一种微透镜的制作方法与流程

本发明涉及微纳加工的加工工艺，具体涉及一种微透镜的制作方法。

背景技术：

微透镜及其阵列作为重要的光学元件，在仿生领域、波前传感、光聚能、光整形等现代高新科技中有广泛的应用。随着微电子机械技术的飞速发展，出现了许多新的微透镜阵列制作技术，包括光刻胶热熔法、光敏玻璃热成形法、光刻离子交换法、模压成型法等(参考文献Bian,R.,et al.,Ultralong focal length microlens array fabricated based on SU-8photoresist.Appl Opt,2015.54(16):p.5088-93.以及Hou,T.,et al.,Fabrication,characterization,and applications of microlenses.Appl Opt,2015.54(24):p.7366-76.)。

在实际应用中，常常需要不同焦距的微透镜。使用现有工艺，每制作一种焦距的微透镜，都需要先设计出相应的曲面。由于制作过程中，微透镜的面形受工艺条件等影响，难以精确控制，所以需要根据设计的曲面，进行大量的探索实验，探索出合适的工艺条件和参数。再根据这些参数和工艺条件，制作出所需的微透镜。最后通过微复制工艺将图案转移至稳定的材料，实现批量生产。传统的微复制工艺是等比例复制，复制出的微透镜曲面和制作出的微透镜曲面相同。

因此使用传统的工艺，想要得到不同焦距的微透镜，就需要重新设计参数，探索实验条件(H Ottevaere,R.C.,H PHerzig,T Miyashita,K Naessens,Comparing glass and plastic refractive microlenses fabricated with different technologies.)。由于传统方法制作微透镜往往需要进行大量的探索实验，制作周期长，工艺过程复杂，且成本高昂，这对微透镜进一步发展产生了较大限制。

技术实现要素：

本发明的目的是：本发明提出一种制作微透镜的新方法，利用物质的热膨胀进行微透镜的制作，根据物质热膨胀体积变化量和温度改变量的相关性，控制微透镜的面形，在微复制工艺中得到不同焦距的微透镜。

本发明采用的技术方案为：一种微透镜的制作方法，该方法步骤为：

步骤1)制成微透镜或者微透镜阵列，用作模板微透镜；

步骤2)将聚合物倾倒在制成的微透镜或微透镜阵列上，在一定的温度下进行加热；

步骤3)聚合物固化后，冷却到室温，脱去模板微透镜，在聚合物上得到最终的微透镜或微透镜阵列。(附图2)

本方法中步骤1)中模板微透镜可以是任意材料制成的微透镜，例如光刻胶、金属和玻璃等。只是当使用的材料属于高聚物时，曲率的变化更明显。因为材料体积的改变量与材料的热膨胀系数成正比，与温度改变量成正比。相比其他物质，高聚物的热膨胀系数较大，受热后体积变化量大。但对于热膨胀系数小的材料，本发明的方法依然有效，只是曲率的变化相对较小。

同时，模板微透镜可以是凹透镜也可以是凸透镜。若以凹透镜为模板，膨胀后微透镜的曲面上升，曲率增大。温度改变越多，物质膨胀越多，复制得到的微凸透镜的曲率越大，焦距越长；温度改变越少，物质膨胀越少，复制得到的微凸透镜的曲率相对较小，焦距改变相对较小。若以凸透镜为模板，则与此相反，膨胀后曲率减小，温度改变越多，曲率变得越小，焦距变得越短。因此如需要制作凹透镜阵列，可以以凸透镜阵列为模板；如需凸透镜阵列，可以以凹透镜阵列为模板。

由于本发明制成的微透镜具有可控性，所以模板微透镜尽可能使用具有可控性的工艺制作。模板微透镜的面形可控，就使模板微透镜的曲率精准且可控，这样本发明对微透镜的曲率及焦距的控制也就更有意义。当模板微透镜不能有效控制面形时，仍可以测量得到模板微透镜的曲面面形，实现有效的控制。

