[发明专利]一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置及方法

说明书

本发明公开了一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置及方法，将PDMS弹性体及固化剂分别注入相应微量注射泵中，并设定微量注射泵的注射速度，调整电喷印微喷头与打印基底之间的距离，设置电喷印过程中微喷射参数及三维工作台运动参数，将PDMS弹性体及固化剂按一定的混合比例注入被动微混合装置；电喷印微喷头根据设置的微喷射参数将PDMS微液滴喷射至打印基底上，形成PDMS微液滴阵列预固化；待微喷射完成后，将打印基底放置在加热炉中固化一定时间，使高填充率PDMS微透镜阵列固化成型。本发明采用被动微混合器将PDMS弹性体和固化剂进行实时有效微混合，减少了PDMS混合溶液真空脱泡过程，有效避免PDMS弹性体及固化剂完全混合后再使用时易形成预固化等现象。

技术领域

本发明属于微光学制造领域，具体涉及一种高填充率PDMS微透镜阵列的制作装置及方法。

背景技术

微透镜阵列作为一种典型的微光学器件，在照明、成像、光通讯、光耦合、天文、光流体、医疗及军事等诸多领域均有重要的应用。微透镜阵列能否在各个应用领域发挥出良好的作用与其设计及制作水平密切相关，然而，目前微透镜阵列的制作技术仍然落后于其理论设计水平。其中，高填充率及高性能材料(PDMS材料等)微透镜阵列仍然难以实现低成本及简单化制作。而高填充率微透镜阵列可收集更大剂量的光线，可有效提高光学系统的信噪比；而PDMS等高性能材料制成的微透镜阵列具有更好的机械及光学等性能，如根据PDMS弹性体与固化剂的配比不同可制成具有不同柔韧度及弹性的微透镜阵列，适用于不同的应用场合。由此，高填充率及高性能材料微透镜阵列的制作一直是微透镜阵列制作技术中的热点及难点问题。

目前，根据制备原理的不同，平面微透镜阵列的制备方法总体上可归纳为表面张力效应辅助法(如微喷打印法、光刻热熔法等)、光刻辅助法(如飞秒激光直写法、飞秒激光酸刻蚀法、灰度掩模法等)及机械冷、热加工法(如超精密机械加工法、热压成型法等)等。对于高填充率微透镜阵列的制备方法，报道最多的为飞秒激光直写法，飞秒激光酸刻蚀法，接近式曝光光刻法，胶体颗粒自组装及模塑工艺结合法，以及光刻热熔技术、电镀技术及模塑技术的多步复合制备方法等。然而，飞秒激光直写法设备成本较高，微透镜材质只能为光敏树脂；飞秒激光酸刻蚀法可制得高填充率玻璃及硅材质的凹透镜阵列，需经过模塑工艺才能获得凸透镜阵列，成本较高的同时增加了工艺过程；接近式曝光光刻法、胶体颗粒自组装与模塑工艺结合法及基于光刻热熔技术的多步复合工艺制备法等方法均存在工艺过程繁琐、微透镜的尺度调控不便等问题。综上，高填充率微透镜阵列的制备相比于普通微透镜阵列的制备工艺过程较为繁琐，成本较高。

微透镜的材质一般为玻璃、聚合物、硅及半导体。一般情况下，聚合物光学器件与玻璃及半导体光学器件相比具有更大的设计自由度，机械性质和热学性质良好，此外，聚合物质量较轻、运输快捷方便。因此，聚合物微光学器件是近年来发展的热点问题。然而，近年来采用较多的聚合物材料均为紫外光固化型的光敏树脂。PDMS作为一种热固型材料，具有较好的化学惰性，且生物相容性好，透明性良好，同时具有较高的结构弹性，空间尺寸变化时其光学性能不会损失或降低，尽管弹性光学材料相比于传统光学玻璃难以用来制作具有最优光学性能的器件，但弹性光学材料可在相对较低的成本下制作新型光学器件并展现新型光学性能。现阶段，PDMS透镜的制作方法主要有点胶法、模塑法及飞秒激光加工法等。然而，点胶法制得的PDMS透镜一般尺度较大，难以实现大面积微尺度透镜的制作；模塑法制作PDMS微透镜阵列的制作需要多步翻模工艺，工艺过程较为繁琐且难以实现大面积微透镜阵列制作；飞秒激光加工法设备成本较高，且凸透镜需要经过进一步模塑工艺方可制得。综上，PDMS是一种较好的微透镜阵列制作材料，但因液态PDMS具有较大粘度等因素，使得微尺度PDMS透镜阵列的制作较为困难。