本發(fā)明涉及微納加工的加工工藝，具體涉及一種微透鏡的制作方法。

背景技術(shù)：

微透鏡及其陣列作為重要的光學(xué)元件，在仿生領(lǐng)域、波前傳感、光聚能、光整形等現(xiàn)代高新科技中有廣泛的應(yīng)用。隨著微電子機(jī)械技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的微透鏡陣列制作技術(shù)，包括光刻膠熱熔法、光敏玻璃熱成形法、光刻離子交換法、模壓成型法等(參考文獻(xiàn)Bian,R.,et al.,Ultralong focal length microlens array fabricated based on SU-8photoresist.Appl Opt,2015.54(16):p.5088-93.以及Hou,T.,et al.,Fabrication,characterization,and applications of microlenses.Appl Opt,2015.54(24):p.7366-76.)。

在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要不同焦距的微透鏡。使用現(xiàn)有工藝，每制作一種焦距的微透鏡，都需要先設(shè)計(jì)出相應(yīng)的曲面。由于制作過程中，微透鏡的面形受工藝條件等影響，難以精確控制，所以需要根據(jù)設(shè)計(jì)的曲面，進(jìn)行大量的探索實(shí)驗(yàn)，探索出合適的工藝條件和參數(shù)。再根據(jù)這些參數(shù)和工藝條件，制作出所需的微透鏡。最后通過微復(fù)制工藝將圖案轉(zhuǎn)移至穩(wěn)定的材料，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的微復(fù)制工藝是等比例復(fù)制，復(fù)制出的微透鏡曲面和制作出的微透鏡曲面相同。

因此使用傳統(tǒng)的工藝，想要得到不同焦距的微透鏡，就需要重新設(shè)計(jì)參數(shù)，探索實(shí)驗(yàn)條件(H Ottevaere,R.C.,H PHerzig,T Miyashita,K Naessens,Comparing glass and plastic refractive microlenses fabricated with different technologies.)。由于傳統(tǒng)方法制作微透鏡往往需要進(jìn)行大量的探索實(shí)驗(yàn)，制作周期長，工藝過程復(fù)雜，且成本高昂，這對微透鏡進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了較大限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：本發(fā)明提出一種制作微透鏡的新方法，利用物質(zhì)的熱膨脹進(jìn)行微透鏡的制作，根據(jù)物質(zhì)熱膨脹體積變化量和溫度改變量的相關(guān)性，控制微透鏡的面形，在微復(fù)制工藝中得到不同焦距的微透鏡。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種微透鏡的制作方法，該方法步驟為：

步驟1)制成微透鏡或者微透鏡陣列，用作模板微透鏡；

步驟2)將聚合物傾倒在制成的微透鏡或微透鏡陣列上，在一定的溫度下進(jìn)行加熱；

步驟3)聚合物固化后，冷卻到室溫，脫去模板微透鏡，在聚合物上得到最終的微透鏡或微透鏡陣列。(附圖2)

本方法中步驟1)中模板微透鏡可以是任意材料制成的微透鏡，例如光刻膠、金屬和玻璃等。只是當(dāng)使用的材料屬于高聚物時(shí)，曲率的變化更明顯。因?yàn)椴牧象w積的改變量與材料的熱膨脹系數(shù)成正比，與溫度改變量成正比。相比其他物質(zhì)，高聚物的熱膨脹系數(shù)較大，受熱后體積變化量大。但對于熱膨脹系數(shù)小的材料，本發(fā)明的方法依然有效，只是曲率的變化相對較小。

同時(shí)，模板微透鏡可以是凹透鏡也可以是凸透鏡。若以凹透鏡為模板，膨脹后微透鏡的曲面上升，曲率增大。溫度改變越多，物質(zhì)膨脹越多，復(fù)制得到的微凸透鏡的曲率越大，焦距越長；溫度改變越少，物質(zhì)膨脹越少，復(fù)制得到的微凸透鏡的曲率相對較小，焦距改變相對較小。若以凸透鏡為模板，則與此相反，膨脹后曲率減小，溫度改變越多，曲率變得越小，焦距變得越短。因此如需要制作凹透鏡陣列，可以以凸透鏡陣列為模板；如需凸透鏡陣列，可以以凹透鏡陣列為模板。

