一种AR衍射光波导压印模具的制备方法及软模具和应用技术

本发明专利技术涉及一种AR衍射光波导压印模具的制备方法及软模具和应用。具体步骤为：采用双光子聚合微纳3D打印机在镍基底上打印电铸掩模；利用纳秒脉冲微细电铸，对得到的带有掩模的镍基板进行电铸，得到倾斜光栅金属镍模具；以制造的倾斜光栅金属镍模具作为母模，在母模上涂布图形层聚合物PDMS，将PET贴覆到PDMS上，对模具进行压印，采用揭开式脱模，得到一次复制的软模具，重复涂覆PDMS、贴覆PET、压印、揭开式脱模的步骤，最终制得若干PDMS软模具阵列排布在一张PET上的复合软模具。实现大面积AR衍射光波导压印模具的高精度低成本高效制作。

【技术实现步骤摘要】
一种AR衍射光波导压印模具的制备方法及软模具和应用
本专利技术属于增强现实AR和微纳制造
，具体涉及一种AR衍射光波导压印模具的制备方法及软模具和应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。增强现实(AugmentedReality，简称AR)是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的新技术。它能够虚拟信息模拟仿真后，利用一个或一组光学耦合器，通过“叠加”的方式，将虚拟信息和真实场景融为一体，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。AR眼镜(头盔显示)是增强现实系统的核心功能部件。目前限制AR眼镜批量化生产的主要因素是显示系统的设计和制造。当前市场上的AR眼镜采用的显示系统基本上都是各种微型显示屏与棱镜、自由曲面、光波导等光学元件的组合。其中光波导具有以下显著的优势：动眼框范围大适应更多人群、光学效果好、外观形态与眼镜类似、成像系统旁置、具有视场角大、质量轻和厚度薄以及良好的可量产潜能等，被认为是AR眼镜走向消费级的最理想的解决方案。AR光波导分为几何光波导(GeometricWaveguide)和衍射光波导(DiffractiveWaveguide)两种。以色列Lumus公司采用的方案就是几何光波导，它是通过许多堆叠在一起的成一定角度的半透半反镜面来实现图像的输出和动眼框的扩大。几何光波导的生产工艺繁冗，需要在镜面阵列中的每个镜面上镀上不同反射透射比(R/T)的多层膜，导致总体良率较低。目前，衍射光波导已经逐渐显示出更好和更广泛的工业化应用前景。衍射光栅是衍射光波导的核心，根据所使用的衍射光栅的不同，衍射光波导主要有表面浮雕光栅和体全息光栅。国际上，Digilens、苹果的Akonia公司、英国BAE、索尼等公司采用的解决方案是体全息光栅，它是运用全息干涉曝光的方法在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”来制备，其材料制备复杂、规模量产困难、长期可靠性、材料稳定性难以保证。目前业界已经形成的共识是：AR眼镜想要具备普通眼镜的外观，真正走向消费市场，表面浮雕倾斜光栅是目前最佳方案。目前Microsoft、Rokid、MagicLeap等公司发布了多款消费级AR眼镜产品，证明了表面浮雕倾斜光栅衍射光波导的优越性能。但是，专利技术人发现，现有的微纳制造技术(诸如光学光刻、纳米压印等)面临表面浮雕倾斜光栅制造困难的问题，尤其是难以实现倾斜光栅低成本批量化生产的挑战性难题。目前国际AR设备提供商Microsoft、MagicLeap、Vuzix等公司生产表面浮雕光栅的方法：(1)利用电子束光刻和刻蚀工艺制造小母版，通过步进压印工艺制造大母版(压印模具)；(2)随后采用通过纳米压印(平压平工艺技术，在玻璃基底(即波导片)涂铺可见光波段透明度很高和高折射率指数的树脂材料上压印出倾斜光栅光波导结构。该方案制作母模具面临很大的限制和约束，例如，电子束光刻和刻蚀工艺相结合只能制造非常小面积的母版，而且对于所制造的倾斜光栅只能限定一定几何特征尺寸，尤其还面临制造成本高和生产周期长的问题。此外，还存在压印的面积较小，模具易损坏等问题。因此，AR衍射光波导(表面浮雕倾斜光栅)压印模具的制作面临难以解决的难题。精密微电铸技术是一种精度高，成本低的微模具制造技术。其中LIGA以及UV-LIGA技术被认为是一种制作高精度压印模具的有效方法。