CN115826106B - 一种抗反射微透镜阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于玻璃热压技术领域，尤其涉及一种抗反射微透镜阵列的制备方法。抗反射微透镜阵列的制备方法包括如下步骤：准备玻璃、第一模具、第二模具以及具有加热室的加热装置；制备抗反射层，将玻璃于加热室内加热至第一温度；使用第一模具于玻璃的表面热压印出抗反射微纳结构，以形成抗反射层，并冷却玻璃；制备微透镜阵列层，将玻璃于加热室内加热至第二温度，使用第二模具于玻璃的表面热压印出微透镜结构，以形成微透镜阵列层，抗反射微纳结构的尺寸小于微透镜结构的尺寸；脱模，取出加工好的玻璃。本申请可以实现光学玻璃的加工，加工过程简单，且具有成形精度高、分辨率高、一致性高等特点。

Description

一种抗反射微透镜阵列的制备方法

技术领域

本发明属于玻璃热压技术领域，尤其涉及一种抗反射微透镜阵列的制备方法。

背景技术

目前，微透镜阵列是由一系列孔径在微米、亚毫米尺度的透镜单元按照一定的周期规律排列而成的光学器件，可实现成像、均光、聚焦、扩散、准直、传感等功能，在液晶显示屏、太阳能电池、激光分束器、光纤、显微成像传感器、立体成像等领域中扮演着重要的角色。由于其结构特征与昆虫复眼相似，又称为复眼透镜。单个透镜单元的分辨率一般都很低，无法高效成像。当成千上万个子单元组合在一起后，微透镜阵列就会产生单眼透镜无法实现的独特功能，如超大视场范围、成像各处分辨率均匀、时间分辨率高等。因此，利用微透镜阵列光学器件可以快速有效地定位和识别移动目标物体，并对目标的外形和轮廓进行三维重组，从而解决现有传统单眼透镜存在的问题。然而，微透镜阵列光学器件的表面光反射效应导致部分入射光在表面被反射，从而影响了器件的光能传播效率和光学成像质量。

为了实现微纳阵列结构的大面积和大批量制造，企业界和科研界的学者们提出了不同的先进制造技术，主要有电子束光刻、胶体光刻、激光表面干涉光刻、纳米球光刻、紫外压印和热压印等。不同的工艺方法各有优劣势，比如：光刻技术虽然可以获得很高的结构精度，但是加工周期长、不能大面积连续加工、设备昂贵且维护费高，很难满足批量化、大面积制备需求。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种抗反射微透镜阵列的制备方法，旨在解决如何加工光学玻璃的问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

提供一种抗反射微透镜阵列的制备方法，用于加工玻璃，所述抗反射微透镜阵列的制备方法包括如下步骤：

准备玻璃、第一模具、第二模具以及具有加热室的加热装置；

制备抗反射层，将所述玻璃于所述加热室内加热至第一温度；使用第一模具于所述玻璃的表面热压印出抗反射微纳结构，以形成所述抗反射层，并冷却所述玻璃；

制备微透镜阵列层，将所述玻璃于所述加热室内加热至第二温度，使用第二模具于所述玻璃的表面热压印出微透镜结构，以形成所述微透镜阵列层，所述抗反射微纳结构与所述微透镜结构位于所述玻璃的同一表面，且所述抗反射微纳结构的尺寸小于所述微透镜结构的尺寸，且所述微透镜结构上布置有所述抗反射微纳结构；

脱模，取出加工好的所述玻璃。

在一些实施例中，所述第一温度大于所述第二温度。

在一些实施例中，所述第一模具包括第一模压头以及供所述玻璃放置的微纳模板，所述微纳模板上开设有抗反射微纳结构；所述制备抗反射层步骤中，所述第一模压头朝所述微纳模板压紧所述玻璃，以使所述玻璃复制所述抗反射微纳结构。

在一些实施例中，所述制备抗反射层包括如下步骤：

S21：将所述加热室抽真空，向所述加热室充入氮气并再次抽真空，再向所述加热室充入惰性气体；

S22：将所述第一模具定位于所述加热室并将所述玻璃放入所述第一模具内，加热所述玻璃至所述第一温度；

S23：所述第一模具朝所述玻璃施加第一压力，以在所述玻璃上热压加工出所述抗反射微纳结构；

S24：将所述第一模具保压预定时间，并冷却所述玻璃。

在一些实施例中，所述微纳结构包括多个间隔设置的抗反射凸起。

在一些实施例中，所述抗反射凸起的横截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

在一些实施例中，所述第二模具包括第二模压头以及供所述玻璃放置的阵列模板，所述阵列模板开设有多个成形孔，各所述成形孔间隔布置于所述阵列模板；所述制备微透镜阵列层中，所述第二模压头朝所述阵列模板压紧所述玻璃，以使所述玻璃部分进入所述成形孔，以形成所述微透镜结构。

