié)腔體6內(nèi)的負壓可改變各球冠狀形變的曲率大小，將各球冠狀形變的曲率調(diào)整到設計要求后保持腔體6內(nèi)的壓力恒定。[0031](4)將光敏膠7澆鑄在形變后的聚二甲基硅氧烷薄膜5上，通過紫外光照射固化光敏膠7，經(jīng)過脫模，在光敏膠凸模8上得到光敏膠微透鏡陣列，此時，微透鏡陣列被復制到光敏膠凸模8上。
[0032](5)將聚二甲基硅氧烷預聚物和固化劑按照質(zhì)量比為10:1混合后形成聚二甲基硅氧烷混合物9，經(jīng)過真空脫氣，消除聚二甲基硅氧烷混合物9中的氣泡，將聚二甲基硅氧烷混合物9倒入光敏膠凸模8中，在80°C下加熱固化30min，制作出與光敏膠凸模8結構互補的聚二甲基硅氧烷凹模10，此時，微透鏡陣列被復制到聚二甲基硅氧烷凹模10上。
[0033](6)通過聚二甲基硅氧烷凹模10熱壓聚碳酸酯基材11。
[0034](7)經(jīng)過脫模，在聚碳酸酯基材11上得到聚碳酸酯基微透鏡陣列12，此時，微透鏡陣列被復制到聚碳酸酯基材11上，實現(xiàn)了微透鏡陣列的熱壓復制和批量化制作。
[0035]本實施方式中，聚二甲基硅氧烷預聚物和固化劑都可以選擇現(xiàn)有的任何一種。
【權利要求】
1.一種聚合物微透鏡陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、采用光刻法在硅片基底(3)表面形成帶有微透鏡陣列圖形的光刻膠掩膜(2)； 步驟二、采用干法刻蝕以上微透鏡陣列圖形，在硅片基底(3)上刻蝕出直徑與微透鏡直徑相同的微孔陣列(4); 步驟三、將聚二甲基硅氧烷薄膜(5)均勻覆蓋在微孔陣列(4)表面，再將微孔陣列(4)與腔體(6)密封相連，調(diào)節(jié)腔體(6)內(nèi)的負壓改變聚二甲基硅氧烷薄膜(5)在微孔處的球冠狀形變曲率，滿足要求后，保持腔體(6)內(nèi)的壓力恒定； 步驟四、在形變后的聚二甲基硅氧烷薄膜(5)上澆鑄光敏膠(7)，經(jīng)紫外固化脫模后得到光敏膠凸模(8); 步驟五、將聚二甲基硅氧烷預聚物與固化劑混合后的聚二甲基硅氧烷混合物(9)倒入光敏膠凸模(8)中，經(jīng)加熱固化后得到聚二甲基硅氧烷凹模(10)； 步驟六、利用聚二甲基硅氧烷凹模(10)熱壓聚碳酸酯基材(I I )，經(jīng)脫模后得到聚碳酸酯基微透鏡陣列(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種聚合物微透鏡陣列的制備方法，其特征在于，步驟五中，所述聚二甲基硅氧烷預聚物與固化劑按照質(zhì)量比為10:1的比例混合。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種聚合物微透鏡陣列的制備方法，其特征在于，步驟五中，在將聚二甲基硅氧烷混合物(9)倒入光敏膠凸模(8)之前，采用真空脫氣處理聚二甲基硅氧烷混合物(9)，以消除聚二甲基硅氧烷混合物(9)中的氣泡。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種聚合物微透鏡陣列的制備方法，其特征在于，步驟五中，在將聚二甲基硅氧烷混合物(9)倒入光敏膠凸模(8)之后，在80°C下加熱固化30min。
【文檔編號】G03F7/18GK103913784SQ201410116697
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權日:2014年3月26日
【發(fā)明者】劉永順, 張平, 鄧永波, 吳一輝 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所