異形微透鏡陣列熱壓印制造方法研究

劉偉（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

?

異形微透鏡陣列熱壓印制造方法研究

劉偉
（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710300）

摘要：通過常用微透鏡制造方法比如熔融光刻膠法、反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)、微噴打印法、飛秒激光加工法、熱壓印法等的比較，認(rèn)為采用飛秒激光加工以及局部腐蝕的方法能夠加工各種形狀的微透鏡陣列，而且加工時(shí)間短，制造成本低，微透鏡最小特征尺寸可以達(dá)到30 μm以內(nèi)。將飛秒激光加工的微透鏡陣列作為模板，運(yùn)用熱壓印技術(shù)進(jìn)行復(fù)制，不僅能夠獲得質(zhì)量良好的微透鏡陣列，還能夠批量化生產(chǎn)以減小制造成本。

關(guān)鍵詞：熔融光刻膠法；反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)；微噴打印法；飛秒激光加工法；熱壓印法

稿件編號:1512-1158

0 引言

微透鏡陣列的光學(xué)性能和制造方法已經(jīng)有相關(guān)的研究。然而，在微透鏡排列和布置方面還有許多問題值得研究。例如，不論微透鏡如何排列和布置，總會在相鄰微透鏡之間形成空隙，而這些空隙將會極大的影響出光強(qiáng)度和均勻度，因?yàn)閷胁糠止饴湓谶@個(gè)空隙內(nèi)，而不會被微透鏡會聚，形成所謂的“盲區(qū)”[1-5]。在一些紅外成像和光纖傳輸應(yīng)用中，“盲區(qū)”是不允許存在的。盲區(qū)將極大的影響信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確程度和質(zhì)量，甚至?xí)斐蓸O大的誤差。另一方面，“盲區(qū)”的存在將影響照明燈和顯示器等設(shè)備的出光強(qiáng)度和均勻性，因?yàn)檎丈涞健懊^(qū)”的光并不能被利用。對于常規(guī)的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，微透鏡不論如何排列“盲區(qū)”總是不可避免的。我們可以通過改變微透鏡的結(jié)構(gòu)，如將透鏡底面由圓形設(shè)計(jì)成多邊形比如三角形、正四邊形或者正六邊形等，這種形狀的微透鏡按照不同的排列方式組合，其填充因子理論上能夠達(dá)到近乎100%，這就是異形微透鏡陣列[6]，這對“盲區(qū)”的變小有很大的實(shí)際指導(dǎo)意義[6-7]。

1 微透鏡陣列及其應(yīng)用

現(xiàn)如今，科技越來越發(fā)達(dá)，微透鏡陣列中的折射型已成為新的研究方向，因?yàn)槠溆匈|(zhì)量輕、體積小等特點(diǎn)。而且折射型微透鏡陣列器件的作用越來越大，比如在Shack-Hartmann波前傳感器[8]、人工復(fù)眼[9]、CCD[10]以及線性光學(xué)掃描系統(tǒng)[11]中，其原理分別如圖1.a-d所示。

圖1 微透鏡陣列應(yīng)用

從以上關(guān)于微透鏡結(jié)構(gòu)、應(yīng)用的研究情況來看，通過改變微透鏡陣列單元形狀，從而微透鏡陣列的排列特征得以改變，這樣微透鏡陣列的填充因子可以提高，微透鏡陣列的透光效果可以改善，微透鏡陣列的應(yīng)用范圍得到擴(kuò)大。

2 微透鏡陣列的制造方法

早在20世紀(jì)初，人們就開始研制并利用微透鏡陣列的技術(shù)，提出了貓眼透鏡板技術(shù)[11]。但是，其制作技術(shù)在當(dāng)時(shí)很難達(dá)到較高的水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種制造微透鏡陣列的方法[12]，比如微加工表面技術(shù)、熱壓成形法、光誘導(dǎo)交聯(lián)聚合、溶膠-凝膠法和微噴打印法、反應(yīng)離子刻蝕法、電子束刻蝕、激光刻蝕法、化學(xué)氣象沉積法等。

