专利名称：一种利用电场诱导制造聚合物柱面微透镜的微加工方法
技术领域：
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种利用电场诱导制造聚合物柱面微透镜的微加工方法。
背景技术：
透镜是构成光学系统的基本光学元件之一，有会聚、发散、准直、成像等多种光学效果。柱面透镜又称为自聚焦透镜，指至少有一个折射面为柱面的透镜，其透镜的折射率沿径向变化。微透镜是指特征尺寸为微米级的微小透镜，其在基板上按一定形状排布的阵列称为微透镜阵列。柱面微透镜阵列具有尺寸小、重量轻、集成性好等优点，可用于光信息处理、CCD阵列、光互连、激光器、光数据传输等多个技术领域。微透镜可由多种材料加工，玻璃是应用最广泛的材料，但玻璃硬度高、柔性差。相比玻璃微透镜，聚合物微透镜不仅更为轻便，而且由于其柔性好，有更大的设计自由度，可应用于柔性光学系统。现有的制备聚合物柱面微透镜阵列的技术有激光加工技术和热压模成型技术。激光加工技术利用激光的热效应直接在基材表面加工出柱面微透镜结构。这种方法需要逐个加工微透镜，速度慢，生产效率低。而且激光加工的热效应会使聚合物产生熔融物质，增大微透镜表面的粗糙度，影响其光学效果。热压模成型技术在母模上加工出柱面微透镜结构， 令加热到熔融态的聚合物填充模具，冷却后得到复型的微透镜。热压模技术可一次成型大面积微透镜阵列，但加热冷却过程会使聚合物出现收缩，影响复型精度。同时柱面微尺度模具的加工也十分困难，影响了这一技术的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用电场诱导制造聚合物柱面微透镜的微加工方法，容易加工微柱面，加工时不会影响微透镜精度，具有生产效率高、工艺简单、成本低的优点。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种利用电场诱导制造聚合物柱面微透镜的微加工方法，包括以下步骤1)在SiO2基材上用光刻工艺加工出导电栅线结构的负图形，使用溅射沉积设备在图形化的光刻胶层上溅射一层厚度为纳米级的透明金属层，剥离掉光刻胶层即在透明的 SiO2基材上就形成了透明导电栅线结构，之后在图形化模板上旋涂一层SU-8胶，并光刻显影，在图形区周围形成一圈支架，形成柱面电场等值面；2)用溅射沉积设备在S^2基材的底部蒸镀导电ITO层；3)使用勻胶机在蒸镀有导电ITO的S^2基材表面旋涂紫外光固化聚合物薄膜，紫外光固化聚合物薄膜的厚度为微米级；4)以0. 5MPa的压力P将第一步制备的带有导电栅线结构的透明模板压在紫外光固化聚合物上，使SU-8胶制成的支架压入紫外光固化聚合物薄膜中，以控制导电栅线结构和紫外光固化聚合物薄膜之间的距离；
5)使用直流电源，电压调节范围0-200V，在透明模板的导电栅线结构处接正极， 在涂铺有紫外光固化聚合物薄膜的基材处接负极，平面的导电栅线结构会在紫外光固化聚合物薄膜表面产生呈柱面的电场强度等值面，静电场产生的静电压强会改变紫外光固化聚合物薄膜的内压分布，使其按柱面电场强度等值面的分布进行流变，并形成柱面微透镜结构；6)使紫外光固化聚合物在稳定电压值的电场下保持20分钟至2小时，直至聚合物流变形成柱面微透镜结构；7)采用365nm波长的紫外光，曝光固化聚合物，脱去模板，即可得到所需的聚合物柱面微透镜阵列。电场诱导技术制得的聚合物柱面微透镜阵列具有工艺简单、成本低的优点。利用导电栅线结构可以在空间上产生的柱面电场强度等值面，诱导聚合物薄膜按柱面电场强度等值面流变形成柱面微透镜。通过控制电压大小和栅线结构与聚合物薄膜之间的距离可以改编电场强度等值面的形貌，获得具有不同高度和弧度的柱面微透镜阵列。由于使用了紫外光固化聚合物作为加工材料，可以实现常温加工，解决了加热冷却过程导致的微透镜收缩的问题。由于本发明不需要特殊的加工条件和复杂的设备，能够降低加工成本；电场诱导技术简化了柱面微透镜的加工工序，缩短了加工时间，提高了生产效率，本发明所制备的柱面微透镜阵列，可应用于各种半导体激光准直、激光光纤耦合、光计算、机器视觉、三维成像等多种光学系统。