在一些实施例中，所述制备微透镜阵列层包括如下步骤：

S31：将所述加热室抽真空，向所述加热室充入氮气并再次抽真空，再向所述加热室充入惰性气体；

S32：将所述第二模具定位于所述加热室并将热压印有所述抗反射层的所述玻璃放入所述第二模具内，加热所述玻璃至所述第二温度；

S33：所述第二模具朝所述玻璃施加第二压力，以在所述玻璃上加工出所述微透镜结构；

S34：将所述第二模具保压预定时间，并冷却所述玻璃。

在一些实施例中，所述第一温度的温度范围为580～610℃，所述第二温度的范围为温度530～550℃。

本申请的有益效果在于：通过先在光学玻璃的表面加工抗反射层，再于光学玻璃上加工微透镜阵列层，抗反射层和微透镜阵列层位于光学玻璃的同一侧表面，从而实现光学玻璃的加工，加工过程简单，且具有成形精度高、分辨率高、一致性高、加工效率高以及加工成本低等优点，非常适合大批量、大面积制备需要。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请实施例提供的抗反射微透镜阵列的制备方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的第二模具的立体结构示意图；

图3是图2的第二模具的剖视示意图；

图4是图3的A处的局部放大图；

图5是图2的第二模具的爆炸结构示意图。

其中，图中各附图标记：

10、第二模具；11、第二模压头；12、定位套；121、通气孔；13、阵列模板；131、成形孔；200、光学玻璃；201、微透镜结构；

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图3，本申请实施例提供了一种抗反射微透镜阵列的制备方法，用于加工玻璃，

所述抗反射微透镜阵列的制备方法包括如下步骤：

S1：准备玻璃、第一模具、第二模具10以及具有加热室的加热装置；可以理解的是，玻璃为光学玻璃200，其中光学玻璃200的型号可以为BK-7或D-K9。本实施例中，光学玻璃200为D-K9，其他实施例中可以根据实际情况进行选择，此处不做限制。其中，D-K9光学玻璃200的Tg(转变温度)为497℃，Ts(软化温度)为637℃。加热装置的加热室通过电阻丝发热，从而可以将玻璃加热至预定温度。

S2：制备抗反射层，将所述玻璃于所述加热室内加热至第一温度；使用第一模具于所述玻璃的表面热压印出抗反射微纳结构，以形成所述抗反射层，并冷却所述玻璃以使加工好的微纳结构定型。可以理解的是，第一温度大于光学玻璃200的转变温度，本实施例中，第一温度大于Tg并小于Ts，从而可以对光学玻璃200进行热压成型。微纳结构是尺寸为纳米级的几何结构，几何结构包括成型于玻璃表面的沟槽或凸起。本实施例中，微纳结构为成型于玻璃表面的凸起，其他实施例中，可以根据实际情况进行选择，此处不做限制。可以理解的是，微纳结构间隔布置多个，多个微纳结构形成抗反射层。微纳结构与入射其的光线的波长相关，从而使光线在各微纳结构之间进行多次反射和折射，并最终通过光学玻璃200，降低了光学玻璃200对光线的反射，提高了光线的通过率。

S3：制备微透镜阵列层，将所述玻璃于所述加热室内加热至第二温度，使用第二模具10于所述玻璃的表面热压印出微透镜结构201，以形成所述微透镜阵列层，所述抗反射微纳结构与所述微透镜结构201位于所述玻璃的同一表面，且所述抗反射微纳结构的尺寸小于所述微透镜结构201的尺寸，且所述微透镜结构201上布置有所述抗反射微纳结构；可以理解的是，微透镜结构201的尺寸为微米级或毫米级，并阵列布置多个，各微透镜结构201的表面设置有多个微纳结构。微透镜结构201的入光面呈球面或凸弧面设置，从而可以对光线实现成像、均光、聚焦、扩散、准直等功能。可以理解的是，第二温度也大于光学玻璃200的转变温度，第二温度大于Tg并小于Ts，从而可以在光学玻璃200的表面成形微透镜结构201，多个微透镜结构201形成微透镜阵列层。

