專利名稱：冰模板制作微透鏡陣列的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微透鏡加工方法，特別是一種冰模板制作微透鏡陣列的加工方法。
背景技術(shù)：
微透鏡陣列是現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，在很多光學(xué)領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用。如光學(xué)通訊，光學(xué)信息儲存，光學(xué)成相系統(tǒng)以及顯示器等。與傳統(tǒng)的透鏡相比，微透鏡不僅在體積方面占有優(yōu)勢，而且可以更清晰的成相，更準(zhǔn)確的控制激光束，以及更準(zhǔn)確的檢測等等。在微透鏡陣列加工方面，低成本、高效率、簡便的加工方法成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。
已有技術(shù)主要采用光刻方法制作光刻膠的圖案，加熱到光刻膠的玻璃化溫度以上，實(shí)現(xiàn)光刻膠的熔融，利用流體的表面張力得到具有球面結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列。但是該方法在材料方面具有一定的局限性，并且光刻工藝中存在著光刻設(shè)備昂貴、加工過程復(fù)雜，要求控制環(huán)境溫度和潔凈度、加工步驟復(fù)雜等缺點(diǎn)。
另外，美國Xia Younan等人發(fā)表了名為“自組裝方法加工有機(jī)聚合物的圖案化的二維微透鏡陣列”的文章(2001年1月5日由Wiley出版社出版的《先進(jìn)材料》第13卷第34頁)。該文章中采用光刻得到的光刻膠的圓形孔洞結(jié)構(gòu)限制聚苯乙烯小球在基底的排列，加熱到聚苯乙烯的玻璃化溫度以上實(shí)現(xiàn)聚苯乙烯小球的熔融，得到具有球面結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列。雖然該方法克服了光刻加工方法中對材料的限制，并且可以對微透鏡的排列以及尺寸進(jìn)行控制，但是作為限制聚苯乙烯小球在基底排列的光刻膠模板在加工過程中不能重復(fù)利用，因此仍然受光刻工藝的限制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了冰模板制作微透鏡陣列的加工方法。通過對基底表面性質(zhì)的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)微透鏡曲率的調(diào)節(jié)。
首先利用水在帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板表面的去潤濕行為，將水滴限制在彈性軟模板表面的凹槽內(nèi)，然后利用水與冰之間的可逆轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)彈性軟模板表面的水到基底的轉(zhuǎn)移以及水滴的球面形貌在聚合物薄膜中的形成，最后，利用復(fù)制模塑將聚合物薄膜表面的圖案轉(zhuǎn)移到其他聚合物表面，得到與液滴形貌一致的微透鏡結(jié)構(gòu)。通過對基底潤濕性的調(diào)控，可以調(diào)節(jié)所制備微透鏡的曲率。
本發(fā)明方法的具體步驟和條件如下①如圖1所示，選擇表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1，將表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1在水溶液2中向上垂直提拉，水溶液2會由于去潤濕填充到表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1的表面的凹槽中。
將載有水溶液2的表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1置于目標(biāo)基底4上。將表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1和目標(biāo)基底4置于-25℃～-15℃冰箱中，使水溶液2轉(zhuǎn)變成冰。移去表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1，在目標(biāo)基底4上得到冰模板3。目標(biāo)基底4為玻璃基底，其水接觸角為5°-110°。
所述的表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1，可以選擇聚二甲基硅氧烷彈性模板。
②將聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液置于-25℃～-15℃冰箱中降溫，然后澆鑄在帶有冰模板3的目標(biāo)基底4上。將澆鑄后的目標(biāo)基底4取出置于室溫條件下。冰融化形成液滴模板6，聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液中的溶劑揮發(fā)后，得到按照液滴的形貌固定下來的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5。將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4置于水溶液中實(shí)現(xiàn)聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4的分離。
③將聚二甲基硅氧烷與交聯(lián)劑混合并攪勻后澆鑄在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5上，然后放置在30℃-50℃干燥箱中使聚二甲基硅氧烷固化。將固化的聚二甲基硅氧烷薄膜從聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5表面剝離，在聚二甲基硅氧烷薄膜7表面得到具有目標(biāo)圖形的微透鏡陣列。
