一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法
【專利摘要】一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，采用透明導(dǎo)電玻璃作為基材，先在基材上制備介電層，再在介電層上制備微型液滴陣列，然后搭接直流電源，將透明導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面接入電壓負(fù)極端，并將插入微型液滴的銅絲電極接入電壓的正極端施加電壓，增大電壓可減小微型液滴的表觀接觸角，同時增大微型液滴的曲率半徑，對不同的微型液滴施加不同的電壓可獲得不同的曲率半徑，最后撤去電壓并抬起銅絲電極，采用紫外燈箱輻照將成型的微型液滴陣列固化，獲得變數(shù)值孔徑的固態(tài)微透鏡陣列，本發(fā)明在電潤濕作用下能夠精確且可重復(fù)地調(diào)控微型液滴的接觸角，實現(xiàn)了在同一個光學(xué)器件上獲得具有不同數(shù)值孔徑的微透鏡陣列。
【專利說明】一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微透鏡陣列制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微透鏡陣列在許多涉及顯示器件的領(lǐng)域中被廣泛使用，比如投影儀，CXD組件和攝像機(jī)鏡頭等。常見的微透鏡陣列多為尺寸均一，大小相同，且數(shù)值孔徑一致的微透鏡組成的陣列。這些微透鏡陣列的制造方法有多種，其中包括機(jī)械精銑加工法、光刻熱回流法、濕法腐蝕法、激光刻蝕法和雙光子干涉曝光法等。一般而言，這些方法各自具有其特點和不足，但其共同的特點是相同數(shù)值孔徑的微透鏡陣列的并行制造。然而，針對某些特殊的場合，比如光學(xué)MEMS中，有時候需要在同一個芯片器件的不同區(qū)域采用到具有不同數(shù)值孔徑的微透鏡陣列，以獲得特殊的成像需求。這種情況下，采用如上所述的方法基本上很難在同一個器件區(qū)域獲得具有不同數(shù)值孔徑(或者表觀曲率)的透鏡陣列。
[0003]因此，有些科學(xué)家采用電潤濕原理(EW，通過施加電壓使液滴接觸角減小)實現(xiàn)了可變數(shù)值孔徑的液態(tài)微透鏡，但目前該方法仍處于實時調(diào)控數(shù)值孔徑的階段，主要偏向于實時可控成像方面的應(yīng)用。針對某些光學(xué)MEMS器件中需要采用固定數(shù)值孔徑的微透鏡陣列的情況，同樣可以利用電潤濕的原理先改變液態(tài)透鏡的數(shù)值孔徑，再將液態(tài)微透鏡進(jìn)行固化，從而形成變數(shù)值孔徑的固態(tài)微透鏡陣列。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，即采用介電層上的電潤濕(EWOD)的原理，實現(xiàn)在同一個光學(xué)器件表面獲得具有多種數(shù)值孔徑的微透鏡陣列；此方法簡單，可通過手動調(diào)控或程序精確調(diào)控，實現(xiàn)一種特殊微透鏡陣列的串行制造。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0006]一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，包括以下步驟:
[0007]I)準(zhǔn)備透明導(dǎo)電玻璃作為基材；
[0008]2)在透明導(dǎo)電玻璃基材的導(dǎo)電面上制備介電層；
[0009]3)在介電層表面施加微型液滴陣列；
[0010]4)搭接直流電源，將透明導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面接入電壓的負(fù)極端，并將插入微型液滴的銅絲電極接入電壓的正極端，閉合電源開關(guān)對微型液滴施加電壓；
[0011]5)在電潤濕作用力的驅(qū)動下，增大所施加的直流電壓將會減小微型液滴的表觀接觸角，進(jìn)而增大微型液滴的曲率半徑，因此對不同的微型液滴施加不同的直流電壓獲得不同的曲率半徑；
[0012]6)斷開直流電壓電源，抬起銅絲電極，采用紫外燈箱輻照使電場輔助形變的微型液滴陣列固化，進(jìn)而獲得具有變數(shù)值孔徑的固態(tài)微透鏡陣列。
[0013]所述的基材采用ITO (氧化銦錫)、FTO (含氟氧化錫)或AZO (氧化鋁鋅)的鍍膜玻璃。
[0014]所述的介電層為透明薄膜，是無機(jī)材料的薄膜，或是聚合物薄膜，無機(jī)材料的薄膜為二氧化硅薄膜、氧化鋁陶瓷薄膜或鈦酸鋇陶瓷薄膜；聚合物薄膜為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SU-8負(fù)性光刻膠、PVDF(聚偏氟乙烯)、環(huán)氧樹脂的聚合物或NOA系列(光學(xué)粘結(jié)劑)、納米壓印膠的紫外固化聚合物固化后的薄膜。
