[发明专利]一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法

说明书

本发明公开了一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，所述方法包括如下步骤：(1)合成含有光响应基团的水凝胶；(2)通过光掩膜控制水凝胶上方曝光区域，再进行光照使得曝光区域的水凝胶光响应基团发生交换重组；(3)根据需求照射特定时长后，具备微结构阵列的水凝胶母版即可制得；(4)将光学透明的有机树脂倒在水凝胶母版上，聚合后剥离，得到互补的微透镜阵列。该方法基于水凝胶母版能够复刻得到聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷等光学透明树脂，制备光学器件。本发明公开的方法简单易操作，成本低廉，能够快速地制造母版基底，复刻得到相应的透镜阵列。此外，该方法能够便捷地更改掩膜图案，实现丰富的阵列构建。

技术领域

本发明涉及水凝胶材料的应用和光学透镜的制造领域，尤其涉及一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法。

背景技术

微透镜阵列是由一系列特定形状的微小单元透镜按照一定规律排列而成的光学元件。相对于传统透镜阵列而言，微透镜阵列的设计空间大，单元透镜的尺寸、形状以及排列方式的变换都将导致不同的成像结果，可以灵活地进行调整以满足复杂的光学需求。目前，微透镜阵列具备极大的视角范围、低像差、低畸变等光学特性，已被应用于精密成像、光通讯以及美容医疗等领域。此外，该类器件单元尺寸小，集成度高，在微型光学器件的应用中具有良好的应用前景。

目前，微透镜阵列的成型方法分为直接成型方法和间接成型方法。直接成型方法无需模具，包括热回流法(如公开号为CN106501884A的中国专利公开的一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺)、压印法(如公开号为CN105676321A的中国专利公开的一种微透镜纳米孔混合阵列结构的制备方法)、微滴喷射法(如公开号为CN104777530A的中国专利公开的一种曲面复眼透镜的制作方法及装置)等。热回流法首先利用光刻技术产生图案化的高分子圆柱体，随后加热至材料的热转变温度以上，利用表面张力将圆柱体转化为半球形结构。然而实际过程中，表面接触角控制困难，因此单元结构的曲率精度难以保证。压印法利用模具对高分子进行压印成型，对于高分子的粘度和表面张力等参数需要实现精确的控制才能够保证微透镜的精度。微滴喷射法则是将光固化前驱液利用喷嘴喷射至基材表面，随后利用光固化成型可制备大面积的微透镜球形阵列，而该方法难以保证透镜单元尺寸的一致性。尽管直接成型方法简单、成本低，适合于工业大规模制造，但基于直接成型法难以控制微透镜阵列的精度。

与直接成型法不同，间接成型法是通过复刻特定的母体模板进行微透镜阵列的制造。该类方法的核心在于制造精密的互补母体模板以保证透镜结构的精确度。目前的母体模板制造通常采用光刻技术、激光直写技术、超精密加工技术等。通过间接成型制得的微透镜阵列通常具备较高的良好的光滑度、均匀性、可重复性，精度得以保证。然而，基底模具的制造通常需要昂贵的设备以及复杂的操作，成本高，操作壁垒大。

因此，一种低成本、便捷的母体模板快速制造技术亟待开发，由此复刻得到的微镜头阵列制造成本低，操作便捷，精度高。该类方法将在微阵列镜头的制造中将具备良好的发展潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法；本发明采用的方法利用光掩膜法在水凝胶表面快速制备微阵列母版，随后复刻光学透明的树脂得到相应的微镜头阵列；该方法操作简单，成本低，且单元结构设计灵活，可以快速制备定制化的微透镜阵列。

一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)合成含有光响应基团的水凝胶；

(2)通过光掩膜控制水凝胶上方曝光区域，再进行光照使得曝光区域的水凝胶光响应基团发生交换重组；

(3)根据需求照射特定时长后，具备微结构阵列的水凝胶母版即可制得；

(4)将光学透明的树脂倒在水凝胶母版上，聚合后剥离，得到互补的微透镜阵列。

本发明制备得到的微透镜阵列中透镜单元结构尺寸从1μm到1000μm不等。