為50mN(圖1(a))，加載和卸載速率為5mN/s，保載時間為5s。之后將表面帶有機械壓痕的凹微透鏡預制件浸泡在40ml的HCl溶液(pH=3)中，然后放置于80°C恒溫裝置中15小時(圖1 (b))，取出后用去離子水洗凈，然后浸泡在50ml的NaOH溶液(室溫下pH=13)中，之后置于80°C恒溫裝置中進行腐蝕，并在腐蝕時間為3、16、40、83、103和171小時分別取出一塊試樣，用乙醇及去離子水清洗，由此制成多塊具有不同面型的凹微透鏡(圖 l(c)-(h))。
[0032]實施例2
[0033]本實施例與實施例1的步驟完全相同，不同的是壓痕載荷為10mN。
[0034]實施例3
[0035]將多塊作為試樣且尺寸為15mmX 15mmX 3mm的浮法玻璃(化學組成(mol% ):70.8
5102.12.8Na20,5.9 MgO,0.33 Al2O3，密度2.55g/cm3，Tg = 565°C )表面進行機械打磨至表面粗糙度小于0.1nm，在565°C的溫度下退火2小時。取退火后的玻璃試樣進行機械壓痕而制成凹微透鏡預制件，壓痕載荷為50mN(圖5(a))，加載和卸載速率為5mN/s，保載時間為5s。之后將表面帶有機械壓痕的凹微透鏡預制件在0.9Tg下退火2小時(圖5(b))，然后將退火后的凹微透鏡預制件浸泡在40ml的HCl溶液(pH = 3)中，之后放置于80 °C恒溫裝置15小時，取出后用去離子水洗凈，然后浸泡在50ml的NaOH溶液(室溫下pH= 13)中，之后置于80°C恒溫裝置中進行腐蝕，并在腐蝕時間為3、17、40和104小時時分別取出一塊試樣，用乙醇及去離子水清洗，由此制成多塊具有不同面型的凹微透鏡(圖5(c)_(f))。
[0036]實施例4
[0037]本實施例與實施例3的步驟完全相同，不同的是壓痕載荷為10mN。
[0038]實施例5
[0039]將多塊作為試樣且尺寸為15mmX 15mmX 3mm的二氧化娃玻璃(化學組成(mol % ):
99.6S12,密度2.2g/cm3，Tg = 1100°C )表面進行機械打磨至表面粗糙度小于lnm，在1100°C的溫度下退火2小時。取退火后的玻璃試樣進行機械壓痕而制成凹微透鏡預制件，壓痕載荷為50mN，加載和卸載速率為5mN/s，保載時間為5s。之后將表面帶有機械壓痕的凹微透鏡預制件浸泡在50ml的HCl溶液(pH = 3)中，然后放置于80°C恒溫裝置中15小時，取出后用去離子水洗凈，然后浸泡在50ml的NaOH溶液(室溫下pH= 13)中，之后置于80°C恒溫裝置中進行腐蝕，并在腐蝕時間為3、9、17、40、64、105和176小時時分別取出一塊試樣，用乙醇及去離子水清洗，由此制成多塊具有不同面型的凹微透鏡。
[0040]實施例6
[0041]該實施例與實施例5的步驟完全相同，不同的是壓痕載荷為10mN。
[0042]實施例7
[0043]將多塊作為試樣且尺寸為15mmX 15mmX 3mm的二氧化娃玻璃(化學組成(mol % ):
99.6S12,密度2.2g/cm3，Tg = 1100°C )表面進行機械打磨至表面粗糙度小于lnm，在1100°C的溫度下退火2小時。取退火后的玻璃試樣進行機械壓痕而制成凹微透鏡預制件，壓痕載荷為50mN，加載和卸載速率為5mN/s，保載時間為5s。之后將表面帶有機械壓痕的凹微透鏡預制件在0.9Tg下退火2小時，然后將退火后的凹微透鏡預制件浸泡在50ml的HCl溶液(pH=3)中，之后放置于800C恒溫裝置15小時，取出后用去離子水洗凈，然后浸泡在50ml的NaOH溶液(室溫下口11=13)中，之后置于80°(:恒溫裝置中進行腐蝕，并在腐蝕時間為3、9、17、40、64、105和176小時時分別取出一塊試樣，用乙醇及去離子水清洗，由此制成多塊具有不同面型的凹微透鏡。
[0044]實施例8
[0045]該實施例與實施例7的步驟完全相同，不同的是壓痕載荷為10mN。
[0046]實施例9
[0047]將多塊作為試樣且尺寸為15mmX 15mmX 3mm的浮法玻璃(化學組成(mol% ):70.8
S12,12.8Na20,5.9 MgO,0.33 Al2O3，密度2.55g/cm3，Tg = 565°C )表面進行機械打磨至表面粗糙度小于lnm，在565°C下的溫度退火2小時。取退火后的玻璃試樣進行機械壓痕而制成凹微透鏡陣列預制件，壓痕陣列為10X 10，相鄰壓痕點間隔為7μπι，壓痕載荷為10mN，加載和卸載速率為5mN/s，保載時間為5s。之后將表面帶有壓痕陣列的凹微透鏡陣列預制件浸泡在50ml的HCl溶液(pH=3)中，然后放置于80 °C恒溫裝置中15小時，取出后用去離子水洗凈，之后浸泡在50ml的NaOH溶液(室溫下pH= 13)中，于80°C恒溫裝置進行腐蝕。在腐蝕時間為3、16、22、40、83、103和171小時時將分別取出一塊試樣，用乙醇及去離子水清洗，由此制成多塊具有不同面型的凹微透鏡陣列。