下面將其中比較常用的方法分別加以介紹。

(1)熔融光刻膠法

熔融光刻膠法的特點(diǎn)是工藝簡單，工藝參數(shù)穩(wěn)定，對材料、設(shè)備要求不高，容易復(fù)制，其工藝流程為(1) 紫外曝光，要求光刻膠板在掩膜遮蔽下進(jìn)行；(2)顯影和清洗；(3)熱熔成型[13]。其工藝過程如圖2所示。

圖2 用熔融光刻熱熔法制備微透鏡陣列的工藝過程

然而利用這種技術(shù)制備微透鏡陣列也有自身的局限性[14]，主要其本身的光學(xué)性能不好，不適于作為微透鏡結(jié)構(gòu)的材料[15]。

(2)反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)

反應(yīng)離子束蝕刻方法是采用離子轟擊濺射和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的原理進(jìn)行的。其特點(diǎn)是在橫向上沒有擴(kuò)蝕現(xiàn)象。但是需要選擇合理地控制參數(shù)，刻蝕的表面質(zhì)量才能好[16]。

(3)微噴打印法

早在1833年，Savart發(fā)現(xiàn)從噴嘴中流出來的液體可以形成相同大小的液滴這一現(xiàn)象，并由Lord Rayleigh和Weber用數(shù)學(xué)方法描述出來。在20世紀(jì)50年代，Hansell觀察到了液滴，其實(shí)通過電機(jī)誘導(dǎo)壓力波產(chǎn)生的。該方法的特點(diǎn)成本較低，靈活性很強(qiáng)[17]。

(4)飛秒激光加工法

飛秒是10-15s。飛秒激光的脈沖寬度或者脈沖持續(xù)時(shí)間在飛秒量級，而傳統(tǒng)激光的脈沖寬度在納秒量級。飛秒激光的脈沖持續(xù)時(shí)間如此之短，以至于激光的能量還沒有來得及轉(zhuǎn)化為熱量擴(kuò)散到附近區(qū)域，是真正意義上的“冷加工”。飛秒激光加工微透鏡陣列的流程如圖3所示。首先，將飛秒激光光束聚焦到基底表面某一點(diǎn)上，通過飛秒激光的瞬間高能量將材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變 為等離子態(tài)并剝離出材料表面，然后通過三坐標(biāo)移動平臺將樣品移動至給定位置，繼續(xù)刻蝕，重復(fù)操作，直到刻蝕點(diǎn)陣列完成，然后將樣品放入5%的HF溶液中并置入超聲波清洗機(jī)以加快腐蝕速度，最后依次將樣品放入丙酮、無水酒精和去離子水中清洗掉表面的HF溶液或者雜質(zhì)[18]。

圖 3 飛秒激光制造微透鏡陣列原理圖

由于激光能量呈高斯分布，使得HF腐蝕后的結(jié)構(gòu)近似為微透鏡?？刂坪酶g時(shí)間，就能夠方便地加工各種微透鏡陣列以及異形微透鏡陣列，而且能夠在任何硬質(zhì)材料上加工，成型時(shí)間相對較短，在微透鏡陣列加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

異形微透鏡陣列的加工工藝流程如圖4所示，飛秒激光在石英玻璃上剝蝕形成的凹坑點(diǎn)陣，在較短的腐蝕時(shí)間內(nèi)，其邊緣逐漸向外擴(kuò)散，慢慢形成微透鏡陣列結(jié) 構(gòu)，隨著腐蝕的進(jìn)行，微透鏡的直徑逐漸增大直到相鄰微透鏡相互接觸，這樣就形成了異形微透鏡陣列。而控制飛秒激光的點(diǎn)陣排列方式以及腐蝕時(shí)間， 就能加工出不同形狀的異形微透鏡陣列，比如三角形、四邊形以及六邊形微透鏡陣列等[19]。

