CN114153013A - 一种微透镜阵列的制备方法及微透镜阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微透镜阵列的制备方法，包括：提供一基底，并在基底上涂布一层疏水性材料层；使用紫外光透过掩模版照射所述基底，掩膜板上设置有多个图案，紫外光透过多个图案照射基底；将基底放置在碱液中进行浸泡，获取具有亲疏水层，其中，亲疏水层包括亲水区域和疏水区域，亲水区域为被紫外光照到的区域，疏水区域为未被紫外光照到的区域，亲水区域的表面能大于疏水区域的表面能；在所述基底上涂布液态树脂，经固化后获取微透镜阵列，其中，在具有亲疏水层的基底上涂布液态树脂，液态树脂将附着在亲水区域，经固化后获得微透镜阵列。本发明所制备的微透镜阵列表面轮廓光滑，大小均一、光学性能极佳，可在平面或曲面基底上制备微透镜阵列。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域，特别是涉及一种微透镜阵列的制备方法及微透镜阵列。
背景技术
微透镜阵列具有体积小、质量轻、集成度高、造价低等优点，能提供特定的光学功能，提高光学系统的性能，精简系统的结构，在军事、医疗等领域有着广泛的应用，例如均匀照明、光束聚能及整形、光学波前检测、光场相机等。微透镜的制备方法主要有热压印法、光刻胶热熔法、微液滴喷墨法、精密机械加工法、飞秒激光加工法等。其中热压印法制备微透镜阵列具有一次性制备，速度快的优点，缺点是依赖模板，加工程序多，易填充不完整导致表面粗糙度大。光刻胶热熔法制备微透镜阵列工艺成熟，容易复制且制作周期短，但制备的微透镜阵列填充因子低，剂量控制精确度低，导致透镜尺寸精确度低。微液滴喷墨法制备微透镜阵列工艺步骤少，材料利用率高，但其墨水黏度不易控制，喷射稳定性和透镜阵列可控性较差。精密机械加工法制备微透镜阵列，可按照需要制备各种类型的透镜阵列，但其加工精度较低，粗糙度较大。飞秒激光加工法制备微透镜阵列因飞秒激光能量高，可加工的材料选择范围广，能够实现三维曲面可设计加工，高填充因子等需求，但逐点扫描的方式使其加工效率相对较低且设备昂贵。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种微透镜阵列的制备方法及微透镜阵列，提供一基底，并通过在基底上涂布疏水性材料溶液，使用紫外光透过掩膜板照射所述基底，并维持照射一定时间后，将所述基底放置在碱液中浸泡，再将其拿出清洗干净以形成具有亲疏水层，其中被紫外光照射的区域为所述亲水区域，未被所述紫外光照射的区域为所述疏水区域，再在所述基底上涂布液态树脂，获取微透镜阵列。
本发明提出一种微透镜阵列的制备方法，包括：
提供一基底，并在所述基底上涂布一层疏水性材料层；
使用紫外光透过掩模版照射所述基底，所述掩膜板上设置有多个图案，所述紫外光透过所述多个图案照射所述基底；
将所述基底放置在碱液中进行浸泡，获取具有亲疏水层，其中，所述亲疏水层包括亲水区域和疏水区域，所述亲水区域为被所述紫外光照到的区域，所述疏水区域为未被所述紫外光照到的区域，所述亲水区域的表面能大于所述疏水区域的表面能；
在所述基底上涂布液态树脂，获取微透镜阵列，其中，在具有所述亲疏水层的所述基底上涂布液态树脂，所述液态树脂将附着在所述亲水区域，经固化后获得微透镜阵列。
在本发明的一个实施例中，所述基底包括石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和曲面玻璃中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述紫外光的波长为254nm，所述紫外光的强度为2mW/cm2-100mW/cm2，所述紫外光照射时间为0.5h-10h。
在本发明的一个实施例中，所述多个图案为圆孔、六边形孔、八边形孔和矩形孔中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述图案个数至少为包括一个，且所述图案呈矩形或六边形排布，所述图案之间的间距大于3μm。
在本发明的一个实施例中，所述的疏水性材料层的分子式为R-(CH2)nSiCl3(n＝0-17)或R-(CH2)nSiH3(n＝0-17)，其中R表示烃基。
在本发明的一个实施例中，所述亲水区域的表面能与所述疏水区域的表面能的差值大于10mN/m。
在本发明的一个实施例中，所述碱液浓度为0.1M-5M，所述基底浸润时间为5min-500min。
