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非接触式热压印微透镜阵列的研究

作　者: 王迎春
导　师: 张鸿海
学　校: 华中科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 微透镜阵列热压印非接触式通孔式
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来随着微光学的发展,微光学器件在许多的领域和应用中扮演着越来越重要的角色,微透镜阵列作为重要的微光学元件其中功不可没。其所应用的领域包括光学传感,光通信,光互连,光纤耦合等方面。目前制作微透镜阵列的方法有很多,其中热压印成型技术因其工艺参数易控制,且可大批量重复生产,成为各国学者竞相研究的课题,但其对模板精度要求极高,脱模困难,模具不易清洗,模板制作工艺复杂,成本高。为了降低热压印成型技术对模具的要求,本文提出了非接触式热压印工艺制作微透镜阵列,采用了自主研制的热压印样机与光刻工艺制作的通孔式不锈钢模具在PMMA表面压印出微透镜阵列。并采用了通孔式模具使制作工艺不需要真空环境。本研究利用通孔式模具,以热压成型方式,制作具有球面的微结构。建立了平凸式微透镜结构的数学模型,分析了非接触式热压印微透镜结构的原理,并建立了微透镜的高度、曲率半径、接触角与压印压力等参数的关系,运用Ansys对热压印过程中聚合物材料的变形进行了有限元分析。实验设备采用自制的压印样机,设计了一种新型楔形补偿模块来保证模具与样品的平行度。模具采用光刻工艺制作的不锈钢通孔式模板。热压材料采用PMMA,因为其透光率好、价格便宜、材质使用于热压方式制作微透镜阵列。以不同的热压温度、热压压力及热压时间制作微透镜,探讨这些参数对微透镜成型的影响。采用光学显微镜测量微透镜结构的高度,观测微透镜的焦距,计算出透镜的曲率半径和光圈数。本文以通孔式模具制作的微透镜的光圈数(f/#)为1.31,制程简易。采用非接触式热压印技术,微圆柱结构须达到一定的高度才能形成球形表面。在冷却时,因是垂直结构,而PMMA热膨胀系数远大于不锈钢模具,所以PMMA会收缩往模具挤压,造成PMMA与磨具之间的锁模力增加,因而造成脱模失败的情形。本研究将PMMA黏在PCB板上,PCB板的热膨胀系数与不朽刚模具相当,用黏合的方式使PMMA的收缩量和PCB板一样,控制PMMA的整体收缩,借此帮助脱模。

非接触式热压印微透镜阵列的研究

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