[发明专利]一种微透镜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光学工程材料技术领域，更加具体地说，涉及一种光学器件，一种微透镜阵列及其制备方法。

背景技术

微透镜阵列是一系列口径在几个微米到几百个毫米的微小型透镜按一定排列组成的阵列。微透镜及其阵列是微光学系统中的重要器件之一，被广泛地应用于光学信息处理、光束整形、光学器件互连、三维成像等领域。近年来，用具有可塑性、重量轻的光学材料制备微光学元件的生产技术引起了人们的广泛关注。特别是有机聚合物，由于其容易加工，能大大简化制作工艺，得到的微透镜及其阵列具有高性能而更加引人注目。微透镜具有许多优点，诸如薄片状；重量轻；可复制；价格低廉；衍射效率高导致的充分利用光能；用计算机可设计能产生任意波面的微透镜；可以微型化与阵列化，并且可以同微电子器件一起集成化，提供微光电一体的集成器件，在光学传感、光通信、光计算、光互连和光学神经网络等领域，利用微透镜阵列可以实现光束的发射、聚焦、偏折、分割、复合、开关、耦合、接收等功能。

目前，聚合物微透镜及其阵列的制备方法有很多，如：光刻胶热熔法、离子束刻蚀、激光直接写入、微喷打印、灰度掩膜光刻法、各向异性刻蚀法和软模或硬模压印法等。在这些方法中，热熔法被认为是一种成本低，可以批量生产的方法，但是光刻胶有一定的颜色，工艺过程需要花费较长的时间并且难以精确控制微透镜的形状和高度。各向异性刻蚀方法中，由于光刻胶和玻璃的刻蚀速率不一样，光刻胶的微透镜很难精确地转移到玻璃上，激光直写技术很难提供高的精度和批量生产，热模压技术需要高的温度和压力导致图像转移精度不高。其他的方法，工艺复杂，对实验设备要求高，所得微透镜成本高。因此，研制一种新型聚合物微透镜阵列的制作方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在于寻求一种简单易行，成本较低，工艺流程简化，实验设备简便并可以大规模生产的微透镜阵列的制作方法。提出了利用水滴模板法制作模板，再用冰-水转化的方法来制备不同尺寸的PDMS微透镜阵列。制得的微透镜及其阵列具有尺寸可控，形貌规整等特点。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种微透镜的制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，以利用水滴模板法制得的蜂窝状有序多孔膜作为模板，使用聚甲基硅氧烷在模板上进行浇铸，以得到聚甲基硅氧烷印章；

步骤2，使用氧等离子体对聚甲基硅氧烷印章进行修饰，以得到亲水性表面，将聚甲基硅氧烷印章表面基团由疏水性的Si-CH变为亲水性的Si-OH；

步骤3，将亲水性表面修饰后的聚甲基硅氧烷印章进行全氟化处理，利用全氟癸基三氯硅烷与聚甲基硅氧烷印章进行反应，并使全氟癸基三氯硅烷与聚甲基硅氧烷印章之间形成稳定化学键键合，再将聚甲基硅氧烷在经过全氟化处理的聚甲基硅氧烷印章上进行浇铸，以得到反向的聚甲基硅氧烷印章，即与之前利用水滴模板法制得的蜂窝状有序多孔膜作为模板制备的凸向的聚甲基硅氧烷印章相比，在全氟化处理的聚甲基硅氧烷印章上进行浇铸的第二层聚甲基硅氧烷印章变为凹向的；

步骤4，将制备的反向的聚甲基硅氧烷印章从水中取出，由于反向的聚甲基硅氧烷印章表面具有凹陷的凹坑，在凹坑中存有水，将反向的聚甲基硅氧烷印章上设置有凹坑的一面与亲水性石英玻璃基底相接触，进行冷却，以使凹坑中水转化为冰，取下反向的聚甲基硅氧烷印章，即可在亲水性石英玻璃基底上得到冰阵列；

步骤5，在亲水性石英玻璃基底的冰阵列上浇铸聚甲基丙烯酸甲酯的氯仿的溶液，在室温20—25摄氏度下放置，冰阵列融化的同时，溶剂氯仿挥发，得到聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；

步骤6，以制备的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜作为模板制作，将聚甲基硅氧烷浇铸在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜上，得到聚甲基丙烯酸甲酯的微透镜阵列。

在本发明的技术方案中，利用水滴模板法制作微透镜阵列的模板，水滴模板法，也即Breath Figure法，是一种利用模板剂引导下的聚合物分子的自组装行为，而实现规整孔结构膜材料制备的简单方法。具体实验过程参见文献：葛文佳，高级多孔微结构的聚合物膜的水滴模板法制备与应用研究[D].天津：天津大学，2011，在本发明实施过程中，制备PS/PVP(聚苯乙烯/聚甲基吡咯烷酮)蜂窝状有序多孔膜的条件为：(1)温度：15℃～20℃；(2)湿度：55％～65％；(3)浓度：20mg/ml；(4)PS：PVP(质量比)＝8：1。