[0015]所述的介電層為采用旋涂或蒸鍍法所制備的光滑表面，或是采用納米壓印的方法所制備的微納米織構(gòu)化的粗糙表面。
[0016]所述的用于制備微透鏡陣列的微型液滴的材料為液態(tài)的PMMA、SU-8、環(huán)氧樹脂、NOA系列或納米壓印膠。
[0017]所述的微型液滴的施加方式采用噴墨打印或數(shù)字微量進(jìn)給器。
[0018]所述的微型液滴的體積是1pl?10 μ 1，根據(jù)不同材料之間表面張力作用的不同獲得大小不等的初始表觀接觸角。
[0019]所述的銅絲電極直徑為30?100 μ m，其插入微型液滴的過程通過C⑶放大到顯示器上的方式來輔助對準(zhǔn)。
[0020]本發(fā)明的特點在于，利用介電層上電潤濕原理(EWOD)對布置在透明介電層表面的微型液滴陣列依次施加不同的直流電壓，使初始狀態(tài)相同的微型液滴發(fā)生精確可控的潤濕性形變；并利用介電層表面的粘性作用所引起的接觸角滯后使微型液滴在撤去電壓后也能夠保持形變，最終對微型液滴陣列進(jìn)行紫外固化后可重復(fù)性地獲得不同數(shù)值孔徑的微透鏡陣列。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是透明導(dǎo)電玻璃基材的示意圖。
[0022]圖2是在基材表面制備介電層薄膜的示意圖。
[0023]圖3是在介電層薄膜表面施加微型液滴的示意圖。
[0024]圖4是在微型液滴與透明導(dǎo)電玻璃之間施加電壓之前的示意圖。
[0025]圖5是為不同的微型液滴施加不同電壓(U0<U1<U2<U3)之后的示意圖。
[0026]圖6是將微型液滴陣列進(jìn)行紫外輻照固化后所形成的微透鏡陣列的示意圖。
[0027]圖7(a)是所制備的變數(shù)值孔徑的微透鏡陣列的側(cè)向顯微鏡照片，(b)是該微透鏡陣列的CXD成像。
[0028]具體實施方法
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030]一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，包括以下步驟:
[0031]I)參照圖1，以厚度為2mm的ITO透明導(dǎo)電玻璃I作為基材，并依次采用丙酮、乙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗，氮氣吹干后，在150°C烘箱中烘烤Ih ；
[0032]2)參照圖2，在ITO透明導(dǎo)電玻璃I上滴加5?10 μ I的Ν0Α61 ( 一種紫外固化型的光學(xué)粘結(jié)劑)，采用柔性的PDMS (聚二甲基硅氧烷)微納米織構(gòu)化模板進(jìn)行納米壓印，紫外福照3?5min固化并脫模后,形成一層厚度為5?10 μ m的具有微納米織構(gòu)化復(fù)型表面的N0A61薄膜的介電層2 ；
[0033]3)參照圖3，采用數(shù)字微量進(jìn)給器在N0A61薄膜介電層2表面施加大小一致、體積均為0.1?I μ I的Ν0Α61微型液滴3 ；
[0034]4)參照圖4，搭接直流電壓，將透明導(dǎo)電玻璃I的導(dǎo)電面接入電壓負(fù)極端，并將插入到微型液滴3的銅絲電極4接入電壓正極端，閉合電源開關(guān)對微型液滴3施加電壓；
[0035]5)參照圖5，通過調(diào)節(jié)所施加的直流電壓大小來控制微型液滴的表觀接觸角，同時調(diào)節(jié)微型液滴的曲率半徑，按照U0<U1<U2<U3的順序，依次施加于不同的微型液滴3，獲得表觀接觸角減小而曲率半徑增大的微型液滴3 ；
[0036]6)參照圖6，斷開直流電壓電源，抬起銅絲電極4，由于介電層2表面的粘性作用所引起的接觸角滯后，使微型液滴3得以維持在變化后的形狀而不會發(fā)生回復(fù)，以此實現(xiàn)數(shù)值孔徑一一對應(yīng)的精確調(diào)控；將樣片置于紫外燈箱中輻照3?5min即使微型液滴發(fā)生固化并形成定型的數(shù)值孔徑不同的微透鏡陣列5，其實物的側(cè)向顯微鏡照片及CCD成像如圖7所示。
[0037]所述的介電層2或通過表面織構(gòu)化的PDMS模具進(jìn)行納米壓印的方法獲得具有粗糙表面的N0A61薄膜介電層，以獲得較大的接觸角滯后，從而實現(xiàn)直流電壓對微型液滴3曲率半徑的最大限度的精確可控。
