一种非球面微小透镜及其阵列的制作方法和装置

摘要

本发明提出一种非球面微小透镜及其阵列的制作方法和装置，利用设置在台架(8)的一个开口向上的桶(1)和活塞(2)以及桶底部设置的具有不同分布的微小圆孔的可换的平面基底片(4)，将不同体积的光刻胶(3)液滴挤出垂悬在平面基底片(4)的下平面的具有亲水性能的基底平面(5)上，液滴在基底平面(5)上铺展的同时，利用体积力的向下拉伸作用，来获得稳态的、非球面系数K<0的非球面面形光刻胶的垂悬液滴(6)，再通过紫外光的固化来制作口径为数百微米至几毫米、平凸型的微小透镜及其阵列，从而减少像差的影响来提高光学系统的性能。

说明书

技术领域

本发明属于光学及微光学器件制造技术领域，具体涉及一种非球面微小透镜及其阵列的制作方法和装置。

背景技术

微小透镜及其阵列在光学和微小光学系统中有着重要作用，非球面微透镜能够有效地减小像差和光能损失，提高成像质量，可以有效地简化光学系统的结构，受到了现代光学领域的关注。对于折射型的、旋转对称的透镜面形来说，通常可利用二次曲面的非球面系数K来表征，即有：K＝0时为球面面形，K>0时为扁平椭圆面形，-1<K<0是为凸椭圆面形，K＝-1是为抛物线面形，K<-1时为双曲线面形，非球面系数越小越有利于减小光学系统的球差，当K＝-1*n²(n为制作透镜材料的折射率系数)时可认为是无球差的理想面形。其中，通常大致认为，单个透镜的口径在百微米及以下尺度时称之为“微透镜”，其口径为数百微米至几毫米的透镜可称之为“微小透镜”，透镜口径在5mm-10mm左右可描述为“小透镜”。透镜口径越大像差特别是球差的影响也越大，因此，对于较大尺度的透镜越希望能获得K<0的面形，甚至是K＝-n²的双曲面面形来减少像差的影响以提高光学系统的性能。

对于口径为百微米及以下尺度的微透镜制作工艺主要有光刻胶热熔法，离子交换法、光敏玻璃热成形法，微喷打印法(液滴法)等，这些方法是利用光刻胶的液滴或树脂在表面张力作用下形成球冠形貌来制作球面形的微透镜及其阵列；对于口径为数百微米至数毫米的微小透镜的制作，可以利用切削加工预先制成模具再通过塑料注塑成型或玻璃模压成型，其虽可以获得球面或非球面面形的微小透镜，但是工艺复杂和加工设备和技术等要求很高。

基于液滴法原理的聚合物材料的微透镜和微小透镜制作方法，具有操作简单，成本低廉，表面光洁度高，无需模具等优点，在百微米左右及以下尺度时可忽略液滴体积力，利用液滴在平面基底上的铺展来得到平凸型的球面轮廓的微透镜及其阵列；而对于数百微米至数毫米级尺度时，液滴在体积力与表面张力的共同作用下，当液滴位于平面基底上方时液滴被压扁形成非球面系数K>0的扁椭圆面形而不利于较小像差，当液滴位于平面基底下方的垂悬状态时，液滴在体积力的拉伸作用下，有利于获得非球面系数K<0的非球面面形，在通过光固化将可获得有利于减少和消除球差的非球面微小透镜及其阵列。

中国专利CN1517723A，CN102253437B，通过在一个平面基底表面上的光刻胶热熔融回流或液滴的固化来制作微透镜及阵列，但是只能制作球面面形微透镜；中国专利CN1906503A是利用可变弹性球形透明树脂的拉伸长来制作单个口径为扁椭圆形微透镜的微透镜阵列；中国专利CN100343698C是利用二元掩模的移动掩模法曝光光刻来制作连续深浮雕非球面微透镜阵列；中国专利CN101407095B，CN 103064137A是利用电场对液滴的拉伸来制作非球面微透镜及阵列；中国专利CN101551476A是利用飞秒激光对液态树脂的双光子扫描固化来进行非球面微透镜制备，相关方法虽然能制作出非球面微透镜，但是制作工艺和设备复杂，对于微小透镜及其阵列的制作效率和阵列单元一致性均有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种非球面微小透镜及阵列的制作方法和装置。利用一个开口向上的桶及活塞，在桶底部设置一个具有不同分布微小圆孔的、可换的平面基底片，通过将不同体积的液滴挤压垂悬在这个具有亲水特性的基底片下平面上，利用液滴的体积力与表面张力的作用力方向不同，液滴在具有不同亲水性能的基底平面上铺展的同时，利用体积力的向下拉伸作用，来获得的稳态的非球面系数K<0的非球面面形液滴，再通过紫外光的固化来制作口径为数百微米至几毫米、平凸型的微小透镜及其阵列。

本发明采用的技术方案为：

一种非球面微小透镜及阵列的制作装置，包括一个设置在一个台架上的开口向上的桶及活塞，桶底部是设置为可换平面基底片，该平面基底片上具有不同分布和不同直径的圆形孔以通过被活塞挤压出的光刻胶，挤出的光刻胶液滴在桶底可换平面基底片的具有亲水性能的下表面上垂悬铺展，不同体积的液滴将能获得稳态的、不同的非球面系数K<0的非球面面形垂悬液滴，再利用桶下方设置有紫外光源的曝光固化，来制作不同面形的非球面微小透镜及其阵列。

