一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，所述方法包括如下步骤：(1)合成含有光响应基团的水凝胶；(2)通过光掩膜控制水凝胶上方曝光区域，再进行光照使得曝光区域的水凝胶光响应基团发生交换重组；(3)根据需求照射特定时长后，具备微结构阵列的水凝胶母版即可制得；(4)将光学透明的有机树脂倒在水凝胶母版上，聚合后剥离，得到互补的微透镜阵列。该方法基于水凝胶母版能够复刻得到聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷等光学透明树脂，制备光学器件。本发明专利技术公开的方法简单易操作，成本低廉，能够快速地制造母版基底，复刻得到相应的透镜阵列。此外，该方法能够便捷地更改掩膜图案，实现丰富的阵列构建。实现丰富的阵列构建。实现丰富的阵列构建。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法


[0001]本专利技术涉及水凝胶材料的应用和光学透镜的制造领域，尤其涉及一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法。

技术介绍

[0002]微透镜阵列是由一系列特定形状的微小单元透镜按照一定规律排列而成的光学元件。相对于传统透镜阵列而言，微透镜阵列的设计空间大，单元透镜的尺寸、形状以及排列方式的变换都将导致不同的成像结果，可以灵活地进行调整以满足复杂的光学需求。目前，微透镜阵列具备极大的视角范围、低像差、低畸变等光学特性，已被应用于精密成像、光通讯以及美容医疗等领域。此外，该类器件单元尺寸小，集成度高，在微型光学器件的应用中具有良好的应用前景。
[0003]目前，微透镜阵列的成型方法分为直接成型方法和间接成型方法。直接成型方法无需模具，包括热回流法(如公开号为CN106501884A的中国专利公开的一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺)、压印法(如公开号为CN105676321A的中国专利公开的一种微透镜纳米孔混合阵列结构的制备方法)、微滴喷射法(如公开号为CN104777530A的中国专利公开的一种曲面复眼透镜的制作方法及装置)等。热回流法首先利用光刻技术产生图案化的高分子圆柱体，随后加热至材料的热转变温度以上，利用表面张力将圆柱体转化为半球形结构。然而实际过程中，表面接触角控制困难，因此单元结构的曲率精度难以保证。压印法利用模具对高分子进行压印成型，对于高分子的粘度和表面张力等参数需要实现精确的控制才能够保证微透镜的精度。微滴喷射法则是将光固化前驱液利用喷嘴喷射至基材表面，随后利用光固化成型可制备大面积的微透镜球形阵列，而该方法难以保证透镜单元尺寸的一致性。尽管直接成型方法简单、成本低，适合于工业大规模制造，但基于直接成型法难以控制微透镜阵列的精度。
[0004]与直接成型法不同，间接成型法是通过复刻特定的母体模板进行微透镜阵列的制造。该类方法的核心在于制造精密的互补母体模板以保证透镜结构的精确度。目前的母体模板制造通常采用光刻技术、激光直写技术、超精密加工技术等。通过间接成型制得的微透镜阵列通常具备较高的良好的光滑度、均匀性、可重复性，精度得以保证。然而，基底模具的制造通常需要昂贵的设备以及复杂的操作，成本高，操作壁垒大。
[0005]因此，一种低成本、便捷的母体模板快速制造技术亟待开发，由此复刻得到的微镜头阵列制造成本低，操作便捷，精度高。该类方法将在微阵列镜头的制造中将具备良好的发展潜力。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法；本专利技术采用的方法利用光掩膜法在水凝胶表面快速制备微阵列母版，随后复刻光学透明的树脂得到相应的微镜头阵列；该方法操作简单，成本低，且单元结构设计灵活，可以快速制备定
制化的微透镜阵列。
[0007]一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，所述方法包括如下步骤：
[0008](1)合成含有光响应基团的水凝胶；
[0009](2)通过光掩膜控制水凝胶上方曝光区域，再进行光照使得曝光区域的水凝胶光响应基团发生交换重组；
[0010](3)根据需求照射特定时长后，具备微结构阵列的水凝胶母版即可制得；
[0011](4)将光学透明的树脂倒在水凝胶母版上，聚合后剥离，得到互补的微透镜阵列。
[0012]本专利技术制备得到的微透镜阵列中透镜单元结构尺寸从1μm到1000μm不等。