S4：脱模，冷却所述玻璃，并取出所述玻璃。

通过先在光学玻璃200的表面加工抗反射层，再于光学玻璃200上加工微透镜阵列层，抗反射层和微透镜阵列层位于光学玻璃200的同一侧表面，从而实现光学玻璃200的加工，加工过程简单，且具有成形精度高、分辨率高、一致性高、加工效率高以及加工成本低等优点，非常适合大批量、大面积制备需要。

在一些实施例中，所述第一温度大于所述第二温度，可以理解的是，抗反射层的尺寸小于微透镜阵列层的尺寸，尺寸越小加工时对光学玻璃200的流动性要求越高，从而对光学玻璃200的温度也越高，第二温度小于第一温度，从而在微透镜阵列层的制备过程中，可以避免抗反射层在微透镜阵列层的制备过程中发生变形，避免抗反射层受到损伤。而且，第二温度低于第一温度，还可以对抗反射层进行退火，释放抗反射层的内应力，提高光学性能。

在一些实施例中，所述第一模具包括第一模压头以及供所述玻璃放置的微纳模板，所述微纳模板上开设有抗反射微纳结构；所述制备抗反射层步骤中，所述第一模压头朝所述微纳模板压紧所述玻璃，以使所述玻璃复制所述抗反射微纳结构。可选地，微纳模板是基于阳极氧化铝模板并开设有微纳结构而形成。再利用纳米压印技术在光学玻璃200上热压成形出抗反射层。

在一些实施例中，所述制备抗反射层包括如下步骤：

S21：将所述加热室抽真空，真空度低于5Pa，向所述加热室充入氮气并再次抽真空，再向所述加热室充入惰性气体，惰性气体可以为氩气或氦气，从而避免光学玻璃200在高温下发生氧化。

S22：将所述第一模具定位于所述加热室并将所述玻璃放入所述第一模具内，加热所述玻璃至所述第一温度，并保温100～200s使光学玻璃200样品温度受热均匀；

S23：所述第一模具朝所述玻璃施加第一压力，以在所述玻璃上热压加工出所述抗反射微纳结构；第一压力的范围为20～60MPa；

S24：将所述第一模具保压预定时间，保压时间范围为200～600s，使微纳模板上的微纳结构充分填充并复制至光学玻璃200，最后充入氮气进行退火冷却。

可选地，首先控制氮气流速将降温速率调节在0.5-1℃/s，使光学玻璃200进行慢冷退火至玻璃转化点温度的20℃以下，接着将氮气流速增大进行快速冷却1-3℃/s，直至室温，脱模取样。

在一些实施例中，所述微纳结构包括多个间隔设置的抗反射凸起。反射凸起的尺寸包括高度和内径，其中，反射凸起的高度和内径的尺寸均为纳米级。

在一些实施例中，所述抗反射凸起的横截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

在一些实施例中，所述第二模具10包括第二模压头11以及供所述玻璃放置的阵列模板13，所述阵列模板13开设有多个成形孔131，各所述成形孔131间隔布置于所述阵列模板13；所述制备微透镜阵列层中，所述第二模压头11朝所述阵列模板13压紧所述玻璃，以使所述玻璃部分进入所述成形孔131，以形成所述微透镜结构201。

可以理解的是，在微透镜阵列层的制备过程中，光学玻璃200部分压入成形孔131内，且光学玻璃200位于成形孔131内的部分处于悬空状态且不接触成形孔131的孔壁，不但保留了微纳结构，而且微透镜结构201的表面质量不受限于成形孔131孔壁的表面质量，从而可以使单个微透镜结构201具有比较高的表面质量，且通过控制成形孔131的孔径和横截面形状，可以成形出预定曲率的微透镜结构201的表面，从而降低了阵列模板13的加工成本。

可选地，光学玻璃200局部填充成形孔131，可以有效减小光学玻璃200与阵列模板13之间的形变接触面积，减小光学玻璃200与阵列模板13的粘着剪切摩擦接触面积，有利于提高阵列模板13的使用寿命。

可选地，阵列模板13是由碳化钨制成。

在一些实施例中，所述制备微透镜阵列层包括如下步骤：

S31：将所述加热室抽真空，真空度低于5Pa，向所述加热室充入氮气并再次抽真空，再向所述加热室充入惰性气体；惰性气体可以为氩气或氦气，从而避免光学玻璃200在高温下发生氧化。

S32：将所述第二模具10定位于所述加热室并将热压印有所述抗反射层的所述玻璃放入所述第二模具10内，加热所述玻璃至所述第二温度，并保温50～200s使光学玻璃200受热均匀；