一种非球面微小透镜及阵列的制作方法，该方法包括如下步骤：

第一步，设置在台架上的开口向上的桶中安装和固定具有圆形孔的平面基底片，并灌入紫外光感光固化的光刻胶；

第二步，活塞向下运动将光刻胶从平面基底片的圆孔中挤出并在具有亲水性能的基底平面上形成垂悬液滴；

第三步，用紫外光对所得的稳态面形的垂悬液滴进行曝光固化；

第四步，取出平面基底片即可得到由光刻胶制成的非球面透镜或透镜阵列；

第五步，以该非球面透镜或透镜阵列为母型，利用PDMS的软模工艺或微电铸的硬模工艺进行二次翻模来制作非球面微小透镜及其阵列器件。

其中，所述的设置在台架上的开口向上的桶是一个圆形或方形的桶，其开口直径或边长为5.0～100.0mm，对应尺寸的活塞的向下直线运动的分辨率为0.1μm。

其中，所述的设置在圆形或方形的桶底部的平面基底片为玻璃材料制成，直径或边长与对应桶的形状和尺寸相对应，其厚度为1.0～3.0mm。

其中，所述的设置桶底部的平面基底片的外表面为具有不同亲水性能的基底表面，其接触角范围为10°～60°。

其中，所述的设置桶底部的平面基底片的圆形孔直径为0.1mm～2.0mm，孔的分布排列方式为平行对齐方式或正六边形方式，孔与孔之间的中心距离为0.05mm～4.0mm。

其中，所述活塞向下运动从平面基底片的圆孔中挤出光刻胶形成垂悬液滴的体积为对应光刻胶材料的临界体积2～20微升。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的一种非球面微小透镜及阵列的制作方法和装置，利用一个开口向上的桶及活塞以及桶底部的具有不同分布微小圆孔的可换的平面基底片，将不同体积的光刻胶液滴挤出垂悬在具有亲水特性的平面基底上，液滴在具有不同亲水性能的平面基底上铺展的同时，利用体积力的向下拉伸作用，来获得非球面系数K<0的非球面面形光刻胶液滴，再通过紫外光的固化来制作口径为数百微米至几毫米、平凸型的微小透镜及其阵列；同时，利用倒置液滴法原理来制作微小透镜及其阵列的方法，还具有操作简单，成本低廉，表面光洁度高，无需模具等优点。

附图说明

图1为发明的基于垂悬液滴的非球面微小透镜及阵列的制作方法和装置的原理图。

图2为基于垂悬液滴紫外光固化所得的非球面微小透镜轮廓图。

图中：1为桶，2为活塞，3为光刻胶，4为平面基底片，5为具有亲水性能的基底平面，6为垂悬液滴，7为紫外光源，8为台架。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。

本发明的一种非球面微小透镜及阵列的制作方法的实现步骤如下：

第一步，在台架8上设置一个开口向上的桶1，桶1为直径为20mm的圆形桶1，在其中安装和固定一个厚度为2.0mm、圆形孔直径为0.5mm、孔中心距离为1.0mm、孔的分布为3×3平行对齐排列方式的平面基底片4，灌入紫外光感光固化的光刻胶3；

第二步，桶1内的活塞2向下运动将光刻胶3从平面基底片4的圆孔中挤出，在亲水性能的接触角为33°的PET薄膜基底平面5上形成垂悬液滴6；

第三步，用紫外光源7对所得的稳态面形的垂悬液滴6进行曝光固化；

第四步，取出平面基底片4即可得到由光刻胶制成的非球面透镜或透镜阵列；

第五步，以该非球面透镜或透镜阵列为母型，利用PDMS的软模工艺或微电铸的硬模工艺进行二次翻模来制作非球面微小透镜及其阵列器件。

所述的设置在台架上的开口向上的桶是一个圆形或方形的桶，其开口直径或边长为5.0～100.0mm，对应尺寸的活塞的向下直线运动的分辨率为0.1um。

所述的设置在圆形或方形的桶底部的平面基底片为玻璃材料制成，直径或边长与对应桶的形状和尺寸相对应，其厚度为1.0～3.0mm。

所述的设置桶底部的平面基底片的外表面为具有不同亲水性能的基底表面，其接触角范围为10°～60°。

其中，所述的设置桶底部的平面基底片的圆形孔直径为0.1mm～2.0mm，孔的分布排列方式为平行对齐方式或正六边形方式，孔与孔之间的中心距离为0.05mm～4.0mm。

其中，所述活塞向下运动从平面基底片的圆孔中挤出光刻胶形成垂悬液滴的体积为对应光刻胶材料的临界体积2～20微升。

图2所示为基于垂悬液滴紫外光固化所得的非球面微小透镜轮廓图。其中：11为液滴体积2.0微升，非球面系数K＝-0.25的非球面微小透镜；12为液滴体积3.0微升，非球面系数K＝-1.92的非球面微小透镜；13为液滴体积6.4微升，非球面系数K＝-1.01的非球面微小透镜；14为液滴体积10.0微升，非球面系数K＝-0.4的非球面微小透镜。

本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。