LIGA技术虽然具有突出的优点，但是它的工艺步骤比较复杂,成本费用昂贵。为了获得光源，需要复杂而又昂贵的高能量X射线源——同步回旋加速器，同时还需要光刻掩模板。光刻的掩模板本身就是微结构，需要先用离子束光刻等技术制备出来，费时又复杂,可用的光刻胶种类又少，这使得LIGA技术难以实现任意形状的大面积倾斜光栅压印模具的高效低成本制备。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种AR衍射光波导压印模具的制备方法及软模具和应用。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种AR衍射光波导压印模具的制备方法，具体步骤为：1、打印电铸模板：采用双光子聚合微纳3D打印机在镍基底上打印电铸掩模；2、电铸倾斜光栅金属模具：利用纳秒脉冲微细电铸，对步骤1得到的带有掩模的镍基板进行电铸，得到倾斜光栅金属镍模具；3、制备压印复合软模具：以步骤2制造的倾斜光栅金属镍模具作为母模，在母模上涂布图形层聚合物PDMS，将PET贴覆到PDMS上，对模具进行压印，采用揭开式脱模使PDMS脱离金属镍母模，得到一次复制的软模具(PDMS粘附在PET上)，重复涂覆PDMS、贴覆PET(在同一张PET不同位置贴覆)、压印、揭开式脱模的步骤，最终制得若干PDMS软模具阵列排布在一张PET上的复合软模具。结合纳秒脉冲微细掩模电铸和微纳3D打印技术，实现大面积AR衍射光波导(表面浮雕倾斜光栅)压印模具的高精度低成本高效制作的方法。采用双光子聚合微纳3D打印在金属基底上打印电铸掩模，一方面光子聚合微纳3D打印精度高，满足了衍射光波导的精度要求，另一方面相较于传统的LIGA工艺，省去了制作高精度光刻掩模的过程，直接在基底打印电铸掩模，具有制造成本低和生产效率高的优势。采用纳秒脉冲微细掩模电铸技术，解决了电化学沉积的定域性和过程的稳定性的难题，实现了倾斜光栅模具高精度低成本制造。双光子聚合微纳3D打印可以根据需要设计打印任意形状、深宽比、倾斜角的微结构；纳秒脉冲微细电铸的定域性强，过程的稳定性好。因此利用双光子聚合微纳3D打印技术打印电铸掩模并结合纳秒脉冲微细掩模电铸技术能够容易实现任意形状、大深宽比、大倾角倾斜光栅模具结构的制造。在本专利技术的一些实施方式中，步骤1中打印电铸模板中在进行打印电铸掩模之前，对镍基底进行预处理，预处理的方法为：对镍基底进行磨光、抛光处理。去掉表面的各种宏观缺陷、腐蚀痕、划痕、毛刺、砂眼、气泡、氧化皮及锈等,降低表面粗糙度，提高金属的耐蚀性，提高金属基底表面的平整度和光洁度。在本专利技术的一些实施方式中，打印电铸掩模的厚度为1μm。为节约成本，同时不大于电铸过程中的初始加工间隙，打印电铸掩膜厚度不宜过大，考虑到双光子聚合微纳3D打印的精度为纳米级，因此掩膜厚度定为1μm。在本专利技术的一些实施方式中，对在镍基底打印的电铸掩模使用UV灯照射进行固化处理。在本专利技术的一些实施方式中，步骤1中双光子聚合微纳3D打印使用的打印材料为UV固化光刻胶、水凝胶、纳米复合树脂材料等。在本专利技术的一些实施方式中，步骤2中纳秒脉冲微细电铸的脉冲宽度为8-12ns，占空比为1:8-12。选择高频、窄脉宽、大占空比脉冲进行电铸是因为脉宽Ton的大小就是双电层的充电时间的长短，脉宽窄，则充电时间短，电流密度小的区域来不及充电或者没有完全充电就立即进入放电阶段，即脉间Toff阶段。从而电流密度小的区域电化学反应弱或者根本没有进行电化学反应，电化学影响区较小，晶粒成长被限定在相对较小的区域内，定域性极大提高。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种AR衍射光波导压印模具的制备方法，其特征在于：具体步骤为：/n1、打印电铸模板：采用双光子聚合微纳3D打印机在镍基底上打印电铸掩模；/n2、电铸倾斜光栅金属模具：利用纳秒脉冲微细电铸，对步骤1得到的带有掩模的镍基板进行电铸，得到倾斜光栅金属镍模具；/n3、制备压印复合软模具：以步骤2制造的倾斜光栅金属镍模具作为母模，在母模上涂布图形层聚合物PDMS，将PET贴覆到PDMS上，对模具进行压印，采用揭开式脱模除去PET层，得到一次复制的软模具，重复涂覆PDMS、贴覆PET、压印、揭开式脱模的步骤，保留最外层的PET层得到复合软模具。/n

