一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造方法、其产品及其应用技术

本发明专利技术提供了一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造方法、产品及其应用。该方法不仅实现了超高分辨率的嵌入式微透镜阵列制造，而且通过在微透镜阵列难以消除的间隙中填充透明电极，利用透明电极通电后产生的焦耳热可实现自动除雾的功能，微透镜阵列材料采用液体材料且被封装在微孔阵列中，通过透明电极的通电加热可改变液滴接触角，实现微透镜阵列变焦。焦。焦。

【技术实现步骤摘要】
一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制造方法、其产品及其应用


[0001]本专利技术属于光学制造领域，具体涉及一种可自动除雾微透镜阵列的制备方法、产品及其应用。

技术介绍

[0002]微透镜阵列是由直径在10μm到1mm之间的微透镜按照一定的排列组合而形成的阵列，在显示器、内窥镜、全景相机、微传感器、光通信等领域具有广阔的应用前景。目前，随着制造技术的飞速发展，已经出现了多种微透镜阵列的制造技术，代表性的主要有微喷打印法、光刻热熔法、电润湿法、飞秒激光直写法、飞秒激光酸刻蚀法、自组装法、模塑法、热压成型法及机械加工法等，甚至在微透镜阵列性能(如数值孔径，F数，表面粗糙度及填充率等)与类型(平面微透镜阵列、曲面微透镜阵列、凹/凸微透镜阵列及梯度折射率微透镜阵列等) 方面表现出了较好的调控能力。尽管微透镜阵列制造技术取得了较大的进展，但微透镜阵列的实际应用仍然面临诸多问题，例如，当微透镜阵列应用于内窥镜的大视场成像微型镜头时，内窥镜的表面在手术探查以及常规检查时容易因为镜头表面容易粘连体液等液体，从而造成镜头模糊，无法成像，大大影响了检查结果。当曲面微透镜阵列仿生复眼应用于全景相机成像时，在镜头突遇温度变化时容易造成镜头表面形成一层雾或冰，造成镜头无法成像，严重影响了全景相机的准确成像，特别是在军事设备上容易造成重大影响。因此，微透镜阵列的防雾、防冰能力是微透镜阵列实际应用中所必须具备的。虽然受自然界的启发制得的具有超润湿性的防雾结构材料具有优异的防雾性能，但其制备方法仍较为昂贵或复杂，高透光率的防雾材料的制备仍然极具挑战。因此，仍需专利技术新型的微透镜阵列结构及制造方法，使其具有自除雾功能。另外，在医学内窥镜及全景成像应用中，微透镜阵列的灵活自动变焦能力亦尤为重要，液体微透镜阵列作为重要的可变焦微透镜阵列，得到了世界各国学者的广泛研究，例如，基于热效应的液体微透镜阵列可实现微透镜阵列的可控变焦，但存在制造工艺复杂，热响应速度慢等问题；基于水凝胶在温度变化后产生的膨胀和收缩可实现微透镜阵列的变焦，但水凝胶微流道的存在使其集成度变差；基于电润湿原理可实现液体变焦透镜制造，但电润湿存在高压驱动的缺陷；基于低电压驱动填充有液体的纳米压印微孔结构，可实现液体微透镜阵列焦距的快速反转变焦，但需要纳米压印制造微孔模具。因此，仍然需要开发一种工艺过程简单且响应速度快的液体变焦微透镜阵列制造新方法。
[0003]综上所述，尽管随着现有制造技术的发展，微透镜阵列的几何及光学性能得到了大幅提高。然而，针对微透镜阵列在极端条应用过程中容易出现起雾、结霜甚至结冰以及难以实现快速变焦等问题，迫切需要开发一种新的微透镜阵列结构及加工工艺实现自动除雾及变焦微透镜阵列的低成本、批量化生产。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的一些问题，本专利技术提供了一种嵌入式自除雾微透镜阵列的
制造方法。该方法不仅实现了超高分辨率的嵌入式微透镜阵列制造，而且通过在微透镜阵列难以消除的间隙中填充透明电极，利用透明电极通电后产生的焦耳热可实现自动除雾的功能。微透镜阵列材料采用液体材料且被封装在微孔阵列中，通过透明电极的通电加热可改变液滴接触角，实现微透镜阵列变焦。本专利技术具有工艺步骤简单，制造成本低，微透镜除雾及变焦性能优异等优点，为大面积、高性能嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的低成本和规模化制造提供了一种新的解决方案。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)制备打印基底：将硬质基底预处理后，涂覆一层薄厚均匀的PDMS 液体，加热固化后将其作为打印基底取出备用，固化温度为40-120℃，固化时间为0.5-2小时；
[0008](2)打印微透镜阵列：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以有机溶剂或掺杂有纳米粒子的溶液作为打印材料，在打印基底上直接打印出液体微透镜阵列；
[0009](3)封装微透镜阵列：将PDMS液体倒在液体微透镜阵列上，静置一段时间待PDMS液体自然流平，形成嵌入式微透镜阵列；
[0010](4)打印透明电极：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以高固含量的导电浆料作为打印浆料，将其打印在液态PDMS基底中的液体微透镜阵列各单元透镜的空隙处，利用PDMS液体对导线的浸润包裹作用，实现超高分辨率的金属网格的嵌入式打印；