在本发明的一个实施例中，所述液态树脂为紫外固化胶NOA65、NOA81、NOA61、NOA60、NOA63、NOA68、NOA71、NOA72、NOA73、NOA74、NOA75、NOA78、NOA83H、NOA84、NOA85和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
本发明还提出一种微透镜，应用了所述微透镜阵列的制备方法，包括：
基底；
亲疏水层，位于所述基底上，所述亲疏水层包括亲水区域和疏水区域，所述亲疏区域和所述疏水区域间隔形成于所述基底上；
多个微透镜，位于所述亲水区域上；
其中，所述多个微透镜是由液态树脂所固化后获得。
本发明提出一种微透镜阵列的制备方法，提供一基底，并通过在基底上疏水性材料层，使用紫外光透过掩膜板照射所述基底，并维持照射一定时间后，将所述基底放置在碱液中浸泡，再将其拿出清洗干净以形成具有亲疏水层，其中被紫外光照射的区域为所述亲水区域，未被所述紫外光照射的区域为所述疏水区域，再在所述基底上涂布液态树脂，获取微透镜阵列，本发明通过使用具有疏水性的材料十八烷基三氯硅烷修饰基底，无需高温处理，可在室温条件下在基底上形成疏水层；使用254纳米的紫外光透过掩模版照射十八烷基三氯硅烷层修饰的基底；再使用碱液处理基底后获得具有亲疏水图案的基底，其中被光照到的区域变得亲水，未被光照到的区域保持疏水；将光学液体涂覆在该亲疏水图案修饰的基底表面时，液体将附着在亲水区域，并在表面张力的作用下自组装形成微液滴阵列，从而获得具有较高光学性能的微透镜阵列。本发明提出的制备方法中操作步骤均在室温下进行，基底材料的选择范围广，方便在平面基底或曲面基底上加工，易于实际生产加工；并且利用液体在具有亲疏水差异的表面自组装形成微透镜阵列，可通过设计掩膜版来控制亲疏水差异的图案，所制备的微透镜阵列表面轮廓光滑，光学性能极佳。本发明提出的一种微透镜制备方法直接在平面基底或曲面基底上制作出亲疏水图案化的修饰层，再将光学液体涂覆在基底表面，使液体自组装形成微凸透镜阵列。基于该工艺所制备的微透镜阵列具有良好的聚焦特性以及均一性，从而保证了光学应用的可能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例中微透镜阵列的制备方法流程图。
图2为本实施例中涂布有疏水性材料层的基底示意图。
图3为本实施例中照射基底的示意图。
图4为本实施例中掩模板的结构示意图。
图5为将照射过的基板浸润在碱液中的示意图。
图6为本实施例中具有亲疏水图案化修饰层的基底的示意图。
图7为本实施例中在基底上刮涂液态光敏树脂的示意图。
图8为本实施例中液态树脂阵列固化的示意图。
图9为本实施例中固化后的微透镜阵列结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明通过提出一种微透镜阵列的制备方法，如图1所示，所述制备方法包括：
S1、提供一基底，并在所述基底上涂布一层疏水性材料层。
S2、使用紫外光透过掩模版照射所述基底，所述掩膜板上设置有多个图案，所述紫外光透过所述多个图案照射所述基底。
S3、将所述基底放置在碱液中进行浸泡，获取具有亲疏水层，其中，所述亲疏水层包括亲水区域和疏水区域，所述亲水区域为被所述紫外光照到的区域，所述疏水区域为未被所述紫外光照到的区域，所述亲水区域的表面能大于所述疏水区域的表面能。
S4、在所述基底上涂布液态树脂，获取微透镜阵列，其中，在具有所述亲疏水层的所述基底上涂布液态树脂，所述液态树脂将附着在所述亲水区域，经固化后获得微透镜阵列。
如图1及图2所示，在本实施例中，在步骤S1中通过提供一基底10，并在所述基底10上涂布一层疏水性材料层，形成涂布层20，所述的疏水性材料层的分子式为R-(CH2)nSiCl3(n＝0-17)，其中R表示烃基，所述疏水性材料层包括十八烷基三氯硅烷或其衍生物；所述的疏水性材料层的分子式还可以为R-(CH2)nSiH3(n＝0-17)，其中R表示烃基，所述疏水性材料层还可以设置为三乙氧基十八烷基硅烷或其衍生物。