由于本發(fā)明制成的微透鏡具有可控性，所以模板微透鏡盡可能使用具有可控性的工藝制作。模板微透鏡的面形可控，就使模板微透鏡的曲率精準(zhǔn)且可控，這樣本發(fā)明對微透鏡的曲率及焦距的控制也就更有意義。當(dāng)模板微透鏡不能有效控制面形時(shí)，仍可以測量得到模板微透鏡的曲面面形，實(shí)現(xiàn)有效的控制。

以一種可控性很好的模板微透鏡為例：對負(fù)性光刻膠曝光并加熱回流，制成模板微凹透鏡。在低于未交聯(lián)部分光刻膠的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度以下，對微凹透鏡再次加熱，光刻膠不發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，但發(fā)生熱膨脹。未交聯(lián)部分的光刻膠熱膨脹系數(shù)大，受熱后體積膨脹較多，交聯(lián)部分的光刻膠熱膨脹系數(shù)小，受熱后體積基本不變。因此微透鏡的曲面上升，曲率增大。將此時(shí)的微凹透鏡曲面使用微復(fù)制材料復(fù)制下來，就得到新的微凸透鏡。光刻膠熱膨脹的多少，由溫度改變量和熱膨脹系數(shù)決定。當(dāng)光刻膠選定以后，熱膨脹系數(shù)不再變化，這樣溫度就成為改變光刻膠膨脹量的唯一因素。溫度改變越多，光刻膠膨脹越多，得到的微凸透鏡的曲率越大，焦距越長；溫度改變越少，光刻膠膨脹越少，得到的微凸透鏡的曲率相對較小，焦距相對較短。因此，調(diào)整對微凹透鏡不同的加熱溫度，就會(huì)使光刻膠有不同程度的膨脹，得到不同的微凸透鏡。此外，使用上述工藝制得的負(fù)性光刻膠微凹透鏡為模板時(shí)，由于交聯(lián)部分與未交聯(lián)部分熱膨脹系數(shù)不同，曲面的變化會(huì)更明顯，曲率變化更大，得到的微凸透鏡的曲率會(huì)更長。(附圖3、附圖4)

此外，步驟1)中利用溫度對微透鏡的面形進(jìn)行調(diào)整，溫度的選擇決定了形成的微透鏡的面形。對于非晶物質(zhì)，溫度應(yīng)控制在不使其發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變以下，對于晶態(tài)物質(zhì)，溫度應(yīng)控制在其熔點(diǎn)以下。這樣保證了物質(zhì)只發(fā)生熱膨脹，沒有其他變化。否則在重力和表面張力的作用下，面形會(huì)發(fā)生改變，冷卻后依舊保持改變后的面形，這樣相當(dāng)于模板發(fā)生了不可逆的變化。

本方法步驟2)中作為微復(fù)制的材料可以使用如PDMS等原位聚合的材料。這樣的原位聚合材料在未發(fā)生聚合反應(yīng)前，以單體形式存在，具有良好的流動(dòng)性，因此可以完全復(fù)制出完整的曲面面形，聚合后形成穩(wěn)定的聚合物，可以作為良好的復(fù)制材料。對熱膨脹系數(shù)等沒有具體要求，但是當(dāng)熱膨脹系數(shù)和模板微透鏡材料的熱膨脹系數(shù)有明顯差別時(shí)，會(huì)更容易將最終得到的微透鏡和模板微透鏡分離。這是因?yàn)槔鋮s后，模板微透鏡恢復(fù)室溫，形貌恢復(fù)到室溫下的狀態(tài)，而該聚合物卻復(fù)制下了膨脹時(shí)的模板微透鏡的形貌，此時(shí)兩者形貌不完全重合，從而可以輕松分離。