圖 4 飛秒激光制作的四邊形和六邊形微透鏡陣列

飛秒激光法能夠方便快捷地制造微透鏡陣列以及異形微透鏡陣列，而且直接在石英玻璃等超硬材料上加工，與熱壓印技術(shù)相結(jié)合，不僅減少了模具的生產(chǎn)時(shí)間，還能夠滿足工業(yè)上批量生產(chǎn)的要求，大大降低了生產(chǎn)成本。

(5)熱壓印法

熱壓印成形是一種常用的加工方法。由于微熱壓技術(shù)擁有復(fù)制精度高、制造速度快等優(yōu)點(diǎn)，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)得到了眾多學(xué)者的重視，也涌現(xiàn)出大量的研究成果。但是，研究過程中也發(fā)現(xiàn)，此種方式制造出來的成品可能會有些缺陷，如充填不完全，成品存在收縮、翹曲及表面粗糙度大等問題。

3 結(jié)束語

在各種光學(xué)器件以及傳感器領(lǐng)域，微透鏡陣列均有廣泛的用途。平面光刻技術(shù)無法制造三維的微透鏡結(jié)構(gòu)，而常用微透鏡制造方法比如熔融光刻膠法、反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)、微噴打印法、飛秒激光加工法、熱壓印法等或工序較為復(fù)雜，或需要昂貴的掩膜。采用飛秒激光加工以及局部腐蝕的方法能夠加工各種形狀的微透鏡陣列，而且加工時(shí)間短，制造成本低，微透鏡最小特征尺寸可以達(dá)到30 μ m以內(nèi)。將飛秒激光加工的微透鏡陣列作為模板，運(yùn)用熱壓印技術(shù)進(jìn)行復(fù)制，不僅能夠獲得質(zhì)量良好的微透鏡陣列，還能夠批量化生產(chǎn)以減小制造成本。

參考文獻(xiàn)

[1] Stevens R, Miyashita T.Review of standards for microlenses and microlens arrays[J].Imaging Science Journal, 2010, 58 (4): 202-212.

[2] 任智斌.折射型微透鏡及微透鏡陣列光學(xué)性質(zhì)與制作技術(shù)的研究[D].長春: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 2004.

[3] Wei MK, Su IL.Method to evaluate the enhancement of luminance efficiency in planar OLED light emitting devices for microlens array[J].Optics Express, 2004, 12 (23): 5777-5782.

[4] Borrelli NF.Efficiency of microlens arrays for projection LCD[C], 1994: 338-345.

[5] 張玉.六角形孔徑平面微透鏡陣列研究[D].重慶: 西南大學(xué), 2007.

[6] 張曉亮.無縫隙微透鏡陣列制作及與OLED集成的研究[D].天津: 南開大學(xué), 2008.

[7] Popovic ZD, Sprague RA, Connell GAN.Technique for Monolithic Fabrication of Microlens Arrays[J].Applied Optics, 1988, 27 (7): 1281-1284.

[8] Lin CP, Yang HS, Chao CK.Hexagonal microlens array modeling and fabrication using a thermal reflow process[J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2003, 13 (5): 775-781.

[9] Yang HH, Chao CK, Wei MK, et al.High fill-factor microlens array mold insert fabrication using a thermal reflow process[J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2004, 14 (8): 1197-1204.

[10] Chou MC, Pan CT, Shen SC, et al.A novel method to fabricate gapless hexagonal micro-lens array[J].Sensors and Actuators a-Physical, 2005, 118 (2): 298-306.

[11] Kwon H, Yee Y, Jeong CH, et al.A high-sag microlens array film with a full fill factor and its application to organic light emitting diodes[J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18 (6): 187-189.

