【摘 要】
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微透镜阵列作为一种重要的微光学元件,被广泛应用于显示、成像、传输、测绘等多个方面。微透镜阵列的制造技术成为国内外研究者们关注的热点。目前,已经有许多行之有效的微透镜阵列制造技术被提出,不同制造技术适用于不同的材料以及应用场景。本文基于聚氯乙烯（Polyvinyl chloride,PVC）凝胶材料独特的电致形变特性和优异的光电性能,提出了一种基于电场诱导成型制备PVC凝胶微透镜阵列制造方法。在PV
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微透镜阵列作为一种重要的微光学元件,被广泛应用于显示、成像、传输、测绘等多个方面。微透镜阵列的制造技术成为国内外研究者们关注的热点。目前,已经有许多行之有效的微透镜阵列制造技术被提出,不同制造技术适用于不同的材料以及应用场景。本文基于聚氯乙烯（Polyvinyl chloride,PVC）凝胶材料独特的电致形变特性和优异的光电性能,提出了一种基于电场诱导成型制备PVC凝胶微透镜阵列制造方法。在PVC凝胶溶液中的溶剂挥发的过程中在环形图案化电极基板表面施加直流电压,在直流电场作用下,电负性的增塑剂分子向阳极迁移并在阳极表面聚集,待溶剂完全挥发后形成具有特定曲率的PVC凝胶微透镜阵列。本文主要开展了如下工作:1.通过溶液法制备PVC凝胶,选取PVC和增塑剂质量比为1∶9配比的PVC凝胶溶液制备PVC凝胶薄膜。对PVC凝胶及PVC凝胶溶液的性能进行表征,所使用的设备有紫外-可见分光光度计、阿贝折射仪、LCR测试仪和热重分析仪。通过紫外-可见分光光度计测量PVC凝胶薄膜在可见光范围内的透过率;通过阿贝折射仪测定PVC凝胶在常温（20℃）下的折射率;通过LCR测试仪可以获得PVC凝胶溶液及其各组分的介电常数;通过热重分析仪能够获得PVC凝胶的热失重情况。基于以上材料性能的表征数据,分析PVC凝胶材料用于制造微透镜阵列的可行性。2.提出了一种利用直流电场诱导PVC凝胶溶液在图案化电极基板表面形成具有特定曲率的PVC凝胶微透镜阵列制造方法。基于PVC凝胶溶液中的电负性增塑剂分子在直流电场作用下向阳极迁移的特性,设计了一种环形图案电极结构;采用光刻技术在氧化铟锡（Indium tin oxide,ITO）玻璃表面制作出环形图案电极结构;利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对环形图案电极表面的电场分布进行分析。通过显微红外光谱测定未加电场作用下PVC凝胶和在直流电场诱导下环形图案电极基板不同区域PVC凝胶的分布情况,验证实验方案的可行性。随后介绍了电场诱导成型PVC凝胶微透镜阵列的制备工艺流程,并对所制造的PVC凝胶微透镜阵列的性能进行测试。使用金相显微镜测试PVC凝胶微透镜阵列的表面形貌;使用白光干涉仪测试PVC凝胶微透镜的表面轮廓,根据轮廓高度与微透镜焦距的计算公式计算其焦距;搭建光学平台测试PVC凝胶微透镜阵列的聚焦能力;使用金相显微镜测试PVC凝胶微透镜阵列的成像质量。基于以上测试结果分析所提出PVC凝胶微透镜阵列制造工艺的可行性。3.深入研究电场诱导成型PVC凝胶微透镜阵列的制造工艺。通过固定环形图案电极结构和PVC凝胶溶液体积,调控PVC凝胶溶液的诱导电压,以调节PVC凝胶微透镜的表面轮廓和曲率半径;通过固定环形图案电极结构和诱导电压,调控PVC凝胶溶液体积以调节PVC凝胶微透镜的表面轮廓和曲率半径;通过设计环形图案电极内圆直径及内圆排布方式,制备不同孔径和不同填充率的PVC凝胶微透镜阵列。对所制备的PVC凝胶微透镜阵列的表面轮廓、成像质量、聚焦能力分别进行测试,得出制备PVC凝胶微透镜阵列的最佳工艺参数。通过以上研究,为基于电场诱导成型PVC凝胶微透镜阵列制造提供实验方法和理论支持。
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