一种聚合物微透镜阵列的制备方法及系统

本发明涉及微光学元件，尤其涉及一种聚合物微透镜阵列的制备方法及系统。

背景技术：

1、将微透镜阵列集成到现代电子和光学系统中，正在成为提升这些先进系统性能和功能的实际和高效的方法。例如：这种集成在提高有机发光显示(oled)和太阳能系统的亮度和效率、提升多光束控制系统的精度和速率(如无人驾驶系统)、改善光纤耦合效率、提升光学传感器和相机的成像质量和灵敏度、以及在生物医学领域中用于细胞成像和组织工程等方面，均具有巨大的应用前景。

2、为满足现代应用的需求，已经引入了各种微透镜阵列的制造方法。这些方法包括机械加工、飞秒激光技术、超精密金刚石车削、光刻、化学蚀刻、热塑/压、纳秒脉冲电化学微加工(emm)、反应离子刻蚀和软印刷等。然而，所有这些技术通常复杂、低效，依赖于昂贵的超精密机床和模具，以及具有丰富经验的高级技工。

3、例如，机械加工依赖昂贵的纳米加工设备。生产过程慢，需要熟练的操作人员。热压成型改善了表面质量，但由于腔体填充的限制，难以制造高数值孔径(na)的微透镜阵列。利用飞秒激光技术的大规模制造的效率低且表面质量难以保证。实现高na微透镜阵列的精确制造仍然具有挑战性。

4、为了解决这些挑战，已经开发了一系列结合微复制和紫外线聚合技术的专利。目前已公开的技术中，已经遇到了各种必须解决的关键问题。这些问题包括控制模具失真、材料损耗、环境稳定性，以及如何精确调整光学元件的折射率。

5、此外，公开号为cn 115356793 a的专利介绍了一种微透镜阵列的制造工艺。该工艺采用了金属模具的微复制与紫外线聚合技术的组合，得以在室温下生产透镜阵列而无需施加压力。然而，制造出具有所需的金属模具仍然是一个关键挑战，需要昂贵的纳米精密设备和工具。此外，模具的表面质量严重影响微透镜阵列的质量。

6、公开号为cn103353627a的专利概述了一种在真空条件下使用聚合物模具(例如su8)制造具有柱状微孔特征的光学聚合物的方法。该专利强调了制备具有这些柱状微特征的模具所需的复杂多步工艺，包括旋涂、光刻、热处理和紫外线聚合技术等步骤。然而，关于微特征的表面质量仍然存疑，尤其是可能在镜片阵列表面显现出来的粗糙度问题，以及在整个成型过程中该模具的耐用性。因此，这种复杂的制造技术会显著影响该方法的实际可行性和经济可行性。

7、因此，需要一种新的微透镜阵列制造技术来克服这些困难，实现简单且经济高效的方法，以高产量生产无瑕疵的结构。

8、目前关于聚合物微透镜阵列的相关制备技术，仍有待于进一步的改进。

技术实现思路

1、本发明提出了一种聚合物微透镜阵列的制备方法及系统，解决了现有的微透镜阵列的控制模具失真、环境稳定性差，以及无法精确调整光学元件的折射率的技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种聚合物微透镜阵列的制备方法，具体包括以下步骤：

4、调节单体溶液的振动参数，得到不同振动参数对应的不同单体溶液驻波形态，确定所述振动参数与所述单体溶液驻波形态的对应关系；

5、基于微透镜阵列的形状和尺寸，根据所述对应关系获得工作振动参数，在所述单体溶液的表面得到对应形状和尺寸的所述微透镜的驻波形态；

6、利用紫外光固化系统，对所述单体溶液的表面发射紫外光，通过紫外光固化所述单体溶液以冻结波形，获得固化的微透镜阵列。

7、在此技术方案基础上，进一步优选地，所述调节单体溶液的振动参数，得到所述振动参数与所述单体溶液驻波形态的对应关系，包括以下步骤：根据流体力学方程限定来调节单体溶液的振动参数，得到所述振动参数与所述单体溶液驻波形态的对应关系。

