一种微透镜的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种微透镜的制作方法，该方法步骤为：步骤1)制成微透镜或者微透镜阵列，用作模板微透镜；步骤2)将聚合物单体倾倒在制成的微透镜或微透镜阵列上，在一定的温度下进行加热；步骤3)聚合物固化后，冷却到室温，脱去模板微透镜，在聚合物上得到最终的微透镜或微透镜阵列。本发明专利技术首次提出利用物质的热膨胀进行微透镜的制作，根据物质热膨胀体积变化量和温度改变量的相关性，控制微透镜的面形，实现了在微复制工艺中得到不同焦距的微透镜。本发明专利技术简化了微透镜制作工艺，提高了工艺重复性，同时降低了微透镜制作成本，缩短了微透镜制作周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微纳加工的加工工艺，具体涉及一种微透镜的制作方法。
技术介绍
微透镜及其阵列作为重要的光学元件，在仿生领域、波前传感、光聚能、光整形等现代高新科技中有广泛的应用。随着微电子机械技术的飞速发展，出现了许多新的微透镜阵列制作技术，包括光刻胶热熔法、光敏玻璃热成形法、光刻离子交换法、模压成型法等(参考文献Bian,R.,etal.,UltralongfocallengthmicrolensarrayfabricatedbasedonSU-8photoresist.ApplOpt,2015.54(16):p.5088-93.以及Hou,T.,etal.,Fabrication,characterization,andapplicationsofmicrolenses.ApplOpt,2015.54(24):p.7366-76.)。在实际应用中，常常需要不同焦距的微透镜。使用现有工艺，每制作一种焦距的微透镜，都需要先设计出相应的曲面。由于制作过程中，微透镜的面形受工艺条件等影响，难以精确控制，所以需要根据设计的曲面，进行大量的探索实验，探索出合适的工艺条件和参数。再根据这些参数和工艺条件，制作出所需的微透镜。最后通过微复制工艺将图案转移至稳定的材料，实现批量生产。传统的微复制工艺是等比例复制，复制出的微透镜曲面和制作出的微透镜曲面相同。因此使用传统的工艺，想要得到不同焦距的微透镜，就需要重新设计参数，探索实验条件(HOttevaere,R.C.,HPHerzig,TMiyashita,KNaessens,Comparingglassandplasticrefractivemicrolensesfabricatedwithdifferenttechnologies.)。由于传统方法制作微透镜往往需要进行大量的探索实验，制作周期长，工艺过程复杂，且成本高昂，这对微透镜进一步发展产生了较大限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是：本专利技术提出一种制作微透镜的新方法，利用物质的热膨胀进行微透镜的制作，根据物质热膨胀体积变化量和温度改变量的相关性，控制微透镜的面形，在微复制工艺中得到不同焦距的微透镜。本专利技术采用的技术方案为：一种微透镜的制作方法，该方法步骤为：步骤1)制成微透镜或者微透镜阵列，用作模板微透镜；步骤2)将聚合物倾倒在制成的微透镜或微透镜阵列上，在一定的温度下进行加热；步骤3)聚合物固化后，冷却到室温，脱去模板微透镜，在聚合物上得到最终的微透镜或微透镜阵列。(附图2)本方法中步骤1)中模板微透镜可以是任意材料制成的微透镜，例如光刻胶、金属和玻璃等。只是当使用的材料属于高聚物时，曲率的变化更明显。因为材料体积的改变量与材料的热膨胀系数成正比，与温度改变量成正比。相比其他物质，高聚物的热膨胀系数较大，受热后体积变化量大。但对于热膨胀系数小的材料，本专利技术的方法依然有效，只是曲率的变化相对较小。同时，模板微透镜可以是凹透镜也可以是凸透镜。若以凹透镜为模板，膨胀后微透镜的曲面上升，曲率增大。温度改变越多，物质膨胀越多，复制得到的微凸透镜的曲率越大，焦距越长；温度改变越少，物质膨胀越少，复制得到的微凸透镜的曲率相对较小，焦距改变相对较小。若以凸透镜为模板，则与此相反，膨胀后曲率减小，温度改变越多，曲率变得越小，焦距变得越短。因此如需要制作凹透镜阵列，可以以凸透镜阵列为模板；如需凸透镜阵列，可以以凹透镜阵列为模板。由于本专利技术制成的微透镜具有可控性，所以模板微透镜尽可能使用具有可控性的工艺制作。模板微透镜的面形可控，就使模板微透镜的曲率精准且可控，这样本专利技术对微透镜的曲率及焦距的控制也就更有意义。当模板微透镜不能有效控制面形时，仍可以测量得到模板微透镜的曲面面形，实现有效的控制。以一种可控性很好的模板微透镜为例：对负性光刻胶曝光并加热回流，制成模板微凹透镜。在低于未交联部分光刻胶的玻璃化转换温度以下，对微凹透镜再次加热，光刻胶不发生玻璃化转变，但发生热膨胀。未交联部分的光刻胶热膨胀系数大，受热后体积膨胀较多，交联部分的光刻胶热膨胀系数小，受热后体积基本不变。因此微透镜的曲面上升，曲率增大。