图1为本发明带有导电栅线结构的模板的示意图。图2为本发明涂铺有液态紫外光固化聚合物薄膜的基材的示意图。图3为本发明将带有导电栅线结构的透明模板压入紫外光固化聚合物薄膜的示意图。图4为本发明外加电压后带有导电栅线结构的透明模板在紫外光固化聚合物薄膜表面产生的柱面电场强度等值面示意图。图5为本发明电场诱导紫外光固化聚合物薄膜形成柱面微透镜阵列的示意图。图6为本发明紫外线照射固化已成形的微透镜阵列的示意图。图7为本发明脱模后获得的柱面微透镜阵列的示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细描述。一种利用电场诱导制造聚合物柱面微透镜的微加工方法，包括以下步骤1)导电栅线结构的负图形设计为微米级栅线结构，根据数值仿真分析，导电的栅线结构会在空间上产生柱面的电场等值面，采用溅射沉积、光刻系统制备透明导电栅线模板，如附图1所示，在S^2基材1用光刻工艺加工出导电栅线结构的负图形，并用溅射沉积设备在图形化的光刻胶层上溅射一层厚度为纳米级的透明金属层，剥离掉光刻胶层即在透明的SiO2基材上就形成了透明导电栅线结构3，之后在图形化模板上旋涂一层SU-8胶，并光刻显影，在图形区周围形成一圈支架2，导电栅线结构3的厚度k为纳米级，导电栅线结构3的宽度w为微米级，导电栅线结构3的间距wl为微米级，SU-8支架2的高度H为微米级；2)如附图2所示，使用溅射沉积设备在SiO2基材的底部4蒸镀导电纳米铟锡金属氧化物ITO层5 ；3)如附图3所示，使用勻胶机在导电纳米铟锡金属氧化物ITO层5表面旋涂紫外光固化聚合物薄膜6，紫外光固化聚合物薄膜6的厚度d为微米级；4)如附图4所示，以0. 5MPa的压力P7将第一步制备的带有导电栅线结构的透明模板压入紫外光固化聚合物薄膜6，使SU-8胶制成的支架2的完全压入紫外光固化聚合物薄膜6中，保证导电栅线结构3和紫外光固化聚合物薄膜6之间的空隙尺寸为SU-8胶制成的支架2的高度H减去紫外光固化聚合物薄膜6的厚度d ；5)使用数字式直流电源8，电压调节范围0-200V，在透明模板的导电栅线结构3处接直流电源的正极，在导电纳米铟锡金属氧化物ITO层5处接直流电源的负极，调整电压大小，使导电栅线结构3在紫外光固化聚合物薄膜6表面产生呈柱面的电场强度等值面9，并且令电场强度大到可以克服紫外光固化聚合物薄膜6表面张力和重力的阻碍，流变形成柱面微透镜结构，如附图4所示，紫外光固化聚合物薄膜6表面存在柱面电场等值面，按麦克斯韦张力理论，受静电压强影响的紫外光固化聚合物薄膜6的内部压强也呈柱面分布，由于流变过程中聚合物会按等压面产生流变行为，最终紫外光固化聚合物薄膜6会流变形成柱面微透镜结构7 ；6)如附图5所示，使紫外光固化聚合物薄膜在柱面的电场强度等值面下保持20分钟至2小时，流变形成与柱面电场等值面形貌一致的柱面微透镜结构；7)如附图6所示，采用商用紫外固化设备产生紫外光11，曝光固化紫外光固化聚合物，脱去模板，即可得到所需的柱面微透镜结构10。通过上述方法，可实现的柱面微透镜阵列的尺寸组合为基材上旋涂的紫外光固化聚合物薄膜的厚度d为微米级，透明模板导电栅线结构的宽度w为微米级，透明模板导电栅线结构的间距《1为微米级，透明模板导电栅线结构的厚度k为纳米级，SU-8支架的高度 H为微米级，制得的柱面微透镜阵列的高度dl为微米级，柱面微透镜阵列的周期1为微米级，单个柱面微透镜的宽度为微米级，单个柱面微透镜的曲率半径r为微米级。聚合物柱面微透镜阵列的常温电场诱导制造工艺，利用导电栅线结构在聚合物表面产生柱面电场等值面，根据麦克斯韦张力理论使液态聚合物薄膜内部的压强分布也呈柱面分布，令聚合物按柱面的压强分布产生流变行为，从而形成柱面微透镜结构，一次性加工出聚合物柱面微透镜阵列。