[0013]本专利技术提供的基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法的关键步骤在于水凝胶模板的构建。其中原理如下：通过光掩膜向水凝胶表面进行区域化曝光，曝光区域的光响应基团发生异构或者交换重组，区域的交联密度下降。宏观上，水凝胶的光照区域溶胀程度增加，呈现出与光掩膜板一致的微阵列结构。本专利技术制备的水凝胶母版可以通过光掩膜的图案设计进行灵活的制备，操作简单且设计空间大。由于大多数有机树脂与水不互溶，不存在溶胀等问题，因此有机树脂的复刻工艺可以在水凝胶母版上良好地进行，阵列图案能够保持较高的保真度。由此方法制备的微阵列镜头具备较高的精度，阵列单元图案和周期均可以便捷地进行调整。
[0014]水凝胶的主体选自任意常规化学合成类水凝胶或者天然大分子类水凝胶的体系，可采用现有单体及方法合成含所述的光响应基团的水凝胶。
[0015]作为优选，所述的化学合成类水凝胶为聚酰胺类水凝胶或聚丙烯酸酯类水凝胶；所述的天然大分子类水凝胶为多糖类水凝胶或蛋白质类水凝胶。
[0016]作为优选，步骤(1)中所述的光响应的水凝胶中，可采用的光响应基团包括：
[0017](1)光致异构基团(偶氮苯、螺吡喃类)。该类基团光照条件下会发生分子构型变化，从而产生光响应性。若水凝胶体系采用该类基团为交联点位，在光照下该类基团发生异构，区域交联密度下降，水凝胶则产生相应的微结构凸起。
[0018](2)光致解离基团(邻硝基苄基、香豆素等)。该类基团在光诱导下可发生解离，导致区域的亲疏水性发生改变，可构建具备微结构的水凝胶突起。
[0019](3)光致可逆交换键(二/多硫键、酰腙键、苯硼酸键和金属配位键/环糊精主客体作用键)等。该类可逆交换键在光刺激下可发生交换重组，释放网络的内应力，导致区域交联密度下降，实现突起。为实现光响应交换，光致催化剂(可在光照条件下催化可逆交换键进行可逆键交换)需要被引入至水凝胶网络中，光致催化剂含量占水凝胶干重的0.1
‑
2％。
[0020]进一步优选，当光致可逆交换键为双/多硫键，光致催化剂为光致自由基引发剂，如2
‑
羟基
‑
4'
‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮、α
‑
酮戊二酸、苯基(2,4,6
‑
三甲基苯甲酰基)磷酸锂盐的任意一种。
[0021]或所述光致可逆交换键为酰腙键，所述光致催化剂为光致产碱剂；
[0022]或所述光致可逆交换键为苯硼酸键，所述光致催化剂为光致产酸剂；
[0023]或所述光致可逆交换键为金属配位键/环糊精主客体作用键，光致催化剂用量为金纳米颗粒、氧化石墨烯、多巴胺等光热粒子。
[0024]在步骤(2)中，光掩膜为物理光掩膜版和数字光掩膜中的任意一种。
[0025]作为优选，采用的光源波段需要根据步骤(1)选用的光响应基团进行选择。
[0026]当光响应基团为光致异构基团(偶氮苯、螺吡喃类)，采用的光源波段为200
‑
365nm。
[0027]或光响应基团为光致解离基团/可逆交换键，采用的光源波段为200
‑
470nm。
[0028]在步骤(3)中，光照时间为0.5min
‑
24h。水凝胶区域的交联密度下降程度与光照时长密切相关。通过调节光照时长，水凝胶的微阵列结构的长径比得以控制。因此，光照时间的优选需要根据目标需求进行。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)合成含有光响应基团的水凝胶；(2)通过光掩膜控制水凝胶上方曝光区域，再进行光照使得曝光区域的水凝胶光响应基团发生交换重组；(3)根据需求照射特定时长后，具备微结构阵列的水凝胶母版即可制得；(4)将光学透明的有机树脂倒在水凝胶母版上，聚合后剥离，得到互补的微透镜阵列。2.根据权利要求1所述的基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，其特征在于，所述水凝胶包括化学合成类水凝胶和/或天然大分子类水凝胶；所述的化学合成类水凝胶为聚酰胺类水凝胶或聚丙烯酸酯类水凝胶；所述的天然大分子类水凝胶为多糖类水凝胶或蛋白质类水凝胶。3.根据权利要求1所述的基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，其特征在于，所述的光响应基团为光致异构基团、光致解离基团或光致可逆交换键中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，其特征在于，当光响应基团为光致可逆交换键时，水凝胶中还含有光致催化剂，光致催化剂的含量占水凝胶干重的0.1
‑
2％。5.根据权利要求4所述的基于水凝胶微结构模板制备微透镜阵列的方法，其特征在于，所述光致可逆交换键为双/多硫键，所述光致催化剂为光致自由基引发剂；或...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈狄，倪楚君，赵骞，谢涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：