[发明专利]一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法

说明书

本发明公开了一种基于三维直写的微透镜制造方法，采用三维直写设备在垂直于透明基板表面的预设阵列位置依序直写形成微透镜前体阵列，再经热熔工艺处理微透镜前体阵列，依靠表面张力形成微透镜阵列。采用本发明方法不仅可以在同一基底上制造不同曲率和不同结构透镜，而且可在任何平面、曲面、甚至柔性基底上加工微透镜阵列，大大的降低了成本，提高了成品率和性能。

技术领域

本发明涉及光学器械领域，特别涉及一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法。

背景技术

微透镜和微透镜阵列是重要的微光学元器件，微透镜阵列是由一系列直径在微米至毫米的阵列元按照一定的规则排列而成的。微透镜(阵列)具有尺寸小、重量轻、易集成等优点，其在光路中可以发挥会聚、发散、准直、成像和传输作用，已广泛应用在光纤耦合、光子器件和集成光学元件等方面。

目前，用于制作微透镜阵列的方法主要有离子交换法、光敏玻璃热成形法、光刻胶热熔法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法、化学气相沉积法等方法。其中光敏玻璃热成形法和光刻胶热熔法采用热熔工艺，通过熔融的玻璃或光刻胶液体的表面张力自然形成微透镜，具有表面光洁度和透明性高等优点。但光敏玻璃热成形法时必须使用特殊的曝光加热玻璃，这种玻璃具有高度的多孔性(微孔占总体积的30％)。而光刻胶热熔法需要经过基片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、熔化、检测、图案转移等多个加工过程，需要复杂的光刻、湿法腐蚀技术和设备，并且只能制备非晶态聚合物材料的微透镜。上述方法加工微透镜(阵列)的焦距和透光率调节手段比较复杂，特别是难于在同一透明基底上制备不同形状和尺寸的微透镜，因此不能作为微快门阵列、高对比度的视场亮度调节器以及微型内窥系统使用，从而限制了微透镜(阵列)的进一步发展。

三维打印技术无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，适于可突破上述技术局限，用于快速制造结构复杂的微透镜阵列。发明专利(申请公布号CN104401002)采用层层堆叠透镜材料的三维打印方法在曲面基底上制造曲面微透镜阵列。发明专利CN106273518A和EP2469309B1采用三维打印的方法打印聚合物前驱体或液态光敏树脂，固化后形成聚合物微透镜。现有层层堆叠的3D打印过程易于在表面形成台阶，影响光洁度，因此需要后续抛光过程形成光滑表面。另外，还会在微透镜内部形成层与层之间的界面层，影响透镜的折射率。

发明内容

为解决目前加工微透镜方法存在的可控性差、效率低、难以在同一基底上制造不同曲率和不同结构透镜，以及现有三维打印存在的透镜表面台阶和内部界面层问题，本发明提供了一种基于三维直写的微透镜制造方法。

一种基于三维直写的微透镜阵列制造方法，采用三维直写设备在垂直于透明基板表面的预设阵列位置依序直写形成微透镜前体阵列，再经热熔工艺处理微透镜前体阵列，依靠表面张力形成微透镜阵列。

所述的基于三维直写的微透镜阵列制造方法，具体包括如下步骤：

(1)将用于直写的微透镜阵列材料在微型喷嘴中熔融成液态熔体；

(2)移动喷嘴至透明基板表面的预设阵列位置，通过施加压力使液态熔体与透明基板表面粘结；

(3)沿垂直于透明基板表面的方向移动喷嘴，自底向上地直写形成预定高度的微透镜前体；

(4)沿平行于透明基板表面的方向移动喷嘴，依序在预设阵列位置直写微透镜前体，形成微透镜前体阵列；

(5)通过热熔工艺使微透镜前体熔融，并在表面张力的作用下形成微透镜阵列。