專利名稱：軟模壓印制造微透鏡陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微透鏡陣列，特別是一種軟模壓印制造微透鏡陣列的方法。
背景技術(shù)：
微透鏡陣列是一種目前使用十分廣泛的微光學(xué)元件，它是一系列孔徑在幾個微 米至幾百個微米的微小型透鏡按一定排列組成的陣列，廣泛的應(yīng)用于光束整形，光 學(xué)器件互連，光信息處理、三維成像等領(lǐng)域。
目前，用于制作微透鏡陣列的方法主要有光刻膠熱熔法、光敏玻璃法、離子交換 法，反應(yīng)離子刻蝕法。
光刻膠熱熔法就是以光致抗蝕劑為材料，采用光刻，腐蝕的方法使材料成為一個 個圓柱體，然后用烘烤加熱的方法，使其溶解，依靠表面張力，冷卻后最終成為球 冠狀的微透鏡。該方法的優(yōu)點是工藝簡單，制作容易，成本低。但是光致抗蝕劑本 事具有一定的顏色，這種方法制造的微透鏡陣列光能損耗大，波長依賴性大，而且 材料的熔點較高，需要較高的烘烤溫度。
光敏玻璃熱成型法是用紫外輻射曝光來調(diào)制光敏玻璃材料，就是用紫外線通過掩 模對其曝光，在將材料加熱到軟化點，材料發(fā)生膨脹。然后對光敏玻璃兩側(cè)施加壓 力，由于光敏玻璃被曝光的部分的密度與硬度遠(yuǎn)大于未曝光的部分，在擠壓過程中 未曝光的部分會高出表面，在表面張力的作用下，突出的表面變成球形，從而形成 透鏡的形狀。這種方法的缺點是必須使用特殊的玻璃，且較難改變透鏡焦距等參數(shù)。
離子交換方法就是在高溫裝有某種熔鹽的容器中，金屬離子由外及里擴(kuò)散到玻璃 介質(zhì)中去，并且置換出玻璃介質(zhì)的一些離子，在玻璃表面附近形成折射率梯度，其 性能類似于小透鏡。這種方法制作出的微透鏡陣列比較堅固。這種方法的缺點是制 作周期長，需要高溫。
反應(yīng)離子刻蝕方法首先用光刻膠熱熔法在光刻膠上制作微透鏡陣列，然后把樣品 暴露在精確控制的反應(yīng)離子中，光刻膠和基底材料都受到刻蝕，光刻膠上的微透鏡 圖形被轉(zhuǎn)移到基底材料中，從而在基底上形成微透鏡陣列。這種方法的缺點是必須 精確控制基底材料和光刻膠的刻蝕速率，工藝較難控制，而且由于光刻膠和基底材 料的刻蝕速率不一樣，光刻膠圖形并不能完全轉(zhuǎn)移到基底中去。
以上所述的各種微透鏡陣列制作方法，對于微透鏡的小批量制作較為合適，但如
果需要大批量生產(chǎn)微透鏡陣列，以上方法就不太方便，而且成本高，總的生產(chǎn)過程 復(fù)雜，產(chǎn)品均勻性難以保證。因此發(fā)展低成本、工藝簡單、能夠大批量生產(chǎn)的微透 鏡制作工藝非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是的目的是在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種軟模壓印制造微透 鏡陣列的方法，該方法具有工藝簡單、成本低、制造周期短和可以大批量生產(chǎn)等優(yōu) 點。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種軟模壓印制造微透鏡陣列的方法，其特點是該方法利用傳統(tǒng)的光刻膠熱熔
方法制造母微透鏡陣列，利用聚二甲基硅氧垸(PDMS)作為微透鏡模具，采用壓
印方法將微透鏡陣列圖形轉(zhuǎn)移到玻璃基板上的紫外膠上。
一種軟模壓印制造微透鏡陣列的方法，包括下列步驟
① 在一基片上旋涂一層光刻膠，將具有微透鏡陣列分布的透光板覆蓋在所述的 光刻膠上，通過光刻的方法在基片上得到陣列分布的圓柱形微結(jié)構(gòu)；
② 將所述的基片置于在一平板上加熱，使光刻膠的溫度達(dá)到熔化溫度以上并持
續(xù)一段時間，由于表面張力的作用，每一個圓柱形光刻膠各自收縮成球冠結(jié)構(gòu)；'
③ 冷卻到室溫，得到母微透鏡陣列基片；
④ 將所述的母微透鏡陣列基片放入一個塑料培養(yǎng)皿中并使微透鏡陣列面朝上， 將混合好的聚二甲基硅氧烷，以下簡稱為PDMS，倒入所述的培養(yǎng)皿中，PDMS薄 膜的厚度控制在3 5mm;