[0011](5)后处理：对步骤(4)打印出产品进行烧结后处理，烧结温度为 60-140℃，烧结时间为1-2h，PDMS交联固化的同时完成导电浆料的烧结，提高导电性能，并将制造的微透镜阵列从打印基底揭下，形成微透镜阵列与金属网格均嵌入在柔性PDMS中的柔性嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列。
[0012]进一步地，所述步骤(1)中硬质基底材料为玻璃、硅片或亚克力板。
[0013]进一步地，所述步骤(1)中PDMS涂覆厚度为50-80μm。
[0014]进一步地，所述步骤(1)中的预处理为：将打印基底用异丙醇超声处理后，再用去离子水超声清洗一段时间去除残余的异丙醇溶液，最后用氮气或其他惰性气体吹干；将PDMS弹性体和其对应的固化剂以一定比例搅拌混合均匀后去气泡处理，然后涂覆在硬质基底上。
[0015]进一步地，所述步骤(1)中的涂覆为刮涂、旋涂或辊轮涂布；所述去气泡处理为抽真空或离心处理；所述步骤(2)中制备的微透镜阵列的间距、透镜直径能够通过工艺参数来改变；工艺参数包括电压、喷嘴距离衬底高度、占空比、频率、工作台移动速度、背压。
[0016]进一步地，所述工艺参数为：电压100-3000V，喷嘴距离衬底高度50-500μm，工作台移动速度10-500mm/s。
[0017]进一步地，所述步骤(2)中打印材料为丙三醇水溶液或掺杂有折射率约1.55 的SiO2纳米粒子、折射率约2.71的TiO2纳米粒子以及折射率约2.68的Fe2O3纳米粒子中的一种或多种的丙三醇溶液，并通过基础实验验证折射率与透光率大小，与所设计要求一致后，确定该两种物质的配比。
[0018]进一步地，所述步骤(3)中使用的PDMS液体制备过程为：将PDMS弹性体和其对应的固化剂以一定的比例搅拌混合均匀，然后抽真空或离心处理以去除气泡，将PDMS液体直接浇筑在制备好的液体微透镜阵列上，静置1-5min液体流平。
[0019]进一步地，所述步骤(4)中导电浆料包括纳米银导电浆料、纳米铜导电浆料、纳米银线导电浆料，粘度范围为1000-80000cps。
[0020]本专利技术还提供所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法制备得到的产品。
[0021]本专利技术还提供所述产品在内窥镜、显示屏、摄像机中的应用。
[0022]本专利技术中，液态PDMS受热发生交联固化反应，导电浆料中的有机溶剂得以挥发，提高导电性能；当采用丙三醇水溶液作为打印材料时，溶剂水得以挥发，液体微透镜阵列变为丙三醇微透镜阵列，固化的PDMS从衬底揭下并通电后，透明电极产生的焦耳热便能够实现除雾的作用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)制备打印基底：将硬质基底预处理后，涂覆一层薄厚均匀的PDMS液体，加热固化后将其作为打印基底取出备用，固化温度为40-120℃，固化时间为0.5-2小时；(2)打印微透镜阵列：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以有机溶剂或掺杂有纳米粒子的溶液作为打印材料，在打印基底上直接打印出液体微透镜阵列；(3)封装微透镜阵列：将PDMS液体倒在液体微透镜阵列上，静置一段时间待PDMS液体自然流平，形成嵌入式微透镜阵列；(4)打印透明电极：使用电场驱动喷射沉积微纳3D打印技术，以高固含量的导电浆料作为打印浆料，将其打印在液态PDMS基底中的液体微透镜阵列各单元透镜的空隙处，利用PDMS液体对导线的浸润包裹作用，实现超高分辨率的金属网格的嵌入式打印；(5)后处理：对步骤(4)打印出产品进行烧结后处理，烧结温度为60-140℃，烧结时间为1-2h，PDMS交联固化的同时完成导电浆料的烧结，提高导电性能，并将制造的微透镜阵列从打印基底揭下，形成微透镜阵列与金属网格均嵌入在柔性PDMS中的柔性嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列。2.根据权利要求1所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中硬质基底材料为玻璃、硅片或亚克力板。3.根据权利要求1所述的一种嵌入式自除雾及变焦微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的预处理为：将打印基底用异丙醇超声处理后，再用去离子水超声清洗一段时间去除残余的异丙醇溶液，最后用氮气或其他惰性气体吹干；将PDMS弹性体和其对应的固化剂以一定比例搅拌混合均匀后去气泡处理，然后涂覆在硬质基底上。4.根据权利要求3所述的一种嵌入...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓阳，李政豪，兰红波，李红珂，孙銮法，杨建军，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：