微透镜阵列的铸塑复制技术

　　0　引言

　　微电子技术的发展应用,对各个领域都带来了深刻的变化.目前各种微光电元件、微光学元件、微结构器件以及微系统的研究在世界范围内蓬勃兴起.微透镜阵列作为重要的光学元件,在很多领域中发挥着重要的作用,诸如应用于光束扫描、光束准直、激光器泵浦、简化光学系统结构等方面.折射型微透镜是微光学元件的一个重要类别,它具有宽波段应用时色差小等重要优点1.

　　本文讨论的光刻胶微透镜阵列是采用光刻热熔技术得到的.光刻热熔工艺过程可分为如图1所示的三个步骤:①光刻胶板在掩膜的遮蔽下进行紫外曝光;②对已曝光的光刻胶板进行显影和清洗;③热熔成型.

　　接着通过电铸金属镍,得到微透镜阵列镍模板.

　　在此基础上,采用单体塑料浇铸成形的静态铸塑方法,进行了微透镜阵列的静态铸塑复制工艺研究.实验中运用该方法,获得了(20×20)mm的折射型微透镜阵列,单元直径130μm,中心间隔135μm.对微透镜阵列的表面轮廓仪定量分析表明,铸塑复制精度优于0.5μm.

　　1　聚合反应与铸塑成型

　　1.1　聚合反应

　　利用相同或不同低分子化合物聚合成高聚物的反应,称为聚合反应,它是合成高聚物的重要反应.我们选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗称有机玻璃)作为微光学元件的制作材料.聚甲基丙烯酸甲酯是最重要的光学塑料,透明度比玻璃还高,透光率为92%,折射率为1.491,机械、温度性能极好.

　　聚合反应需要引发剂的参与,在适当的引发剂作用下,碳双键就会打开,连锁反应的结果就形成一个长链分子,单体也就聚合成为高聚物塑料.一般的引发剂为自由基类型,它是一种能产生具有未成对电子的自由基的化合物.例如,氧原子通常有两个价键,但其自由基则只形成了一个价键.过氧键断裂(—O—O—)就会形成这种自由基.在本实验中选择过氧化二苯甲酰作为聚合反应的引发剂.

　　单纯的单体聚合得到的聚合物往往脆性较大,当与模具剥离以及在以后的使用过程中容易造成断裂,影响了使用性能.在形成的塑料复制件厚度较小时脆性造成的影响更大.因此需要增加塑料制件的韧性.在聚合过程中加入增塑剂可以很大程度上解决这一问题.增塑剂是一些非活性液体或低分子量的固体,它能使聚合物中的长分子链分开,并且起到润滑作用,使聚合物长分子链易于运动.增塑剂分子与聚合物分子间存在的范德华力阻止了增塑剂的挥发.将增塑剂添加到塑料中可以提高塑料的韧性,改善整体物理-机械性能.我们在实验中选择邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂.

　　1.2　铸塑成型