[0038]所述的銅絲電極4的應(yīng)當(dāng)盡可能地細(xì)，以免在插入或離開微型液滴的過程中對微型液滴3造成不必要的影響。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)準(zhǔn)備透明導(dǎo)電玻璃作為基材； 2)在透明導(dǎo)電玻璃基材的導(dǎo)電面上制備介電層； 3)在介電層表面施加微型液滴陣列； 4)搭接直流電源，將透明導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面接入電壓的負(fù)極端，并將插入微型液滴的銅絲電極接入電壓的正極端，閉合電源開關(guān)對微型液滴施加電壓； 5)在電潤濕作用力的驅(qū)動下，增大所施加的直流電壓將會減小微型液滴的表觀接觸角，進(jìn)而增大微型液滴的曲率半徑，因此對不同的微型液滴施加不同的直流電壓獲得不同的曲率半徑； 6)斷開直流電壓電源，抬起銅絲電極，采用紫外燈箱輻照使電場輔助形變的微型液滴陣列固化，進(jìn)而獲得具有變數(shù)值孔徑的固態(tài)微透鏡陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:所述的基材采用ITO (氧化銦錫)、FTO (含氟氧化錫)或AZO (氧化鋁鋅)的鍍膜玻3? ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:所述的介電層為透明薄膜，是無機(jī)材料的薄膜，或是聚合物薄膜，無機(jī)材料的薄膜為二氧化硅薄膜、氧化鋁陶瓷薄膜或鈦酸鋇陶瓷薄膜；聚合物薄膜為PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SU-8負(fù)性光刻膠、PVDF (聚偏氟乙烯)、環(huán)氧樹脂的聚合物或NOA系列(光學(xué)粘結(jié)劑)、納米壓印膠的紫外固化聚合物等固化后的薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:所述的介電層為采用旋涂或蒸鍍法制備的光滑表面，或是采用納米壓印的方法所制備的微納米織構(gòu)化的粗糙表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:所述的用于制備微透鏡陣列的微型液滴的材料為液態(tài)的PMMA、SU-8、環(huán)氧樹脂、NOA系列或納米壓印膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:所述的微型液滴的施加方式采用噴墨打印或數(shù)字微量進(jìn)給器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:所述的微型液滴的體積是1pl?10 μ 1，根據(jù)不同材料之間表面張力作用的不同獲得大小不等的初始表觀接觸角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:所述的銅絲電極直徑為30?100 μ m，其插入微型液滴的過程通過CXD放大到顯示器上的方式來輔助對準(zhǔn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)值孔徑可控的微透鏡陣列的電輔助制造方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)以厚度為2mm的ITO透明導(dǎo)電玻璃(I)作為基材，并依次采用丙酮、乙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗，氮氣吹干后，在150°C烘箱中烘烤Ih ； 2)在ITO透明導(dǎo)電玻璃(I)上滴加5?10μ I的Ν0Α61(—種紫外固化型的光學(xué)粘結(jié)劑)，采用柔性的PDMS (聚二甲基硅氧烷)微納米織構(gòu)化模板進(jìn)行納米壓印，紫外輻照3?5min固化并脫模后，形成一層厚度為5?10 μ m的具有微納米織構(gòu)化復(fù)型表面的NOA61薄膜的介電層⑵； 3)采用數(shù)字微量進(jìn)給器在NOA61薄膜介電層(2)表面施加大小一致、體積均為0.1?Iμ I的ΝΟΑ61微型液滴(3); 4)搭接直流電壓，將ITO透明導(dǎo)電玻璃(I)的導(dǎo)電面接入電壓負(fù)極端，并將插入到微型液滴(3)的銅絲電極(4)接入電壓正極端，閉合電源開關(guān)對微型液滴(3)施加電壓； 5)通過調(diào)節(jié)所施加的直流電壓大小來控制微型液滴的表觀接觸角，同時調(diào)節(jié)微型液滴的曲率半徑，按照U0<U1<U2<U3的順序，依次施加于不同的微型液滴(3)，獲得表觀接觸角減小而曲率半徑增大的微型液滴(3)； 6)斷開直流電壓電源，抬起銅絲電極(4)，由于介電層(2)表面的粘性作用所引起的接觸角滯后，使微型液滴(3)得以維持在變化后的形狀而不會發(fā)生回復(fù)，以此實現(xiàn)數(shù)值孔徑一一對應(yīng)的精確調(diào)控；將樣片置于紫外燈箱中輻照3?5min即使微型液滴發(fā)生固化并形成定型的數(shù)值孔徑不同的微透鏡陣列(5)。
【文檔編號】G02B3/00GK104330841SQ201410604446
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】邵金友, 李祥明, 田洪淼, 黎相孟, 胡鴻, 姜承寶 申請人:西安交通大學(xué)