【技术特征摘要】
1.一种AR衍射光波导压印模具的制备方法，其特征在于：具体步骤为：
1、打印电铸模板：采用双光子聚合微纳3D打印机在镍基底上打印电铸掩模；
2、电铸倾斜光栅金属模具：利用纳秒脉冲微细电铸，对步骤1得到的带有掩模的镍基板进行电铸，得到倾斜光栅金属镍模具；
3、制备压印复合软模具：以步骤2制造的倾斜光栅金属镍模具作为母模，在母模上涂布图形层聚合物PDMS，将PET贴覆到PDMS上，对模具进行压印，采用揭开式脱模除去PET层，得到一次复制的软模具，重复涂覆PDMS、贴覆PET、压印、揭开式脱模的步骤，保留最外层的PET层得到复合软模具。


2.如权利要求1所述的AR衍射光波导压印模具的制备方法，其特征在于：步骤1中打印电铸模板中在进行打印电铸掩模之前，对镍基底进行预处理，预处理的方法为：对镍基底进行磨光、抛光处理；
或，打印电铸掩模的厚度为1μm；
或，对打印电铸掩模后的镍基底进行固化处理；
或，步骤1中双光子聚合微纳3D打印使用的打印材料为UV固化光刻胶、水凝胶、纳米复合树脂材料。


3.如权利要求1所述的AR衍射光波导压印模具的制备方法，其特征在于：步骤2中纳秒脉冲微细电铸的脉冲宽度为8-12ns，占空比为1:8-12。


4.如权利要求1所述的AR衍射光波导压印模具的制备方法，其特征在于：步骤3中电铸液为氨基磺酸镍、阳极活化剂、缓冲剂、防针孔剂的混合物；
优选的，阳极活化剂为氯化镍；优选的，缓冲剂为硼酸；优选的，防针孔剂为十二烷基硫酸钠；优选的电铸液中氨基磺酸镍的浓度为300～450g/L；优选的，电铸液中阳极活化剂的浓度为10～15g/L；优选的，电铸液中缓冲剂的浓度为30～35g/L；优选的，电铸液中防针孔剂的浓度为0.1～0.15g/L。


5.如权利要求1所述的AR衍射光波导压印模具的制备方法，其特征在于：电铸沉积层的厚度为0.5-1.5cm；优选为1cm；
或，电铸过程中电铸液的温度50～55℃；
或，电铸过程中电铸液的pH...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏飞，张厚超，兰红波，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37