[0048]為了驗證本發(fā)明提供的采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法的效果，本發(fā)明人根據(jù)實施例1-9所述步驟制備出凹微透鏡或凹為透鏡陣列，并得出如下結(jié)論(以實例I和實例9為例):
[0049]上述實施例1中，圖1所示為微透鏡形貌隨腐蝕時間變化的AFM二維形貌圖。在該過程中，NaOH溶液腐蝕83小時后，微透鏡上表面基本成圓形(圖(f))，此后圓形半徑逐漸增大，圓形輪廓趨近理想(圖(h))。結(jié)合圖3所示的微透鏡沿對角線方向縱剖面面形隨腐蝕時間變化圖，可看出171小時后微透鏡平均矢高為695.35nm，平均口徑寬度為11.075μπι，剖面面形于中心軸對稱，并由最初的“三角形”逐漸變?yōu)樽罱K的“拋物線型”，此時面形最為理想，平均矢高、曲率半徑和平均口徑寬度都達到目標要求。
[0050]上述實施例9中，圖8所示為采用本發(fā)明方法制作出的凹微透鏡陣列。測量所得陣列平均矢高為327.745nm，平均口徑寬度為5.415μπι，曲率半徑為24.952μπι，焦距平均值為46.209μπι，均勻性誤差為2.99%，焦距和F數(shù)的測量值和理論值結(jié)果誤差不超過3%，由此可見本發(fā)明方法制備的凹微透鏡陣列具有很好的尺寸均勻性。
【主權項】
1.一種采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法，其特征在于:所述的方法包括按順序進行的下列步驟: 1)對硅-氧基材料的玻璃表面進行預處理，然后在0.8—1.0Tg(玻璃化轉(zhuǎn)換溫度)的溫度下退火1-3小時，以消除材料的表面殘余應力，之后在退火后的玻璃表面施加機械壓痕，以制成凹微透鏡或凹微透鏡陣列預制件； 2)將上述凹微透鏡或凹微透鏡陣列預制件在0.8—1.0Tg的溫度下退火0.1-3小時，以改變預制件表面壓痕下方的致密區(qū)域范圍大小，或不經(jīng)過退火而直接進入下一步驟； 3)將上述凹微透鏡或凹微透鏡陣列預制件浸泡在pH=0.5-3的HCl溶液中，然后放置在60-90°C的恒溫裝置中處理8-30小時，取出后用去離子水洗凈，之后于室溫及pH= 12-13.5的條件下浸泡在NaOH溶液中，之后放置在60-90 V的恒溫裝置中進行腐蝕處理，腐蝕時間由所需生成面型決定，由此制成所述的凹微透鏡或凹微透鏡陣列。2.根據(jù)權利要求1所述的采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法，其特征在于:在步驟I中，所述的娃-氧基材料的玻璃為浮法玻璃或二氧化娃玻璃。3.根據(jù)權利要求1所述的采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法，其特征在于:在步驟I中，所述的對娃-氧基材料的玻璃表面進行預處理的方法是將娃-氧基材料的玻璃表面進行機械打磨至表面粗糙度小于lnm。4.根據(jù)權利要求1所述的采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法，其特征在于:在步驟I中，所述的機械壓痕的載荷為5-500mN，加載和卸載速率為l-20mN/s，保載時間為l-20s。
【專利摘要】一種采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法。其包括對硅-氧基材料玻璃表面在0.8—1.0Tg下退火1-3小時，之后在玻璃表面施加機械壓痕，制成凹微透鏡或陣列預制件；將預制件在0.8—1.0Tg下退火0.1-3小時；將預制件浸泡在pH＝0.5-3的HCl溶液中，然后放置在60-90℃的恒溫裝置中處理8-30小時，之后于室溫及pH＝12-13.5的條件下浸泡在NaOH溶液中，之后放置在60-90℃的恒溫裝置中進行腐蝕處理等步驟。本發(fā)明方法加工工藝簡單穩(wěn)定，成本低廉，非接觸式技術直接產(chǎn)生凹微透鏡及其陣列，透鏡表面粗糙度和面型精度更加可控，可大幅提高透鏡的光學性能。
【IPC分類】C03B25/00, C03C19/00, C03C15/00
【公開號】CN105585254
【申請?zhí)枴緾N201510956255
【發(fā)明人】牛一凡, 陳婷, 邱宸宇, 姚佳偉
【申請人】中國民航大學
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2015年12月16日