以一种可控性很好的模板微透镜为例：对负性光刻胶曝光并加热回流，制成模板微凹透镜。在低于未交联部分光刻胶的玻璃化转换温度以下，对微凹透镜再次加热，光刻胶不发生玻璃化转变，但发生热膨胀。未交联部分的光刻胶热膨胀系数大，受热后体积膨胀较多，交联部分的光刻胶热膨胀系数小，受热后体积基本不变。因此微透镜的曲面上升，曲率增大。将此时的微凹透镜曲面使用微复制材料复制下来，就得到新的微凸透镜。光刻胶热膨胀的多少，由温度改变量和热膨胀系数决定。当光刻胶选定以后，热膨胀系数不再变化，这样温度就成为改变光刻胶膨胀量的唯一因素。温度改变越多，光刻胶膨胀越多，得到的微凸透镜的曲率越大，焦距越长；温度改变越少，光刻胶膨胀越少，得到的微凸透镜的曲率相对较小，焦距相对较短。因此，调整对微凹透镜不同的加热温度，就会使光刻胶有不同程度的膨胀，得到不同的微凸透镜。此外，使用上述工艺制得的负性光刻胶微凹透镜为模板时，由于交联部分与未交联部分热膨胀系数不同，曲面的变化会更明显，曲率变化更大，得到的微凸透镜的曲率会更长。(附图3、附图4)

此外，步骤1)中利用温度对微透镜的面形进行调整，温度的选择决定了形成的微透镜的面形。对于非晶物质，温度应控制在不使其发生玻璃化转变以下，对于晶态物质，温度应控制在其熔点以下。这样保证了物质只发生热膨胀，没有其他变化。否则在重力和表面张力的作用下，面形会发生改变，冷却后依旧保持改变后的面形，这样相当于模板发生了不可逆的变化。

本方法步骤2)中作为微复制的材料可以使用如PDMS等原位聚合的材料。这样的原位聚合材料在未发生聚合反应前，以单体形式存在，具有良好的流动性，因此可以完全复制出完整的曲面面形，聚合后形成稳定的聚合物，可以作为良好的复制材料。对热膨胀系数等没有具体要求，但是当热膨胀系数和模板微透镜材料的热膨胀系数有明显差别时，会更容易将最终得到的微透镜和模板微透镜分离。这是因为冷却后，模板微透镜恢复室温，形貌恢复到室温下的状态，而该聚合物却复制下了膨胀时的模板微透镜的形貌，此时两者形貌不完全重合，从而可以轻松分离。

本发明中主要利用物质的热膨胀，使用聚合物复制下膨胀状态的微透镜面形，当温度降回室温，模板微透镜恢复到热膨胀前的面形。因为不涉及熔融等变化，微透镜只是发生可逆的物理变化。因此下一次的微透镜制作，仍是以相同的微透镜为模板，再次升温膨胀，记录面形，不会对模板微透镜有任何损害，所以模板微透镜可以重复使用。一次热膨胀并复制曲面的时间相对较短，无需重复前面的曝光等工艺，所以制作周期大大缩短。

本发明的原理在于：物质热膨胀是由于温度变化而引起的材料尺寸和外形的变化。对已制成的微透镜加热，微透镜材料会发生热膨胀，微透镜的曲面上升，曲率发生改变。将此时的微透镜面形用另一聚合物复制下来，在这种聚合物的表面就得到了新的微透镜。物质热膨胀的多少由温度的改变量和热膨胀系数决定。每种物质都有对应的热膨胀系数，选定一种物质后，热膨胀系数就确定了。改变实验中温度，就可以控制热膨胀的多少，就是对微透镜的曲面进行了控制。因此本发明中实现了在微复制工艺中，对于同样的微透镜，能复制出多种曲率和焦距的微透镜，并且具有可控性。(附图1)

与现有技术相比，本发明首次提出利用物质的热膨胀进行微透镜的制作，根据物质热膨胀体积变化量和温度改变量的相关性，控制微透镜的面形，实现了在微复制工艺中得到不同焦距的微透镜。本发明简化了微透镜制作工艺，提高了工艺重复性，同时降低了微透镜制作成本，缩短了微透镜制作周期。

附图说明

图1为本发明微透镜的制作方法原理图；

图2为本发明微透镜的制作方法流程图；

图3为以负性光刻胶凹透镜为模板时制作原理图；

图4为以负性光刻胶凹透镜为模板时制作流程图。

具体实施方式

下面结合实例对微透镜制作工艺的具体过程进一步加以说明。

实例1、凸柱面镜阵列的制作

凸柱面镜阵列的平面结构为光栅结构，可以通过光栅结构参数的选择、光刻胶的选择以及相应的工艺条件的选择来实现对微透镜形貌的有效控制。以阵列周期为180微米为例，选择SU-8负性光刻胶和PDMS来制作凸柱面镜阵列。