S33：所述第二模具10朝所述玻璃施加第二压力，第二压力的范围为1～10MPa，控制光学玻璃200的形貌的局部填充，以在所述玻璃上加工出所述微透镜结构201；

S34：将所述第二模具10保压预定时间，并冷却所述玻璃。

可选地，首先控制氮气流速将降温速率调节在0.5-1℃/s，使光学玻璃200进行慢冷退火至玻璃转化点温度的20℃以下，接着将氮气流速增大进行快速冷却1-3℃/s，直至室温，脱模取样。

可选地，第二模具10还包括定位套12，定位套12用于引导第二模压头11相对阵列模板13移动，定位套12上开设有通气孔121，通气孔121用于排出定位套12内气体。

在一些实施例中，所述第一温度的温度范围为580～610℃，所述第二温度的范围为温度530～550℃。

本申请实施例提供的抗反射微透镜阵列的制备方法是一种柔性灵活可控的直接热成型技术，通过两次压印成形从而实现微透镜阵列表面微纳结构的构筑。相比飞秒激光技术直接加工抗反射微透镜阵列来说，该工艺具有操作简单、加工成本低、易批量化、效率高等优点。不需要加工复杂形状的模板结构就可以热压印复制出不同曲率、高度的微透镜阵列单元，大大减小了模具的加工成本。此外，通过精确热压温度、压力、时间等工艺参数可以灵活地复制出不同曲率半径的微透镜单元。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种抗反射微透镜阵列的制备方法，用于加工玻璃，其特征在于，所述抗反射微透镜阵列的制备方法包括如下步骤：

准备玻璃、第一模具、第二模具以及具有加热室的加热装置；

制备抗反射层，将所述玻璃于所述加热室内加热至第一温度；使用第一模具于所述玻璃的表面热压印出抗反射微纳结构，以形成所述抗反射层，所述抗反射层的所述微纳结构是尺寸为纳米级的几何结构，并冷却所述玻璃；

制备微透镜阵列层，将所述玻璃于所述加热室内加热至第二温度，使用第二模具于所述玻璃的表面热压印出微透镜结构，以形成所述微透镜阵列层，所述微透镜结构的尺寸为微米级或毫米级，所述抗反射微纳结构与所述微透镜结构位于所述玻璃的同一表面，且所述抗反射微纳结构的尺寸小于所述微透镜结构的尺寸，且所述微透镜结构上布置有所述抗反射微纳结构；所述第一温度大于所述第二温度，以对所述抗反射层进行退火，释放所述抗反射层的内应力；

脱模，取出加工好的所述玻璃。

2.如权利要求1所述的抗反射微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述第一模具包括第一模压头以及供所述玻璃放置的微纳模板，所述微纳模板上开设有抗反射微纳结构；所述制备抗反射层步骤中，所述第一模压头朝所述微纳模板压紧所述玻璃，以使所述玻璃复制所述抗反射微纳结构。

3.如权利要求1所述的抗反射微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述制备抗反射层包括如下步骤：

S21：将所述加热室抽真空，向所述加热室充入氮气并再次抽真空，再向所述加热室充入惰性气体；

S22：将所述第一模具定位于所述加热室并将所述玻璃放入所述第一模具内，加热所述玻璃至所述第一温度；

S23：所述第一模具朝所述玻璃施加第一压力，以在所述玻璃上热压加工出所述抗反射微纳结构；

S24：将所述第一模具保压预定时间，并冷却所述玻璃。

4.如权利要求1所述的抗反射微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述微纳结构包括多个间隔设置的抗反射凸起。

5.如权利要求4所述的抗反射微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述抗反射凸起的横截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

6.如权利要求1-5任意一项所述的抗反射微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述第二模具包括第二模压头以及供所述玻璃放置的阵列模板，所述阵列模板开设有多个成形孔，各所述成形孔间隔布置于所述阵列模板；所述制备微透镜阵列层中，所述第二模压头朝所述阵列模板压紧所述玻璃，以使所述玻璃部分进入所述成形孔，以形成所述微透镜结构。

7.如权利要求1-5任意一项所述的抗反射微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述制备微透镜阵列层包括如下步骤：

S31：将所述加热室抽真空，向所述加热室充入氮气并再次抽真空，再向所述加热室充入惰性气体；

S32：将所述第二模具定位于所述加热室并将热压印有所述抗反射层的所述玻璃放入所述第二模具内，加热所述玻璃至所述第二温度；

S33：所述第二模具朝所述玻璃施加第二压力，以在所述玻璃上加工出所述微透镜结构；

S34：将所述第二模具保压预定时间，并冷却所述玻璃。

8.如权利要求1-5任意一项所述的抗反射微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述第一温度的温度范围为580～610℃，所述第二温度的范围为温度530～550℃。