⑤ 熱固化PDMS薄膜固化溫度在25"C到IO(TC之間，PDMS薄膜完全固化后， 沿著一個方向用鑷子從一側(cè)揭起所述的PDMS薄模，使其和母微透鏡陣列基片分離， 得到一個和原微透鏡陣列表面形貌相反的PDMS模具；
⑥ 將玻璃基板置于平臺上，在該玻璃基板的表面滴放紫外膠，選用的紫外膠應(yīng) 是一種無色透明的液體，粘滯系數(shù)應(yīng)小于500厘泊，有好的流動性，邵氏硬度D大 于70，將所述的PDMS模具朝下垂直輕壓在紫外膠的表面，讓其在玻璃基板上自然 靜止5分鐘以上，利用所述的PDMS模具本身重力和毛細(xì)效應(yīng)，使所述的紫外膠夷 全充滿PDMS的溝槽；
⑦ 將所述的玻璃基板連同PDMS模具移到紫外燈下，用紫外光下固化所述的紫 外膠，移動時放在平臺上，不要讓兩者之間產(chǎn)生位移；固化時間取決于選用的紫外
燈能量和光敏聚合物類型與使用量；
⑧固化完全后沿著一個方向從一側(cè)揭起所述的PDMS模具，使其和紫外膠分離， 即在玻璃基板上的紫外膠上形成微透鏡陣列圖形，獲得所需要的玻璃基板微透鏡陣 列。
所述的基片是硅或者玻璃制成的。 本發(fā).明所采用的工藝條件主要特點有以下幾點
第一、所用的母微透鏡陣列采用傳統(tǒng)的光刻膠熱熔法制造，整個工藝過程中只 需要一次熱熔工藝。采用PDMS制作微透鏡陣列模具，PDMS比較容易和光刻膠材 料分離，制作PDMS模具時工藝容易控制，而且制備PDMS模具時不會對母微透鏡 陣列產(chǎn)生損壞，母微透鏡陣列可以多次使用。
第二、微透鏡陣列圖形通過壓印的方法轉(zhuǎn)移到玻璃基板上的紫外膠上，由于紫 外膠的折射率和玻璃非常接近，而且無色、透明，具有良好的光學(xué)性能，所以制得 的微透鏡陣列具有非常好的光學(xué)性能。這就避免了光刻膠熱熔法由于光刻膠顏色引 起的光學(xué)性能的改變。
第三、采用玻璃作為基底材料，利用紫外膠和玻璃很強(qiáng)的粘著力以及玻璃很高 的硬度，便于微透鏡陣列的使用。
第四、PDMS模具可以多次使用，使用50次以上不見損壞，具有成本低、可以 大批量生產(chǎn)的優(yōu)點。
因此，本發(fā)明方法具有工藝簡單、成本低、制造周期短和可以大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。采用軟模壓印法制造微透鏡陣列，第 一步要用光刻膠熱熔法制作一個母微透鏡陣列。首先在干凈的玻璃基片上采用旋涂 的方式均勻的涂一層光刻膠(shiplayl818,或者shiplay1805等)；然后通過曝光、顯影， 在基片上得到圓柱形的微結(jié)構(gòu)；最后在熱平板上將基片在13(TC時加熱10分鐘，取 下基片，待其冷卻后即可得到母微透鏡陣列。
第二步是用壓印的方法將微透鏡陣列圖形轉(zhuǎn)移到紫外膠上。首先要制作一個有 機(jī)硅橡膠模具我們利用聚二甲基硅氧垸(PDMS, Sylgard184, Dow Coring)來制作模 具，先把主劑和固化劑按照重量比為10: 1的比例混合，攪拌均勻，如果產(chǎn)生氣泡 則需要經(jīng)過真空脫泡處理，真空脫泡的時間取決于攪拌過程中混入的氣泡量；脫泡完成后把PDMS均勻的涂覆在母微透鏡陣列的表面，然后室溫固化48小時或者高 溫固化，高溫固化可以減少固化時間，我們在25。C下固化48個小時，6(TC下固化4 小時，90。C下固化90分鐘，都可以有好的固化效果。PDMS完全固化后，從一個方 向上用鑷子揭起PDMS模具，PDMS模具和母微透鏡陣列可以很容易地分離。
得到PDMS模具后就可以把微透鏡陣列圖形轉(zhuǎn)移到紫外膠上，我們使用的是低 粘度系數(shù)的紫外膠NOA61(Norland)，粘度系數(shù)為300厘泊，硬度為85，也可使用 NOA60、 OG146、 OG169(Epotek)等。先在干凈的玻璃基片上滴一滴NOA61 ，把PDMS 模具垂直壓印在NOA61膠的上面，然后室溫下靜止放置5分鐘，這有助于去除壓 印時產(chǎn)生的氣泡，待紫外膠完全填充滿模具的空隙后放在70瓦的汞燈下固化，固化 時間為20分鐘，當(dāng)NOA61紫外膠完全固化后就可以容易地分離PDMS模具，得到 最終的微透鏡陣列。 .