在本实施例中，例如设置为十八烷基三氯硅烷溶液，涂布十八烷基三氯硅烷溶液的方法可以为刮涂法、提拉法、旋涂法中的一种，例如设置为旋涂法以提高十八烷基三氯硅烷溶液的均匀性，提高形成微透镜的质量和一致性，在本实施例中，所述基底10例如设置为透明玻璃基底，在一些实施例中，基底10还包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和曲面玻璃中的一种或多种，在本实施例中，所述十八烷基三氯硅烷溶液的溶质为十八烷基三氯硅烷，溶剂为甲苯，所述十八烷基三氯硅烷溶液的浓度例如为5mM-100mM，例如设置为10mM，所述溶液的浓度范围是为了方便成膜，溶液浓度过高，不易旋涂以形成涂布层20，溶液浓度太低，会造成成膜不连续，即涂布层20的质量较差，以导致后续形成亲疏水层100的质量较差甚至无法形成亲疏水层100。在一些实施例中，所述疏水性材料层例如还可以设置为三乙氧基十八烷基硅烷，该溶液相对其他溶液溶剂挥发温度低，无需加热处理，可在室温条件下成膜。在一些实施例中，所述溶剂还包括三氯乙烯，通过使用具有疏水性的材料十八烷基三氯硅烷修饰基底，无需高温处理，可在室温条件下在基底上形成疏水层，提高微透镜制备效率，在室温下即可进行，操作方便。
如图2所示，在一具体实施例中，在步骤S1中，通过提供一基底10，所述基底10例如为2cm×2cm大小的透明玻璃，用清洗液，丙酮和去离子水依次超声清洗所述基底10，并用氮气枪进行吹干后放置在110℃的环境下烘干，再用紫外臭氧清洗机处理基底10的表面10分钟，以去除基底10表面上的杂质，以便于后续步骤的进行，提高微透镜的质量。
如图2所示，在一具体实施例中，在步骤S1中采用旋涂法将十八烷基三氯硅烷溶液涂布在基底10上，以形成一层涂布层20，旋涂法中旋涂仪的转速例如设置为1000r/min，旋涂时间例如设置为20s，提高基底10上的涂布层20的均匀性，以提高后续形成透镜时的质量和透镜的一致性。
如图1及图3所示，在本实施例中，在步骤S2中通过使用紫外光透过掩膜板30照射涂有涂覆层20的基底10，所述紫外光例如设置为波长为254nm的紫外光，其光照强度例如设置为2mW/cm2-100mW/cm2，其照射时间例如设置为0.5h-10h，利用紫外光照射，只需紫外灯，无需昂贵的紫外光刻设备或等离子刻蚀设备，能够降低生产成本。且可对曲面的基底10进行光照处理，在曲面的基底10上获得亲疏水层，制备曲面微透镜阵列。如图4所示，所述掩膜板30上设置有多个图案31，所述多个图案31例如设置为圆孔形状，在一些其他实施例中，所述图案31还包括六边形孔、八边形孔和矩形孔中的一种或多种。在本实施例中，所述图案31个数至少为包括一个，例如设置为20个，且所述图案31呈矩形或六边形排布，所述图案31之间的间距大于3μm，避免不同图案31之间相互影响，以提高形成微透镜的质量。在本实施例中，紫外光透过掩模版照射十八烷基三氯硅烷，如果间距过小，对紫外光的遮挡不足，以导致无法形成精细的图案，本实施例中通过将间距设为大于3μm，以提高形成微透镜的质量。在本实施例中，所述掩膜板30上设置有图案31的部分为透光区域，未设置图案31的部分为遮光区域，在掩膜板30的作用下，紫外线经过所述透光区域照射所述基底10，在基底10上形成被光照射过的区域和未被光照射的区域。
如图3及图4所示，在一具体实施例中，在步骤S2中使用波长为254nm的紫外线透过掩膜板30对所述基底10进行照射，照射时间例如设置为1.5h，紫外光的强度例如设置为15mW/cm2。所述掩膜板30上的图案31设置为圆孔，所述圆孔区域为透光区域，未设置圆孔区域为遮光区域，所述图案31的数量例如设置为20个，所述图案31呈矩形排列，在本实施例中，所述圆孔的直径设置为200微米，各个图案31之间的间距例如设置为20微米，避免不同图案31之间相互干扰，造成后续亲水区域101和疏水区域102之间的界限不明显，使得后续形成透镜时相互干扰，造成形成透镜的质量下降。
如图1及图5所示，在本实施例中，在步骤S3中将经过紫外线照射过的基底10放置在碱液中浸泡后，取出洗净。如图6所示，所述基底10上形成亲疏水层100，其中，所述亲疏水层100包括亲水区域101和疏水区域102，所述亲水区域101为被所述紫外光照到的区域，所述疏水区域102为未被所述紫外光照到的区域，并且所述亲水区域101的表面能大于所述疏水区域102的表面能。在本实施例中，所述亲水区域101的表面能与所述疏水区域102的表面能的差值大于10mN/m，以保证在后续形成透镜时亲水区域101和疏水区域102之间不会相互干扰，以提高形成的透镜的质量。表面能之间的差值越大，越容易形成微透镜阵列，当液体流经亲疏层100的表面时，表面能越低，液体越难附着，表面能越高，液体越容易附着，通过使得亲水区域101和疏水区域102的表面能差值增大，以使得表面刮涂液体时更容易实现液滴阵列，从而实现微透镜阵列。