该制造方法通过电场对物质产生的张力效应和栅线电极会产生柱面电场等值面的原理，实现柱面微透镜结构的制造，具有工艺简单、设备成本低、不需要加工复杂的柱面模具等优点。带有导电栅线的模板利用电场产生的麦克斯韦张力作为驱动力，不需要直接接触待加工的聚合物，避免了在脱模过程对已成形柱面微透镜结构的破坏。 改变导电栅线结构的图形和调整外加电压的大小即可实现对柱面微透镜结构的尺寸、高度和曲率半径的控制。与激光加工技术和热压模成型技术制得的柱面微透镜阵列相比，电场诱导制得的柱面微透镜阵列有加工时间短、可通过调节电场分布调节柱面高度和曲率半径的优点。本发明所采用的工艺组合具有加工步骤简单、加工设备成本低的优点。由于电场分布的特性， 栅线导电图形可以在空间上产生柱面分布的电场等值面，不需要加工复杂的柱面微透镜结构作为模具，降低了模具加工成本，而且可以一次性加工出大面积柱面微透镜阵列。并且使用紫外光固化聚合物可以在常温下完成整个工艺过程，避免了高温工艺和升温降温过程对微透镜柱面表面形貌的破坏，制得的柱面微透镜阵列缺陷更少。 本发明克服了传统激光加工技术中存在的局部加热导致聚合物熔融破坏微透镜形貌的问题，并且克服了热压模成型技术加工柱面微模具的困难，一次性制得大面积、低缺陷的聚合物柱面微透镜。本发明采用导电栅线结构在空间内形成柱面电场等值面诱导紫外光固化聚合物的流变，使其形成柱面微透镜结构。可以通过改变导电栅线的尺寸和外加电压大小控制柱面微透镜阵列的尺寸和曲率半径，发展出了一种新的柱面微透镜阵列加工技术。
权利要求
1. 一种利用电场诱导制造聚合物柱面微透镜的微加工方法，其特征在于，包括以下步骤1)在SiO2基材上用光刻工艺加工出导电栅线结构的负图形，使用溅射沉积设备在图形化的光刻胶层上溅射一层厚度为纳米级的透明金属层，剥离掉光刻胶层即在透明的SiO2基材上就形成了透明导电栅线结构，之后在图形化模板上旋涂一层SU-8胶，并光刻显影，在图形区周围形成一圈支架，形成柱面电场等值面；2)用溅射沉积设备在SiO2基材的底部蒸镀导电ITO层；3)使用勻胶机在蒸镀有导电ITO的S^2基材表面旋涂紫外光固化聚合物薄膜，紫外光固化聚合物薄膜的厚度为微米级；4)以0.5MPa的压力P将第一步制备的带有导电栅线结构的透明模板压在紫外光固化聚合物薄膜上，使SU-8胶制成的支架压入紫外光固化聚合物薄膜中，以控制导电栅线结构和紫外光固化聚合物薄膜之间的距离；5)使用直流电源，电压调节范围0-200V，在透明模板的导电栅线结构处接正极，在涂铺有紫外光固化聚合物薄膜的基材处接负极，平面的导电栅线结构会在紫外光固化聚合物薄膜表面产生呈柱面的电场强度等值面，静电场产生的静电压强会改变紫外光固化聚合物薄膜的内压分布，使其按柱面电场强度等值面的分布进行流变，并形成柱面微透镜结构；6)使紫外光固化聚合物在稳定电压值的电场下保持20分钟至2小时，直至聚合物流变形成柱面微透镜结构；7)采用365nm波长的紫外光，曝光固化聚合物，脱去模板，即可得到所需的聚合物柱面微透镜阵列。
全文摘要
一种利用电场诱导制造聚合物柱面微透镜的微加工方法，先在SiO2基材上加工形成透明导电栅线结构，旋涂SU-8胶，光刻显影成一圈支架，形成柱面电场等值面，再在SiO2基材的底部蒸镀导电ITO层，然后旋涂紫外光固化聚合物，再将透明模板压在紫外光固化聚合物上，使SU-8胶制成的支架压入聚合物薄膜中，再使用直流电源使平面的导电栅线结构在聚合物薄膜表面产生呈柱面的电场强度等值面，并形成柱面微透镜结构，在稳定电压值的电场下保持至聚合物流变形成柱面微透镜结构，最后采用紫外光曝光固化聚合物，脱去模板，即可得到所需的聚合物柱面微透镜阵列，本发明具有生产效率高、工艺简单、成本低的优点。
文档编号G02B3/00GK102253435SQ201110193099
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者丁玉成, 刘红忠, 李欣, 李祥明, 田洪淼, 邵金友 申请人:西安交通大学