本發(fā)明中主要利用物質(zhì)的熱膨脹，使用聚合物復(fù)制下膨脹狀態(tài)的微透鏡面形，當(dāng)溫度降回室溫，模板微透鏡恢復(fù)到熱膨脹前的面形。因?yàn)椴簧婕叭廴诘茸兓?，微透鏡只是發(fā)生可逆的物理變化。因此下一次的微透鏡制作，仍是以相同的微透鏡為模板，再次升溫膨脹，記錄面形，不會(huì)對模板微透鏡有任何損害，所以模板微透鏡可以重復(fù)使用。一次熱膨脹并復(fù)制曲面的時(shí)間相對較短，無需重復(fù)前面的曝光等工藝，所以制作周期大大縮短。

本發(fā)明的原理在于：物質(zhì)熱膨脹是由于溫度變化而引起的材料尺寸和外形的變化。對已制成的微透鏡加熱，微透鏡材料會(huì)發(fā)生熱膨脹，微透鏡的曲面上升，曲率發(fā)生改變。將此時(shí)的微透鏡面形用另一聚合物復(fù)制下來，在這種聚合物的表面就得到了新的微透鏡。物質(zhì)熱膨脹的多少由溫度的改變量和熱膨脹系數(shù)決定。每種物質(zhì)都有對應(yīng)的熱膨脹系數(shù)，選定一種物質(zhì)后，熱膨脹系數(shù)就確定了。改變實(shí)驗(yàn)中溫度，就可以控制熱膨脹的多少，就是對微透鏡的曲面進(jìn)行了控制。因此本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了在微復(fù)制工藝中，對于同樣的微透鏡，能復(fù)制出多種曲率和焦距的微透鏡，并且具有可控性。(附圖1)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明首次提出利用物質(zhì)的熱膨脹進(jìn)行微透鏡的制作，根據(jù)物質(zhì)熱膨脹體積變化量和溫度改變量的相關(guān)性，控制微透鏡的面形，實(shí)現(xiàn)了在微復(fù)制工藝中得到不同焦距的微透鏡。本發(fā)明簡化了微透鏡制作工藝，提高了工藝重復(fù)性，同時(shí)降低了微透鏡制作成本，縮短了微透鏡制作周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明微透鏡的制作方法原理圖；

圖2為本發(fā)明微透鏡的制作方法流程圖；

圖3為以負(fù)性光刻膠凹透鏡為模板時(shí)制作原理圖；

圖4為以負(fù)性光刻膠凹透鏡為模板時(shí)制作流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對微透鏡制作工藝的具體過程進(jìn)一步加以說明。

實(shí)例1、凸柱面鏡陣列的制作

凸柱面鏡陣列的平面結(jié)構(gòu)為光柵結(jié)構(gòu)，可以通過光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、光刻膠的選擇以及相應(yīng)的工藝條件的選擇來實(shí)現(xiàn)對微透鏡形貌的有效控制。以陣列周期為180微米為例，選擇SU-8負(fù)性光刻膠和PDMS來制作凸柱面鏡陣列。

首先給出平面結(jié)構(gòu)的尺寸：周期為180微米的光柵結(jié)構(gòu)，占空比為1：1，線條長度為1厘米。

具體制作如下：

1)根據(jù)上述給出的尺寸，加工出相應(yīng)的光學(xué)掩模；

2)清洗Si基片，180度熱臺烘20分鐘，冷去后旋涂SU-8光刻膠，用熱臺在65度烘5分鐘，再升溫到95度烘20分鐘。冷卻后得到厚度為100微米的SU-8光刻膠層；

3)利用加工好的光學(xué)掩模進(jìn)行紫外曝光，i線，曝光劑量240mJ/cm²；

4)樣品用熱臺在65度烘5分鐘，再升溫到95度烘10分鐘，室溫下放置自然冷卻；

5)配制PDMS，基本組分與固化劑按10：1體積比混合。將PDMS傾倒在樣品上，在35度熱臺上烘24小時(shí)。PDMS固化后從SU-8光刻膠上脫下，在PDMS上得到凸微透鏡。

