采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于凹微透鏡及陣列加工技術領域，特別是涉及一種采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法。
【背景技術】
[0002]微光學是指微米和納米尺度上的光學技術，經過20多年的發展，其已經成為光學、電子學、材料學、力學等多學科高度交叉滲透的前沿學科。折射式微透鏡及其陣列是其核心內容之一，由于此類結構具有體積小、質量輕、易集成、光學性能好等優點，因此在宇航、通信、傳感、遙感及先進制造等領域中均得到重要應用。
[0003]從微透鏡功能的角度來說，幾何參數對其性能至關重要。隨著微透鏡及其陣列的應用日益廣泛，對幾何參數的要求也越來越高。幾何參數通常由加工過程決定，主要包括曲率、浮雕高度(深度)和表面粗糙度。其中曲率和浮雕高度(深度)決定了微透鏡對光束的相位調制能力。一般來說，照明系統中的微透鏡，當輪廓P-V值在200nm時，曲率的不一致性應控制在±3%以內。表面粗糙度是影響微透鏡功能的另一個重要因素，合理的表面粗糙度能夠有效降低透鏡表面的光散射和圖像模糊程度，這對成像系統尤為重要。通常用于可見光區的微透鏡，其表面粗糙度應小于5nm。此外，微透鏡陣列中每個微透鏡的位置精度同樣是制造過程中需要考慮的重要內容，尤其是當微透鏡陣列應用在晶片級大規模生產時。
[0004]因此，微透鏡理想的加工方法應同時具備工藝流程和加工精度兩方面的優勢，然而目前主流的制造方法在以上兩方面都難以同時得到滿足，主要包括以下四種方法:
[0005]I)精密切削加工法:主要包括金剛石單點車削和金剛石磨削，它們都是通過道具尖端金剛石對材料施加切削力，使其產生剪切斷裂、滑移及剝離等一系列物理變化，從而得到微透鏡結構的加工方法。它們對透鏡面型的塑造能力主要取決于金剛石刀尖的形狀和切削時刀具的運動路徑，其加工時間主要取決于所加工的材料性質、面型以及粗糙度要求。其中，金剛石單點車削由于產品不合格率高且效率較低，因此不適合加工微透鏡陣列。相比而言，金剛石磨削更適合加工微透鏡陣列，但其加工效率同樣不夠理想，而且還存在加工過程中由刀具磨損帶來的切削力增大、表面質量下降等問題。
[0006]2)基于表面張力的加工方法:這類方法本質上是一個由粘稠相到玻璃相的轉化過程，主要包括熱熔光刻膠、紫外固化聚合物、光敏玻璃熱成型及按需滴定等方法。其中，熱熔光刻膠法應用較為廣泛，但光刻過程極大地增加了該方法的成本及工藝復雜度，且由于存在微透鏡邊緣粘連現象，使其最大的填充因子不超過80%。紫外光固化聚合物法和按需滴定法也是常用的大規模生產方法，它們分別通過紫外光照誘導聚合反應和溫度控制的方式實現粘稠相液滴的固化，但固化過程會帶來微透鏡體積的收縮，通常這一變化量約為千分之幾到百分之幾，并且隨著液滴體積的增大其收縮量也隨之增大，由此會引發微透鏡光學參數的改變。因此，通過表面張力的方法所制造的微透鏡陣列不適合應用于高分辨率成像的光學系統中。
[0007]3)熱壓印成型法:該方法通過機械力的方式將模板上的圖形在一定溫度下精確復制到壓印膠上，再通過反應離子刻蝕等手段將圖形最終轉移到襯底上。這項技術較為適合微納米尺度的大規模生產，已被廣泛應用于微透鏡陣列的制造。然而，其高昂的模板制造費用仍是這一領域亟待解決的問題之一。
[0008]4)激光光刻加工法:激光直寫式加工具有最強的面型塑造能力，通過調制掃描過程中的光強和焦點位置，能夠實現自由曲面微透鏡加工。但是，這種方法實際上是一種逐點掃描方式，效率較低，而且加工過程中激光脈沖能量的不一致性會對微透鏡的面型帶來影響，從而影響其光學性能。
[0009]除以上方法外，還有基于LIGA技術、基于原子力顯微鏡(Atomicforcemicroscope，AFM)陽極氧化等多種加工方法，它們或成本過高，或加工能力有限，因此目前均處于實驗研究階段。
[0010]綜上所述，如何采用簡單穩定的加工工藝，在降低加工成本的同時，能夠擁有較高的加工精度，是目前微透鏡及其陣列加工技術所面臨的主要課題。
【發明內容】
[0011]為了解決上述問題，本發明的目的在于提供一種采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法。
[0012]為了達到上述目的，本發明提供的采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法包括按順序進行的下列步驟:
[0013]I)對硅-氧基材料的玻璃表面進行預處理，然后在0.8—1.0Tg(玻璃化轉換溫度)的溫度下退火1-3小時，以消除材料的表面殘余應力，之后在退火后的玻璃表面施加機械壓痕，以制成凹微透鏡或凹微透鏡陣列預制件；
[0014]2)將上述凹微透鏡或凹微透鏡陣列預制件在0.8—1.0Tg的溫度下退火0.1-3小時，以改變預制件表面壓痕下方的致密區域范圍大小，或不經過退火而直接進入下一步驟；
[0015]3)將上述凹微透鏡或凹微透鏡陣列預制件浸泡在ρΗ = 0.5-3的HCl溶液中，然后放置在60-90°C的恒溫裝置中處理8-30小時，取出后用去離子水洗凈，之后于室溫及pH= 12-13.5的條件下浸泡在NaOH溶液中，之后放置在60-90°C的恒溫裝置中進行腐蝕處理，腐蝕時間由所需生成面型決定，由此制成所述的凹微透鏡或凹微透鏡陣列。
[0016]在步驟I中，所述的硅-氧基材料的玻璃為浮法玻璃或二氧化硅玻璃。
[0017]在步驟I中，所述的對娃-氧基材料的玻璃表面進行預處理的方法是將娃-氧基材料的玻璃表面進行機械打磨至表面粗糙度小于lnm。
[0018]在步驟I中，所述的機械壓痕的載荷為5-500mN，加載和卸載速率為l-20mN/s，保載時間為l-20s。
[0019]本發明提供的采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法具有以下優點:
[0020]加工工藝簡單穩定，成本低廉，非接觸式技術直接產生凹微透鏡及其陣列，透鏡表面粗糙度和面型精度更加可控，可大幅提高透鏡的光學性能。本發明制造的凹微透鏡及其陣列可以被廣泛應用于通信、航天、醫療及國防等領域。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例1在不同腐蝕時間得到的凹微透鏡的原子力顯微鏡形貌圖(a.腐蝕前;b.HCl 溶液中 15h; c.NaOH 溶液 3h ； d.NaOH 溶液 16h; e.NaOH 溶液 40h ； f.NaOH 溶液 83h ；g.NaOH溶液 1 3h; h.NaOH溶液 171 h)
[0022]圖2為本發明實施例1在不同腐蝕時間得到的凹微透鏡的原子力顯微鏡三維形貌圖(a.腐蝕前；b.HCl溶液中 15h； c.NaOH溶液3h ； d.NaOH溶液 16h； e.NaOH溶液40h ；f.NaOH溶液 83h ； g.NaOH 溶液 103h ； h.NaOH 溶液 171h)
[0023]圖3為本發明實施例1在不同腐蝕時間得到的凹微透鏡剖面圖(對角線截面)(腐蝕時間為:腐蝕前、NaOH溶液3h、NaOH溶液16h、NaOH溶液40h、NaOH溶液8 3h、NaOH溶液171 h)
[0024]圖4為本發明實施例3在不同腐蝕時間得到的凹微透鏡剖面圖(對角線截面)(腐蝕時間為:腐蝕前、退火2h、NaOH溶液17h、NaOH溶液40h、NaOH溶液104h)
[0025]圖5為本發明實施例3在不同腐蝕時間得到的凹微透鏡的原子力顯微鏡形貌圖(a.腐蝕前;b.退火2小時；c.NaOH溶液3h ； d.NaOH溶液17h ； e.NaOH溶液40h ； f.NaOH溶液104h)
[0026]圖6為本發明實施例6在不同腐蝕時間得到的凹微透鏡的原子力顯微鏡形貌圖(a.腐蝕前；b.NaOH溶液3h ； c.NaOH溶液9h ； d.NaOH溶液17h ； e.NaOH溶液40h ； f.NaOH溶液64h ；g.NaOH 溶液 104h; h.NaOH 溶液 176h)
[0027]圖7為本發明實施例8在不同腐蝕時間得到的凹微透鏡的原子力顯微鏡形貌圖(a.腐蝕前；b.退火2小時；c.NaOH溶液3h ； d.NaOH溶液9h ； e.NaOH溶液17h ； f.NaOH溶液40h ；g.NaOH 溶液 104h; h.NaOH 溶液 176h)
[0028]圖8為本發明實施例9在不同腐蝕時間得到的微透鏡陣列的原子力顯微鏡三維形貌圖(a.腐蝕前;b.NaOH溶液22h; c.NaOH溶液83h)
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的采用表面壓痕技術制備硅-氧基材料凹微透鏡及陣列方法進行詳細說明。
[0030]實施例1
[0031]將多塊作為試樣且尺寸為15mmX15mmX3mm的浮法玻璃(化學組成(mol%):70.8
5102.12.8Na20,5.9 MgO,0.33 Al2O3，密度2.55g/cm3，Tg = 565°C )表面進行機械打磨至表面粗糙度小于0.1nm，在565°C的溫度下退火2小時。取退火后的玻璃試樣進行機械壓痕而制成凹微透鏡預制件，壓痕載荷