在本实施例中，所述碱液例如设置为氢氧化钠溶液，所述氢氧化钠溶液的溶剂使用去离子水，避免浸泡时溶剂对基底10造成的影响，以提高微透镜的质量，并且所述碱液的浓度例如设置为0.1M-10M，所述基底10在碱液中浸泡时间例如为5min-500min，使用去离子水以避免引入其他离子，对后续形成微透镜造成影响，若浸泡时间过短，被紫外光照射的区域的十八烷基三氯硅烷没有完全溶解，无法获得精细的图案，若浸泡时间过长，图案溶解过度，无法获得预定图案。在本实施例中，经过碱液浸泡处理后，所述基底10上未被光照射到的区域保持其固有的表面能形成疏水区域102，其表面能例如为23mN/m，被光照射的区域其表面能增大形成亲水区域101，其表面能例如为34mN/m，其表面能的具体数值取决于紫外光强度和照射时间，以及碱液浓度和浸泡时间，本发明所提出的微透镜阵列的制备方法可根据需要来调节紫外光强度和照射时间，以及碱液浓度和浸泡时间，适用范围广，适应性强。
如图5至图6所示，在一具体实施例中，在步骤S3中将经过紫外光照射后的基底10放置在碱液中浸泡15分钟，所述碱液的浓度例如设置为1M，所述碱液例如为氢氧化钠溶液，其中溶剂为去离子水，避免浸泡时溶剂对基底10造成的影响，以提高微透镜的质量。经过在碱液中浸泡后，获取具有亲疏水层100，其中，所述亲疏水层100包括亲水区域101和疏水区域102，所述亲水区域101为被所述紫外光照到的区域，所述疏水区域102为未被所述紫外光照到的区域，所述亲水区域101的表面能大于所述疏水区域102的表面能，所述亲水区域101的表面能与所述疏水区域102的表面能的差值大于10mN/m，以保证在后续形成透镜时亲水区域101和疏水区域102之间不会相互干扰，以提高形成的透镜的质量，在本实施例中，所述亲水区域101的表面能例如为60mN/m，疏水区域102的表面能例如为20mN/m。
如图1及图7所示，在本实施例中，在步骤S4中通过在所述基底上涂布液态树脂，获取微透镜阵列，其中，在具有所述亲疏水层的所述基底上涂布液态树脂，所述液态树脂将附着在所述亲水区域，经固化后获得微透镜阵列。液态树脂将附着在亲水区域，在疏水区域无液态树脂残留，液态树脂在在表面张力的作用下自组装形成微液滴阵列，经固化后，形成具有较高光学性能、大小均一的微透镜阵列。在本实施例中，所述液态树脂为紫外固化胶NOA65、NOA81、NOA61、NOA60、NOA63、NOA68、NOA71、NOA72、NOA73、NOA74、NOA75、NOA78、NOA83H、NOA84、NOA85和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。在本实施例中，涂覆液态树脂的方法可以为刮涂法、提拉法、旋涂法中的一种，例如设置为旋涂法以提高液态树脂的均匀性，提高形成微透镜的质量和一致性。
如图7所示，在一具体实施例中，在步骤S4中使用线棒103将液态光敏树脂NOA65刮涂在具有亲疏水图案化100的基底10上，液态光敏树脂将附着在亲水区域101上，并且在表面张力的作用下形成微透镜阵列。
如图8至图9所示，在一具体实施例中，在步骤S4中使用波长为365nm的紫外光照射所述光敏树脂，进行固化，已形成固体微透镜阵列40。
如图9所示，本发明还提出一种微透镜阵列，包括基底10，亲疏水层100，和多个微透镜40，所述亲疏水层100位于所述基底10上，所述亲疏水层100包括亲水区域101和疏水区域102，所述亲疏区域101和所述疏水区域102间隔形成与所述基底10上，所述多个微透镜40形成与所述亲水区域101上，所述微透镜40的材料包括液态树脂，所述多个微透镜40呈矩形排列，所述微透镜40之间的间隔大于3μm，避免不同微透镜40之间相互影响，以提高形成微透镜的质量。
本发明提出一种微透镜阵列的制备方法，提供一基底，并通过在基底上涂布疏水性材料层，使用紫外光透过掩膜板照射所述基底，并维持照射一定时间后，将所述基底放置在碱液中浸泡，再将其拿出清洗干净以形成具有亲疏水层，其中被紫外光照射的区域为所述亲水区域，未被所述紫外光照射的区域为所述疏水区域，再在所述基底上涂布液态树脂，获取微透镜阵列，本发明通过使用具有疏水性的材料十八烷基三氯硅烷修饰基底，无需高温处理，可在室温条件下在基底上形成疏水层；使用紫外光透过掩模版照射十八烷基三氯硅烷层修饰的基底；再使用碱液处理基底后获得具有亲疏水图案的基底，其中被光照到的区域变得亲水，未被光照到的区域保持疏水；将光学液体涂覆在该亲疏水图案修饰的基底表面时，液体将附着在亲水区域，并在表面张力的作用下自组装形成微液滴阵列，从而获得具有较高光学性能的微透镜阵列。