經(jīng)過掃描電鏡測試制得的微透鏡陣列，表明圖形分布均勻，壓印復(fù)制微透鏡 陣列的焦距為36,，和理論計算值基本一致。
采用軟模壓印技術(shù)制造折射型微透鏡陣列有其獨特的優(yōu)點。其一，采用傳統(tǒng)的 光刻膠熱熔方法制作母微透鏡陣列；其二，微透鏡圖像轉(zhuǎn)移過程中不需要高溫高壓 .的條件，造價低；其三、紫外膠的折射率和玻璃的折射率非常接近，而且紫外膠和 玻璃有很好的粘結(jié)性；其四、紫外膠NOA61是一種透明、無色、具有極好透光性 的光學(xué)粘合劑，避免了光刻膠由于有顏色而引起的吸收和像差；其五、制作周期短， 紫外膠的固化時間短，通常幾分鐘的時間就能固化完全?？傊瑝河〖夹g(shù)制造微透 鏡陣列具有精度高、工藝簡單、造價低、可以大規(guī)模制造等優(yōu)點，在微透鏡的制造 中有很重要的應(yīng)用。特別是本發(fā)明的利用紫外壓印技術(shù)轉(zhuǎn)移微透鏡陣列圖形，充分 利用了PDMS模具分辨率高、制作簡單和紫外膠有良好的光學(xué)性能、固化速度快、 折射率和玻璃的折射率接近等優(yōu)點，可以大批量、低成本的生產(chǎn)。制成的折射型微' 透鏡陣列性能穩(wěn)定、可靠，是實現(xiàn)微透鏡陣列大規(guī)模生產(chǎn)的一條重要途徑。
權(quán)利要求
1、一種軟模壓印制造微透鏡陣列的方法，其特征在于該方法利用傳統(tǒng)的光刻膠熱熔方法制造母微透鏡陣列，利用聚二甲基硅氧烷，以下簡稱為PDMS，作為微透鏡模具，采用壓印方法將微透鏡陣列圖形轉(zhuǎn)移到玻璃基板上的紫外膠上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟模壓印制造微透鏡陣列的方法，其特征在于包括下列步驟 .① 在一基片上旋涂一層光刻膠，將具有微透鏡陣列分布的透光板覆蓋在所述的光刻膠上，通過光刻的方法在基片上得到陣列分布的圓柱形微結(jié)構(gòu)；② 將所述的基片置于在一平板上加熱，使光刻膠的溫度達(dá)到熔化溫度以 上并持續(xù)一段時間，由于表面張力的作用，每一個圓柱形光刻膠各自收縮成 球冠結(jié)構(gòu)； .③ 冷卻到室溫，得到母微透鏡陣列基片；④ 將所述的母微透鏡陣列基片放入一個塑料培養(yǎng)皿中并使微透鏡陣列面 朝上，將混合好的聚二甲基硅氧院，以下簡稱為PDMS，倒入所述的培養(yǎng)皿 中，PDMS薄膜的厚度控制在3 5mm;⑤ 熱固化PDMS薄膜固化溫度在25t:到IO(TC之間，PDMS薄膜完全 固化后，沿著一個方向用鑷子從一惻揭起所述的PDMS薄模，使其和母微透 鏡陣列基片分離，得到一個和原微透鏡陣列表面形貌相反的PDMS模具；'⑥ 將玻璃基板置于平臺上，在該玻璃基板的表面滴放紫外膠，選用的紫 外膠應(yīng)是一種無色透明的液體，粘滯系數(shù)應(yīng)小于500厘泊，有好的流動性， 邵氏硬度D大于70，將所述的PDMS模具朝下垂直輕壓在紫外膠的表面，讓 其在玻璃基板上自然靜止5分鐘以上，利用所述的PDMS模具本身重力和毛 細(xì)效應(yīng)，使所述的紫外膠完全充滿PDMS的溝槽；'⑦ 將所述的玻璃基板連同PDMS模具移到紫外燈下，用紫外光下固化所 述的紫外膠，移動時放在平臺上，不要讓兩者之間產(chǎn)生位移；固化時間取決 于選用的紫外燈能量和光敏聚合物類型與使用量；⑧ 固化完全后沿著一個方向從一側(cè)揭起所述的PDMS模具，使其和紫外 膠分離，即在玻璃基板上的紫外膠上形成微透鏡陣列圖形，獲得所需要的玻 璃基板微透鏡陣列。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的軟模壓印制造微透鏡陣列的方法，其特征在宇 所述的基片是硅或者玻璃制成的。
全文摘要
一種軟模壓印制造微透鏡陣列的方法，利用傳統(tǒng)的光刻膠熱熔方法制造母微透鏡陣列，利用聚二甲基硅氧烷作為微透鏡模具，采用壓印方法將微透鏡陣列圖形轉(zhuǎn)移到玻璃基板上的紫外膠上。本發(fā)明具有工藝簡單、成本低、可以大批量生產(chǎn)的優(yōu)點。
文檔編號G02B3/00GK101339364SQ20081004164
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月13日
發(fā)明者周常河, 偉 王 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所