将此时的微凹透镜曲面使用微复制材料复制下来，就得到新的微凸透镜。光刻胶热膨胀的多少，由温度改变量和热膨胀系数决定。当光刻胶选定以后，热膨胀系数不再变化，这样温度就成为改变光刻胶膨胀量的唯一因素。温度改变越多，光刻胶膨胀越多，得到的微凸透镜的曲率越大，焦距越长；温度改变越少，光刻胶膨胀越少，得到的微凸透镜的曲率相对较小，焦距相对较短。因此，调整对微凹透镜不同的加热温度，就会使光刻胶有不同程度的膨胀，得到不同的微凸透镜。此外，使用上述工艺制得的负性光刻胶微凹透镜为模板时，由于交联部分与未交联部分热膨胀系数不同，曲面的变化会更明显，曲率变化更大，得到的微凸透镜的曲率会更长。(附图3、附图4)此外，步骤1)中利用温度对微透镜的面形进行调整，温度的选择决定了形成的微透镜的面形。对于非晶物质，温度应控制在不使其发生玻璃化转变以下，对于晶态物质，温度应控制在其熔点以下。这样保证了物质只发生热膨胀，没有其他变化。否则在重力和表面张力的作用下，面形会发生改变，冷却后依旧保持改变后的面形，这样相当于模板发生了不可逆的变化。本方法步骤2)中作为微复制的材料可以使用如PDMS等原位聚合的材料。这样的原位聚合材料在未发生聚合反应前，以单体形式存在，具有良好的流动性，因此可以完全复制出完整的曲面面形，聚合后形成稳定的聚合物，可以作为良好的复制材料。对热膨胀系数等没有具体要求，但是当热膨胀系数和模板微透镜材料的热膨胀系数有明显差别时，会更容易将最终得到的微透镜和模板微透镜分离。这是因为冷却后，模板微透镜恢复室温，形貌恢复到室温下的状态，而该聚合物却复制下了膨胀时的模板微透镜的形貌，此时两者形貌不完全重合，从而可以轻松分离。本专利技术中主要利用物质的热膨胀，使用聚合物复制下膨胀状态的微透镜面形，当温度降回室温，模板微透镜恢复到热膨胀前的面形。因为不涉及熔融等变化，微透镜只是发生可逆的物理变化。因此下一次的微透镜制作，仍是以相同的微透镜为模板，再次升温膨胀，记录面形，不会对模板微透镜有任何损害，所以模板微透镜可以重复使用。一次热膨胀并复制曲面的时间相对较短，无需重复前面的曝光等工艺，所以制作周期大大缩短。本专利技术的原理在于：物质热膨胀是由于温度变化而引起的材料尺寸和外形的变化。对已制成的微透镜加热，微透镜材料会发生热膨胀，微透镜的曲面上升，曲率发生改变。将此时的微透镜面形用另一聚合物复制下来，在这种聚合物的表面就得到了新的微透镜。物质热膨胀的多少由温度的改变量和热膨胀系数决定。每种物质都有对应的热膨胀系数，选定一种物质后，热膨胀系数就确定了。改变实验中温度，就可以控制热膨胀的多少，就是对微透镜的曲面进行了控制。因此本专利技术中实现了在微复制工艺中，对于同样的微透镜，能复制出多种曲率和焦距的微透镜，并且具有可控性。(附图1)与现有技术相比，本专利技术首次提出利用物质的热膨胀进行微透镜的制作，根据物质热膨胀体积变化量和温度改变量的相关性，控制微透镜的面形，实现了在微复制工艺中得到不同焦距的微透镜。本专利技术简化了微透镜制作工艺，提高了工艺重复性，同时降低了微透镜制作成本，缩短了微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微透镜的制作方法，其特征在于：该方法步骤为：步骤1)制成微透镜或者微透镜阵列，用作模板微透镜；步骤2)将聚合物单体倾倒在制成的微透镜或微透镜阵列上，在一定的温度下进行加热；步骤3)聚合物固化后，冷却到室温，脱去模板微透镜，在聚合物上得到最终的微透镜或微透镜阵列。

【技术特征摘要】
1.一种微透镜的制作方法，其特征在于：该方法步骤为：步骤1)制成微透镜或者微透镜阵列，用作模板微透镜；步骤2)将聚合物单体倾倒在制成的微透镜或微透镜阵列上，在一定的温度下进行加热；步骤3)聚合物固化后，冷却到室温，脱去模板微透镜，在聚合物上得到最终的微透镜或微透镜阵列。2.根据权利要求1所述的一种微透镜的制作方法，其特征在于：步骤1)中模板微透镜可以是任意材料制成的微透镜，可以选择光刻胶、金属或玻璃。3.根据权利要求1所述的一种微透镜的制作方法，其特征在于：步骤1)中模板微透镜可以是凹透镜也可以是凸透镜；若以凹透镜为模板，膨胀后微透镜的曲面上升，曲率增大；温度改变越多，物质膨胀越多，复制得到的微凸透镜的曲率越大，焦距越长；温度改变越少，物质膨胀越少，复制得到的微凸透镜的曲率相对较小，焦距改变相对较小；若以凸透镜为模板，则与此相反，膨胀后曲率减小，温度改变越多，曲率变得越小，焦距变得越短；因此如需要制作凹透镜阵列，可以以凸透镜阵列为模板；如需凸透镜阵列，可以以凹透镜阵列为模板。4.根据权利要求1所述的一种微透镜的制作方法，其特征在于：步骤1)中利用温度对微透镜的面形进行调整，温度的选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，胡玥，熊瑛，侯双月，田扬超，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34