[12] Pan CT, Chen MF, Cheng PJ, et al.Fabrication of gapless dualcurvature microlens as a diffuser for a LED package[J].Sensors and Actuators a-Physical, 2009, 150 (1): 156-167.

[13] Chang SI, Yoon JB.Shape-controlled, high fill-factor microlens arrays fabricated by a 3D diffuser lithography and plastic replication method[J].Optics Express, 2004, 12 (25): 6366-6371.

[14] Chang SI, Yoon JB, Kim HK, et al.Microlens array diffuser for a light-emitting diode backlight system[J].Optics Letters, 2006, 31 (20): 3016-3018.

[15] Lin TH, Yang HH, Chao CK, et al.New high fill-factor triangular microlens array fabrication method using UV proximity printing[J].Microsystem Technologies-Micro-and Nanosystems-Information Storage and Processing Systems, 2009, 15 (8): 1255-1261.

[16] Lin T-H, Yang H, Chao C-K, et al.New high fill-factor dualcurvature microlens array fabrication using UV proximity printing[J].Microsystem Technologies, 2011, 17 (4): 601-607.

[17] 李明, 程光華, 趙衛(wèi)等.飛秒激光和酸刻蝕方法制作凹面微透鏡陣列[J].光子學(xué)報(bào), 2009, 38 (3): 4.

[18] Chen F, Liu HW, Yang Q, et al.Maskless fabrication of concave microlens arrays on silica glasses by a femtosecond-laser-enhanced local wet etching method[J].Optics Express, 2010, 18 (19): 20334-20343.

[19] Gordon NT, Jones CL, Purdy DJ.Application of microlenses to infrared detector arrays[J].Infrared Physics, 1991, 31 (6): 599-604.

[20] Moller S, Forrest SR.Improved light out-coupling in organic light emitting diodes employing ordered microlens arrays[J].Journal of Applied Physics, 2002, 91 (5): 3324-3327.

[21] Wei MK, Lee JH, Lin HY, et al.Efficiency improvement and spectral shift of an organic light-emitting device by attaching a hexagon-based microlens array[J].Journal of Optics a-Pure and Applied Optics, 2008, 10 (5):25-30.

[22] Wei MK, Lin HY, Lee JH, et al.Efficiency improvement and spectral shift of an organic light-emitting device with a squarebased microlens array[J].Optics Communications, 2008, 281 (22): 5625-5632.

[23] Pan CT, Su CH.Fabrication of gapless triangular micro-lens array[J].Sensors and Actuators a-Physical, 2007, 134 (2): 631-640.

[24] Liu KH, Chen MF, Pan CT, et al.Fabrication of various dimensions of high fill-factor micro-lens arrays for OLED package[J].Sensors and Actuators a-Physical, 2010, 159 (1): 126-134.

Methods research of special micro lens array thermal printing

LIU Wei
（Shaanxi Institute of Technology，Xi'an 710300，Shaanxi，China）

Abstract：Through micro lens manufacturing methods such as melting photoresist, reactive ion beam etching technique, micro jet printing method, femtosecond laser processing method, thermal printing, such as comparison, it is concluded that: using femtosecond laser machining and the method of local corrosion to various shapes of micro lens array, and short processing time, low manufacturing cost, micro lens minimum feature sizes can be reached within 30 microns.The femtosecond laser machining of micro lens array as a template, using thermal printing technology to reproduce, can not only obtain good quality micro lens array, will also be able to mass production to reduce manufacturing costs.

Keywords:Melting photo resist; Reactive ion etching technology;Micro spray print method; Fem-to-second laser processing method; Hot pressing method.

中圖分類號：TG249：TG494；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0010-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.003

基金項(xiàng)目;陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題—4D打印成型創(chuàng)新技術(shù)探索（Gfy 15-09）

收稿日期:2015-12-10

作者簡介：劉偉（1979—），男，講師；主要從事機(jī)械制造、熔融沉積方面的基礎(chǔ)研究.