8、在此技术方案基础上，进一步优选地，所述调节单体溶液的振动参数，得到所述振动参数与所述单体溶液驻波形态的对应关系，具体还包括以下步骤：

9、根据navier-stokes方程的数值解，描述单体溶液受振动后的动态行为，在单体溶液中调节对应的振动参数，设计微透镜的形状、尺寸，获取阵列群分布的驻波形态，所述navier-stokes方程分别为：

10、(1)g(t)＝g-acos(ωt)

11、其中，g为重力加速度，a为振幅，ω为角速度，

12、(2)z＝ζ(x,t)

13、其中，方程(2)表示自由液体表面，t为时间，z为垂直于容器平面的坐标，x为平面坐标向量，

14、(3)

15、其中，方程(3)表示满足运动边界条件，k2＝kx2+ky2,kx为x方向的波数，ky为y方向的波数，ν＝η/ρ为液体的运动粘度，ρ为液体密度，η为液体的动态粘度，w为液体z方向的速度，结合上述navier-stokes方程的数值解，即可设计微透镜的形状、尺寸，获取阵列群分布的驻波形态。

16、在此技术方案基础上，进一步优选地，所述的振动参数包括振动频率、加速度、形状及单体溶液粘度。

17、在此技术方案基础上，进一步优选地，所述微透镜形状包括圆形、矩形。

18、在此技术方案基础上，进一步优选地，所述单体溶液粘度包括10-140cps。

19、在此技术方案基础上，进一步优选地，所述振动频率包括30-900hz。

20、所述微透镜阵列的形状和尺寸包括：单体微透镜形状和单体微透镜尺寸，所述单体微透镜形状包括圆形、矩形，所述单体微透镜的尺寸，包括直径为50-70mm。

21、在此技术方案基础上，进一步优选地，所述对所述单体溶液的表面发射紫外光，包括单频或多频波。

22、在此技术方案基础上，进一步优选地，一种聚合物微透镜阵列的制备方法如下：

23、在充有高光学透明度的紫外光可固化单体溶液的容器上，施加振荡来激发稳定的、所需形状、尺寸和分布的表面驻波，再施加紫外光来固化具有稳定表面波的单体溶液。

24、另一方面，本发明还提供一种聚合物微透镜阵列的制备系统，包括振动系统、容纳系统、紫外光固化系统和安装支架。

25、所述容纳系统包括液体容器和单体溶液；

26、所述振动系统包括振动器和振动器头板，且所述振动系统设置于所述容纳系统一侧，用于得到所述单体溶液的驻波形态；

27、所述紫外光固化系统平行设置于所述容纳系统远离所述振动系统一侧，且与所述容纳系统通过所述安装支架相连，用于固化单体溶液。

28、与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：

29、鉴于现有微透镜阵列制造技术的缺陷，本发明提供了一种新颖简单的方法，可有效消除外部加工条件的多种制约，如昂贵的纳米级多轴加工中心、超精密刀具和模具等，以本发明提供的制备方法，可完成高效低成本的无瑕疵聚合物微透镜阵列的生产，并且生产过程不再依赖于高级精密刀具、模具的加工。

30、本发明所述的聚合物微透镜阵列的制备方法及系统，克服了现有技术的缺点，并可通过操纵振动参数、单体溶液的粘度、容器形状、液体属性(例如粘度)等，来瞬时地切换稳定表面驻波的形状、尺寸和分布，且切换范围极广，包括条纹状、六边形、正方形、准周期形等。由于单体溶液的驻波在表面张力的作用下具有原子尺度的波表光清洁度，因此固化后的微透镜自然具有原子尺度的表面光学质量，完全并轻而易举地避免了现有的其它生产技术导致的表面损伤。

31、同时，本发明对于聚合物微透镜阵列的稳定驻波形态的设计，是基于navier-stokes方程的基础理论的解，因此其技术方案也为进一步开发微透镜阵列极其类似产品制造技术，开创了一条新的途径。