本發(fā)明的有益效果很明顯與光刻技術(shù)相比，本發(fā)明的方法使用的設(shè)備只需要冰箱和干燥箱等簡單的設(shè)備，并且加工過程中不需要高溫條件，因此加工工藝更簡單。與利用光刻膠圖案限制聚苯乙烯小球在基底排列制備微透鏡的技術(shù)相比，本發(fā)明的方法中的所述的表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板1，或選擇聚二甲基硅氧烷彈性模板1。該模板1可以重復(fù)利用，加工得到的帶有圖案的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5也可以進(jìn)行多次復(fù)制，對目標(biāo)圖形的質(zhì)量沒有影響。因此成本更低。并且通過對基底表面性質(zhì)的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)不同曲率的微透鏡陣列的加工。


圖1微透鏡結(jié)構(gòu)制作過程示意圖。
圖1的A為水溶液2在聚二甲基硅氧烷彈性模板1表面去潤濕過程示意圖。
圖1的B為載有水溶液2的聚二甲基硅氧烷彈性模板1與目標(biāo)基底4接觸，水溶液2冷凍成冰模板3過程示意圖。
圖1的C為在冰模板3上澆鑄聚甲基丙烯酸甲酯溶液并將冰模板3融化成水模板6的過程示意圖。
圖1的D為在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5上澆鑄聚二甲基硅氧烷與交聯(lián)劑并固化得到帶有目標(biāo)結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷薄膜7的示意圖。
圖1的E為最終得到的微透鏡結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖1中，1-帶有圖案的聚二甲基硅氧烷彈性軟模板，2-水溶液，3-冰模板，4-基底，5-聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，6-冰融化得到的水模板，7-聚二甲基硅氧烷薄膜。
圖2制備的微透鏡結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例11)選擇表面帶有正方形凹槽圖案的聚二甲基硅氧烷彈性模板1，將聚二甲基硅氧烷彈性模板1在水溶液2中向上垂直提拉，水溶液2會由于去潤濕填充到聚二甲基硅氧烷彈性模板1表面的凹槽中。將載有水溶液2的聚二甲基硅氧烷彈性模板1置于目標(biāo)基底4上。目標(biāo)基底4為水接觸角為5°的玻璃基底。將聚二甲基硅氧烷彈性模板1和目標(biāo)基底4置于-15℃冰箱中，使水溶液轉(zhuǎn)變成冰。移去聚二甲基硅氧烷彈性模板1，在目標(biāo)基底4上得到冰模板3。
2)將聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液置于-15℃冰箱中降溫，然后澆鑄在帶有冰模板3的目標(biāo)基底4上。將澆鑄后的目標(biāo)基底4取出置于室溫條件下。冰融化形成液滴模板6，聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液中的溶劑揮發(fā)后，得到按照液滴的形貌固定下來的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5。將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4置于水溶液中實(shí)現(xiàn)聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4的分離。
3)將聚二甲基硅氧烷與交聯(lián)劑混合并攪勻后，澆鑄在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5上，然后放置在30℃干燥箱中使聚二甲基硅氧烷固化。將固化的聚二甲基硅氧烷薄膜從聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5表面剝離，在聚二甲基硅氧烷薄膜7表面得到具有目標(biāo)圖形的微透鏡陣列。
實(shí)施例21)選擇表面帶有正方形凹槽圖案的聚二甲基硅氧烷彈性模板1，將聚二甲基硅氧烷彈性模板1在水溶液2中向上垂直提拉，水溶液2會由于去潤濕填充到聚二甲基硅氧烷彈性模板1表面的凹槽中。將載有水溶液2的聚二甲基硅氧烷彈性模板1置于目標(biāo)基底4上。目標(biāo)基底4為水接觸角為60°的玻璃基底。將聚二甲基硅氧烷彈性模板1和目標(biāo)基底4置于-20℃冰箱中，使水溶液轉(zhuǎn)變成冰。移去聚二甲基硅氧烷彈性模板1，在目標(biāo)基底4上得到冰模板3。
2)將聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液置于-20℃冰箱中降溫，然后澆鑄在帶有冰模板3的目標(biāo)基底4上。將澆鑄后的目標(biāo)基底4取出置于室溫條件下。冰融化形成液滴模板6，聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液中的溶劑揮發(fā)后，得到按照液滴的形貌固定下來的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5。將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4置于水溶液中實(shí)現(xiàn)聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4的分離。
3)將聚二甲基硅氧烷與交聯(lián)劑混合并攪勻后，澆鑄在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5上，然后放置在40℃干燥箱中使聚二甲基硅氧烷固化。將固化的聚二甲基硅氧烷薄膜從聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5表面剝離，在聚二甲基硅氧烷薄膜7表面得到具有目標(biāo)圖形的微透鏡陣列。