本发明提出的制备方法中操作步骤均在室温下进行，基底材料的选择范围广，方便在平面基底或曲面基底上加工，易于实际生产加工；并且利用液体在具有亲疏水差异的表面自组装形成微透镜阵列，可通过设计掩膜版来控制亲疏水差异的图案，所制备的微透镜阵列表面轮廓光滑，光学性能极佳。
本发明提出的一种微透镜制备方法直接在平面基底或曲面基底上制作出亲疏水图案化的修饰层，再将光学液体涂覆在基底表面，使液体自组装形成微凸透镜阵列。基于该工艺所制备的微透镜阵列具有良好的聚焦特性以及均一性，从而保证了光学应用的可能性。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的范围并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。
Claims (10)
1.一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括：
提供一基底，并在所述基底上涂布一层疏水性材料层；
使用紫外光透过掩模版照射所述基底，所述掩膜板上设置有多个图案，所述紫外光透过所述多个图案照射所述基底；
将所述基底放置在碱液中进行浸泡，获取具有亲疏水层，其中，所述亲疏水层包括亲水区域和疏水区域，所述亲水区域为被所述紫外光照到的区域，所述疏水区域为未被所述紫外光照到的区域，所述亲水区域的表面能大于所述疏水区域的表面能；
在所述基底上涂布液态树脂，经固化后获取微透镜阵列，其中，在具有所述亲疏水层的所述基底上涂布液态树脂，所述液态树脂将附着在所述亲水区域，经固化后获得微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述基底包括石英玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和曲面玻璃中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述紫外光的波长为254nm，所述紫外光的强度为2mW/cm2-100mW/cm2，所述紫外光照射时间为0.5h-10h。
4.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述多个图案为圆孔、六边形孔、八边形孔和矩形孔中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述图案个数至少为包括一个，且所述图案呈矩形或六边形排布，所述图案之间的间距大于3μm。
6.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述的疏水性材料层的分子式为R-(CH2)nSiCl3(n＝0-17)或R-(CH2)nSiH3(n＝0-17)，其中R表示烃基。
7.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述亲水区域的表面能与所述疏水区域的表面能的差值大于10mN/m。
8.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述碱液浓度为0.1M-5M，所述基底浸润时间为5min-500min。
9.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述液态树脂为紫外固化胶NOA65、NOA81、NOA61、NOA60、NOA63、NOA68、NOA71、NOA72、NOA73、NOA74、NOA75、NOA78、NOA83H、NOA84、NOA85和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
10.一种微透镜阵列，其特征在于，包括：
基底；
亲疏水层，位于所述基底上，所述亲疏水层包括亲水区域和疏水区域，所述亲疏区域和所述疏水区域间隔形成于所述基底上；
多个微透镜，位于所述亲水区域上；
其中，所述多个微透镜是由液态树脂所固化后获得。
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