[發明專利]環形微褶皺光學鏡片及其制備方法

有效

• 申請號: 201210209021.5
• 申請日: 2012-06-21
• 公開（公告）號: CN102789005A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 楊天;陳冷;易會;李冉
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G02B1/10
• 分類號: G02B1/10
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明屬于光學和微加工領域，特別是涉及一種環形微褶皺光學鏡片及其制備方法。

背景技術

在軟-硬雙層薄膜中，如在軟膜部分引入收縮應力，因硬膜部分難于收縮，則軟-硬雙層薄膜結構會發生失穩屈曲，形成類正弦型微褶皺結構。近年來，研究者們主要使用PDMS（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）作為基體。這種材料具有在可見光下透明、常溫下呈現高彈性橡膠狀、通常情況下化學性能穩定、無毒、制作簡單、成本較低等特點，從而在微電子器件結構和封裝領域獲得了廣泛應用。通常，在PDMS基體上制作薄膜，并產生大規模微結構的方法有兩種。一種是在基體上濺射金、鋁等薄膜，利用薄膜和基體熱膨脹系數、彈性模量的不匹配來產生薄膜屈曲，從而生成微褶皺。第二種方法是利用PDMS與氧等離子體反應或在紫外光照射下，表面化學鍵斷裂，生成硬度遠高于原PDMS的硬化層。在熱應力或其他壓縮應力作用下，該硬化層發生屈曲，生成微褶皺。褶皺的周期及高度可以通過理論公式確定，其中λ為環形微褶皺的周期，H為軟材料薄膜的厚度，h為硬材料薄膜的厚度，E_s為軟材料薄膜的楊氏模量，E為硬材料薄膜的楊氏模量，v_s為軟材料薄膜的泊松比。（Z.Y.Huang,W.?Hong?and?Z.Suo,J.of?Mech.and?Phys.of?Solids,2005,53,2101-2118）

這樣的微褶皺結構可以起到類似傳統光學元件的一些作用，如一維褶皺就可以被當作光學光柵（Sk.Faruque?Ahmed,Geon-Ho?Rho,Kwang-Ryeol?Lee,Ashkan?Vaziri?and?Myoung-Woon?Moon,Soft?Matter,2010,6,5709-5714）。由于本發明的環形微褶皺光學鏡片的光學性能與角錐透鏡類似，故在此介紹一下角錐透鏡。角錐透鏡也稱作旋轉對稱透鏡，是一種擁有一個圓錐面和一個平面的透鏡。角錐透鏡有如下兩個特點：一是它將入射平行光匯聚為貝塞爾光束。這是一種具有很長聚焦深度的光束，或者說此光束的發散很慢從而能夠在很長距離內保持較細的光腰；同時貝塞爾光束具有重構能力，即在遇到障礙物時在障礙物后將重新恢復光束的形狀。二是它將入射平行光變換為一個環形光束。角錐透鏡的光路示意圖如圖1a所示，其中靠近圓錐表面的匯聚區是貝塞爾光束；其后當光束進一步發散后形成一個環狀光束，參見圖1b。角錐透鏡被應用于激光打孔、望遠鏡、角膜手術、光鑷等領域。

現有技術中，包括角錐透鏡在內的各種光學鏡片普遍采用玻璃材料，以致具有如下缺點：鏡片加工成本高、難以制作較大面積的鏡片，大面積鏡片具有較大的重量從而難以攜帶。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種環形微褶皺光學鏡片及其制備方法，用于解決現有技術中衍射光學元件加工成本高、難以制作較大面積的鏡片，大面積鏡片具有較大的重量從而難以攜帶等問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種環形微褶皺光學鏡片的制備方法，所述制備方法至少包括：1）提供一表面具有預設形狀和預設尺寸的孔洞的基底及一軟材料薄膜，將所述軟材料薄膜固定于所述基底的表面，并使所述軟材料薄膜覆蓋所述孔洞；2）從所述孔洞的預設位置提拉或頂推所述軟材料薄膜至一預設高度形成錐狀結構；3）于所述錐狀結構表面沉積硬材料薄膜，或使錐狀結構的表面硬化形成硬材料薄膜，然后去除對所述錐狀結構的提拉或頂推，使所述軟材料薄膜表面及所述硬材料薄膜形成具有預設周期的環形微褶皺，以完成所述環形微褶皺光學鏡片的制備。

在本發明的環形微褶皺光學鏡片的制備方法中，所述孔洞為孔徑為0.1~200cm的圓孔。

進一步地，所述步驟2）中，從所述圓孔中心提拉所述軟材料薄膜至一預設高度形成圓錐結構，其中，所述預設高度與所述圓孔孔徑的比值為0.1~2∶1。

在本發明的環形微褶皺光學鏡片的制備方法中，所述預設周期由公式：確定，其中λ為環形微褶皺的周期，H為軟材料薄膜的厚度，h為硬材料薄膜的厚度，E_s為軟材料薄膜的楊氏模量，E為硬材料薄膜的楊氏模量，v_s為軟材料薄膜的泊松比。

在本發明的環形微褶皺光學鏡片的制備方法中，所述預設周期為0.2~30μm。

作為本發明的環形微褶皺光學鏡片的制備方法的一個優選方案，所述軟材料薄膜為聚二甲基硅氧烷薄膜，所述硬材料薄膜為金薄膜。

本發明還提供一種環形微褶皺光學鏡片，至少包括：

軟材料薄膜，其表面具有預設周期的環形微褶皺；