首先给出平面结构的尺寸：周期为180微米的光栅结构，占空比为1：1，线条长度为1厘米。

具体制作如下：

1)根据上述给出的尺寸，加工出相应的光学掩模；

2)清洗Si基片，180度热台烘20分钟，冷去后旋涂SU-8光刻胶，用热台在65度烘5分钟，再升温到95度烘20分钟。冷却后得到厚度为100微米的SU-8光刻胶层；

3)利用加工好的光学掩模进行紫外曝光，i线，曝光剂量240mJ/cm²；

4)样品用热台在65度烘5分钟，再升温到95度烘10分钟，室温下放置自然冷却；

5)配制PDMS，基本组分与固化剂按10：1体积比混合。将PDMS倾倒在样品上，在35度热台上烘24小时。PDMS固化后从SU-8光刻胶上脱下，在PDMS上得到凸微透镜。

利用台阶仪对模板凹柱面镜和最终制得的凸柱面镜阵列进行测量：模板凹柱面镜曲率半径为205微米，凸柱面镜的曲率半径为295微米，说明基于本发明可以制作不同曲率的微透镜；不同凸柱面镜的曲率半径相差小于5％，说明基于本发明制作微透镜具有很高的工艺重复性。

实例2、凸蜂窝透镜阵列的制作

凸蜂窝透镜阵列的平面结构为蜂窝结构，可以通过蜂窝结构参数的选择、光刻胶的选择以及相应的工艺条件的选择来实现对微透镜形貌的有效控制。以阵列周期为55微米为例，选择SU-8负性光刻胶和PDMS来制作凸蜂窝透镜阵列。

首先给出平面结构的尺寸：周期为55微米的蜂窝结构，为了提高透镜阵列对光源的利用率，蜂窝结构的边宽度为5微米。

具体制作如下：

1)根据上述给出的尺寸，加工出相应的光学掩模；

2)清洗Si基片，180度热台烘20分钟，冷去后旋涂SU-8光刻胶，用热台在65度烘5分钟，再升温到95度烘20分钟。冷却后得到厚度为100微米的SU-8光刻胶层；

3)利用加工好的光学掩模进行紫外曝光，i线，曝光剂量240mJ/cm²；

4)样品用热台在65度烘5分钟，再升温到95度烘10分钟。室温下放置自然冷却；

5)配制PDMS，基本组分与固化剂按10：1体积比混合。将PDMS倾倒在样品上，在50度热台上烘24小时。PDMS固化后从SU-8光刻胶上脱下，在PDMS上得到凸微透镜。

利用台阶仪对模板凹蜂窝透镜阵列和最终制得的凸蜂窝透镜阵列进行测量：模板凹蜂窝透镜的曲率半径为24.19微米，凸蜂窝透镜的曲率半径为402微米，说明基于本发明可以制作不同曲率的微透镜；不同凸蜂窝透镜的曲率半径相差小于5％，说明基于本发明制作微透镜具有很高的工艺重复性。

实例3、凹柱面透镜阵列的制作

选择AZ9260正性光刻胶和PDMS来制作凹柱面透镜阵列。首先给出平面结构的尺寸：直径为300微米，周期为600微米的光栅结构。

具体制作如下：

1)根据上述给出的尺寸，加工出相应的光学掩模；

2)清洗Si基片，180度热台烘20分钟，冷去后旋涂AZ9260光刻胶，用热台在65度烘90分钟。冷却后得到厚度为15微米的AZ9260光刻胶层；

3)利用加工好的光学掩模进行紫外曝光，i线，曝光剂量510mJ/cm²；

4)样品放入配制好的显影液中显影200s，使用去离子水漂洗；

5)样品用热台在75度烘60分钟，再升温到120度烘50分钟。室温下放置自然冷却后，获得模板凸柱面微透镜；

6)配制PDMS，基本组分与固化剂按10：1体积比混合。将PDMS倾倒在样品上，在50度热台上烘24小时。PDMS固化后脱下，在PDMS上得到凹微透镜。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。