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實現(xiàn)光束整形、光場均勻化、太陽能電池的陷光結構，立體攝像及顯示，光互連等很多功能，尤其是隨著近年來光纖通信技術的快速發(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大。與之對應，現(xiàn)有的制造技術還難以實現(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。例如通過金剛石鉆頭、激光加工等手段獲得模具而復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，采用微細加工工藝制作了導電薄膜和驅動電極，利用靜電力使導電薄膜變形，實現(xiàn)特定的曲面做為模具，再通過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，這種

3、變形薄膜形成的模具可以通過微細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仿真到形成特定光學曲面，再形成光學透鏡實體模型，進而進行光學透鏡仿真的完整設計方法。通過這個設計仿真流程，我們可以根據(jù)目標透鏡的光學性能優(yōu)化模具結構和電壓。
　　第四章設計了工藝流程，采用SU-8光刻膠的微細加工工藝成功實現(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。
　　第五章對獲得的多種微透鏡陣列進行了表征。包括用激光共聚焦顯微鏡測量了微透鏡的輪廓，并與第三章的仿真結果進行對比，證明二者的誤差在10％以內;用原子力顯微鏡測量了微透鏡的表面光潔度，證明在1×1μm2的范圍內的表面粗糙度小于2nm;搭建光路檢測了各種透鏡的聚焦特性，并測量了焦距;以具有六邊形邊緣且邊長為50μm的微

5、透鏡陣列為例，通過對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，有望通過調節(jié)電壓使陣列內截面形狀一致的微透鏡獲得不同的焦距，這種具有特殊光學性能的微透鏡陣列在立體成像等領域具有應用價值。
　　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)點包括:由于模具通過微細加工工藝制造，微透鏡的尺寸可以縮小至幾微米