采用靜電變形薄膜造型的自由曲面微透鏡陣列研究.pdf

1、自由曲面微透鏡陣列可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)光束整形、光場(chǎng)均勻化、太陽(yáng)能電池的陷光結(jié)構(gòu)，立體攝像及顯示，光互連等很多功能，尤其是隨著近年來(lái)光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展和光纖入戶的普及，與光纖光斑尺寸相仿的自由曲面微透鏡的用途還在不斷擴(kuò)大。與之對(duì)應(yīng)，現(xiàn)有的制造技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)低成本、直徑在幾十微米以下、可精確控制面型的微透鏡陣列。例如通過(guò)金剛石鉆頭、激光加工等手段獲得模具而復(fù)制獲得的微鏡頭的尺寸一般在幾百微米，而微噴打印，光敏膠熱回流形成的微鏡頭的面型不能精確

2、控制。
　　本文針對(duì)尺寸在幾十微米以下的自由曲面微透鏡陣列，提出一種稱為“MEFDT”的制造方法，采用微細(xì)加工工藝制作了導(dǎo)電薄膜和驅(qū)動(dòng)電極，利用靜電力使導(dǎo)電薄膜變形，實(shí)現(xiàn)特定的曲面做為模具，再通過(guò)注模形成聚合物的微透鏡陣列。這種方法和原有的微透鏡陣列制作方法相比，可形成圓形、橢圓形、矩形、六邊形等各種截面形狀的微透鏡陣列，并能通過(guò)改變電壓和電極的位置，改變透鏡的曲面輪廓，從而制造出各種形狀、高填充比的自由曲面微透鏡陣列。同時(shí)，這種

3、變形薄膜形成的模具可以通過(guò)微細(xì)加工工藝大批量獲得，有效降低了制造成本。
　　第二章闡述了采用“MEFDT”方法制備微透鏡陣列的基本原理和流程。第三章建立起一套從多物理場(chǎng)仿真到形成特定光學(xué)曲面，再形成光學(xué)透鏡實(shí)體模型，進(jìn)而進(jìn)行光學(xué)透鏡仿真的完整設(shè)計(jì)方法。通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)仿真流程，我們可以根據(jù)目標(biāo)透鏡的光學(xué)性能優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和電壓。
　　第四章設(shè)計(jì)了工藝流程，采用SU-8光刻膠的微細(xì)加工工藝成功實(shí)現(xiàn)了單層電極靜電變形薄膜模具的制作，并

4、采用PDMS材料，用此模具制備了球形曲面，矩形球體曲面，六邊形球體曲面，類花生殼形曲面等多種自由曲面的微透鏡陣列。
　　第五章對(duì)獲得的多種微透鏡陣列進(jìn)行了表征。包括用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量了微透鏡的輪廓，并與第三章的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明二者的誤差在10％以內(nèi);用原子力顯微鏡測(cè)量了微透鏡的表面光潔度，證明在1×1μm2的范圍內(nèi)的表面粗糙度小于2nm;搭建光路檢測(cè)了各種透鏡的聚焦特性，并測(cè)量了焦距;以具有六邊形邊緣且邊長(zhǎng)為50μm的微

5、透鏡陣列為例，通過(guò)對(duì)其靜電變形薄膜模具施加150-300V的電壓，發(fā)現(xiàn)獲得的微透鏡的焦距隨電壓增加從220微米減小到170微米。因此，有望通過(guò)調(diào)節(jié)電壓使陣列內(nèi)截面形狀一致的微透鏡獲得不同的焦距，這種具有特殊光學(xué)性能的微透鏡陣列在立體成像等領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值。
　　綜上所述，本論文研究了一種新的制造方法，以靜電變形薄膜形成的曲面做為模具制作聚合物微透鏡陣列。這種方法的優(yōu)點(diǎn)包括:由于模具通過(guò)微細(xì)加工工藝制造，微透鏡的尺寸可以縮小至幾微米