實(shí)施例31)選擇表面帶有正方形凹槽圖案的聚二甲基硅氧烷彈性模板1，將聚二甲基硅氧烷彈性模板1在水溶液2中向上垂直提拉，水溶液2會由于去潤濕填充到聚二甲基硅氧烷彈性模板1表面的凹槽中。將載有水溶液2的聚二甲基硅氧烷彈性模板1置于目標(biāo)基底4上，目標(biāo)基底4為水接觸角為110°的玻璃基底。將聚二甲基硅氧烷彈性模板1和目標(biāo)基底4置于-25℃冰箱中，使水溶液轉(zhuǎn)變成冰。移去聚二甲基硅氧烷彈性模板1，在目標(biāo)基底4上得到冰模板3。
2)將聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液置于-25℃冰箱中降溫，然后澆鑄在帶有冰模板3的目標(biāo)基底4上。將澆鑄后的目標(biāo)基底4取出置于室溫條件下。冰融化形成液滴模板6，聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液中的溶劑揮發(fā)后，得到按照液滴的形貌固定下來的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5。將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4置于水溶液中實(shí)現(xiàn)聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5與目標(biāo)基底4的分離。
3)將聚二甲基硅氧烷與交聯(lián)劑混合并攪勻后，澆鑄在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5上，然后放置在50℃干燥箱中使聚二甲基硅氧烷固化。將固化的聚二甲基硅氧烷薄膜從聚甲基丙烯酸甲酯薄膜5表面剝離，在聚二甲基硅氧烷薄膜7表面得到具有目標(biāo)圖形的微透鏡陣列。
權(quán)利要求
1.一種冰模板制作微透鏡陣列的加工方法，其特征在于，步驟和條件如下①選擇表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板(1)，將表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板(1)在水溶液(2)中向上垂直提拉，水溶液(2)會由于去潤濕填充到表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板(1)的表面的凹槽中；將載有水溶液(2)的表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板(1)置于目標(biāo)基底(4)上，將表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板(1)和目標(biāo)基底(4)置于-25℃～-15℃冰箱中，使水溶液(2)轉(zhuǎn)變成冰，移去表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板(1)，在目標(biāo)基底(4)上得到冰模板(3)，目標(biāo)基底(4)為玻璃基底，其水接觸角為5°-110°；②將聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液置于-25℃～-15℃冰箱中降溫，然后澆鑄在帶有冰模板(3)的目標(biāo)基底(4)上，將澆鑄后的目標(biāo)基底(4)取出置于室溫條件下，冰融化形成液滴模板(6)，聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液中的溶劑揮發(fā)后，得到按照液滴的形貌固定下來的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(5)，將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(5)與目標(biāo)基底(4)置于水溶液中實(shí)現(xiàn)聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(5)與目標(biāo)基底(4)的分離；③將聚二甲基硅氧烷與交聯(lián)劑混合并攪勻后澆鑄在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(5)上，然后放置在30℃-50℃干燥箱中使聚二甲基硅氧烷固化，將固化的聚二甲基硅氧烷薄膜從聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(5)表面剝離，在聚二甲基硅氧烷薄膜(7)表面得到具有目標(biāo)圖形的微透鏡陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的一種冰模板制作微透鏡陣列的加工方法，其特征在于，步驟①中所述的表面帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板(1)，可以選擇聚二甲基硅氧烷彈性模板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冰模板制作微透鏡陣列的加工方法。用水在帶有正方形凹槽圖案的彈性軟模板表面的去潤濕行為，將水滴限制在彈性軟模板表面的凹槽內(nèi)，用水與冰之間的可逆轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)彈性軟模板表面的水到基底的轉(zhuǎn)移以及水滴的球面形貌在聚合物薄膜中的形成，利用復(fù)制模塑將聚合物薄膜表面的圖案轉(zhuǎn)移到其他聚合物表面，得到與液滴形貌一致的微透鏡結(jié)構(gòu)。與光刻技術(shù)相比，本發(fā)明只需要冰箱和干燥箱等簡單的設(shè)備，不需要高溫條件，工藝更簡單。尤其是彈性軟模板可重復(fù)利用，加工得到的帶有圖案的薄膜也可以多次復(fù)制，對目標(biāo)圖形的質(zhì)量沒有影響，成本更低。對基底表面性質(zhì)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)不同曲率的微透鏡陣列。
文檔編號G02B3/00GK1904648SQ20061001709
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月11日
發(fā)明者韓艷春, 于新紅, 王哲, 邢汝博 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所