利用臺階儀對模板凹柱面鏡和最終制得的凸柱面鏡陣列進(jìn)行測量：模板凹柱面鏡曲率半徑為205微米，凸柱面鏡的曲率半徑為295微米，說明基于本發(fā)明可以制作不同曲率的微透鏡；不同凸柱面鏡的曲率半徑相差小于5％，說明基于本發(fā)明制作微透鏡具有很高的工藝重復(fù)性。

實(shí)例2、凸蜂窩透鏡陣列的制作

凸蜂窩透鏡陣列的平面結(jié)構(gòu)為蜂窩結(jié)構(gòu)，可以通過蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、光刻膠的選擇以及相應(yīng)的工藝條件的選擇來實(shí)現(xiàn)對微透鏡形貌的有效控制。以陣列周期為55微米為例，選擇SU-8負(fù)性光刻膠和PDMS來制作凸蜂窩透鏡陣列。

首先給出平面結(jié)構(gòu)的尺寸：周期為55微米的蜂窩結(jié)構(gòu)，為了提高透鏡陣列對光源的利用率，蜂窩結(jié)構(gòu)的邊寬度為5微米。

具體制作如下：

1)根據(jù)上述給出的尺寸，加工出相應(yīng)的光學(xué)掩模；

2)清洗Si基片，180度熱臺烘20分鐘，冷去后旋涂SU-8光刻膠，用熱臺在65度烘5分鐘，再升溫到95度烘20分鐘。冷卻后得到厚度為100微米的SU-8光刻膠層；

3)利用加工好的光學(xué)掩模進(jìn)行紫外曝光，i線，曝光劑量240mJ/cm²；

4)樣品用熱臺在65度烘5分鐘，再升溫到95度烘10分鐘。室溫下放置自然冷卻；

5)配制PDMS，基本組分與固化劑按10：1體積比混合。將PDMS傾倒在樣品上，在50度熱臺上烘24小時(shí)。PDMS固化后從SU-8光刻膠上脫下，在PDMS上得到凸微透鏡。

利用臺階儀對模板凹蜂窩透鏡陣列和最終制得的凸蜂窩透鏡陣列進(jìn)行測量：模板凹蜂窩透鏡的曲率半徑為24.19微米，凸蜂窩透鏡的曲率半徑為402微米，說明基于本發(fā)明可以制作不同曲率的微透鏡；不同凸蜂窩透鏡的曲率半徑相差小于5％，說明基于本發(fā)明制作微透鏡具有很高的工藝重復(fù)性。

實(shí)例3、凹柱面透鏡陣列的制作

選擇AZ9260正性光刻膠和PDMS來制作凹柱面透鏡陣列。首先給出平面結(jié)構(gòu)的尺寸：直徑為300微米，周期為600微米的光柵結(jié)構(gòu)。

具體制作如下：

1)根據(jù)上述給出的尺寸，加工出相應(yīng)的光學(xué)掩模；

2)清洗Si基片，180度熱臺烘20分鐘，冷去后旋涂AZ9260光刻膠，用熱臺在65度烘90分鐘。冷卻后得到厚度為15微米的AZ9260光刻膠層；

3)利用加工好的光學(xué)掩模進(jìn)行紫外曝光，i線，曝光劑量510mJ/cm²；

4)樣品放入配制好的顯影液中顯影200s，使用去離子水漂洗；

5)樣品用熱臺在75度烘60分鐘，再升溫到120度烘50分鐘。室溫下放置自然冷卻后，獲得模板凸柱面微透鏡；

6)配制PDMS，基本組分與固化劑按10：1體積比混合。將PDMS傾倒在樣品上，在50度熱臺上烘24小時(shí)。PDMS固化后脫下，在PDMS上得到凹微透鏡。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。