● 摘要
电子学缩小了这个世界，而通讯系统正利用光纤并行传输越来越多的 数据，信息传输越来越快，使世界继续变得越来越小。这些应用中要求使用的光 学元件的尺寸越来越小，形成微光学元件。微光学元件可分为折射元件和衍射元 件两大类，两类光学元件的生产技术不同。早在2O世纪80年代，长距离通信工 业是最先使用微光学元件的产业之一。现在半导体激光器、微光学元件和光纤构 成集成光学组件，正成为支持高效光学网络的基础。微光学元件可用塑料、玻璃、 硅或半导体材料制作。 微透镜阵列是主要的微光学元件之一，玻璃透镜阵列相对于用其他材料制备 的透镜阵列来说，已经研究相当长时间，也发展得比较成熟，但其成本昂贵，加 工工艺复杂，其广泛应用受到一定限制。最近用轻量级光学材料制备微光学元件 的生产技术成为人们感兴趣的研究课题，特别是光学梯度聚合物，由于他们的机 械性质和热学性质的可控制性和他们的使用能简化生产过程、降低生产成本、具 有高性能，从而特别引人注意。主要的制备方法有熔融光刻胶、灰度掩膜、热压 模成形法、溶胶一凝胶法和光诱导交联聚合等。在这些方法中，光刻胶回流法以制 作工艺简单、参数可控制等优点而被广泛应用于科学研究中，但因为普通光刻胶 本身的理化特性不适于作最终的微透镜或其他结构材料，而只能用于定义图形或 掩膜等功能，致使其并不适合用于实际应用中；对灰度掩膜法而言，因其在掩膜 图形制作方面比较复杂而不适于大批量生产；对热压模法而言，在透镜生成过程 中要进行脱模，必然导致透镜的表面粗糙度增加、透镜质量下降。 除了这些方法，还有一种制备折射微透镜阵列的方法一微喷打印法，它是由喷 墨打印原理发展而来的，这种方法主要用在喷墨打印机上。用喷墨打印技术生产 的微光学件目前已经形成商业化产品。在其他国家，有利用这种技术制备出微透 镜阵列产品的报道，但目前在国内尚未见有利用这种技术制备微透镜阵列的报道。 本论文对微透镜的理论和制作工艺进行了较系统的研究，以微喷打印方法为基础， 把填补国内空白作为研究的指导思想，根据现有设备条件等实际情况，将点胶机 改装成微喷装置，整个制备过程由计算机控制，形成一个按需滴定微喷系统。在 研究中选择PMMA为原料，成功地实现了阵列微透镜的制作，并探索出一套批量生 产的工艺，并对制作的微透镜性能进行测试评价，为将来的批量生产提供了参数依 据。 本论文主要包括四部分内容： 第一章扼要地阐述微透镜阵列的发展状况及其在军事、工业领域的应用。由 于它的广泛应用和市场需求，对制备方法的研究成为人们最为关注的研究内容。 为此在本章我又简单地介绍了几种制备技术并分析了其优缺点。第二章分为两部 分，第一部分主要阐述液体表面张力理论及溶液的表面张力与溶液浓度的关系， 它是微透镜形成的物理基础；第二部分介绍透镜成像的波象差理论，它是微透镜 质量评价的重要依据。第三章主要描述平凸折射微透镜阵列的性质和制备微透镜 阵列的工艺，并详细地讨论了改善微透镜形状的方法及微透镜的形成机理。第四 章对微透镜阵列的均匀性、波象差及透镜表面粗糙度等指标作出检测，详细地论 述了对上述参数的测试方法及测试结果。我们分别用原子力显微镜检测了这些微 透镜的面形质量；用CCD成像的方法测试了微透镜阵列的均匀性；用麦克尔逊干 涉仪对波象差进行了测量。测量结果表明，制备的微透镜阵列具有很好的尺寸一 致性（其焦距均匀性偏差小于2.1％），但制作的微透镜阵列有一定的非球面形状， 这是由单体在聚合过程中体积收缩引起的。