基于微流體脈沖噴射的微透鏡陣列制備技術(shù)及實驗研究.pdf

1、微透鏡及微透鏡陣列在眾多的工程應(yīng)用以及國防科技領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值和廣闊的前景，然而，微透鏡陣列的實際制作水平仍然落后于其理論設(shè)計水平，微透鏡陣列的加工問題成為微透鏡發(fā)展及應(yīng)用首先需要解決的問題。微透鏡陣列的制備大多需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，因此，高效率、低成本、低功耗的微透鏡陣列制作技術(shù)成為人們關(guān)注的熱點問題。本文以微透鏡陣列制備技術(shù)為目標(biāo)，系統(tǒng)地研究基于微流體脈沖噴射技術(shù)的平面微透鏡陣列、高數(shù)值孔徑微透鏡陣列以及曲面微透鏡陣列的

2、制備，并對制得的微透鏡陣列性能進行評估。
　　本文以微流體脈沖-驅(qū)動控制技術(shù)為起點，對微流體脈沖噴射的形成原理進行了分析。基于理論分析結(jié)果，采用計算流體力學(xué)方法對液滴微噴射的主液滴及衛(wèi)星液滴形成過程進行了數(shù)值分析，研究了微噴射系統(tǒng)參量及微噴射液體性質(zhì)對微噴射形成以及微噴射液滴直徑的影響規(guī)律。以顯微頻閃拍攝系統(tǒng)觀測了微噴射液滴的主液滴及衛(wèi)星液滴的形成過程。為微流體脈沖噴射的形成提供了理論依據(jù)。
　　研究了微噴射系統(tǒng)參量對微流體

3、脈沖噴射穩(wěn)定性和微噴射液滴體積的影響。通過合理地控制微噴射參數(shù)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的液滴微噴射及微噴射液滴體積的控制。為微液滴的穩(wěn)定、可控微噴射提供了實驗依據(jù)。理論分析了微液滴在不同固壁上的潤濕性及微液滴與基板的撞擊過程，為在不同固壁上沉積成型微液滴提供了理論依據(jù)。
　　基于微流體脈沖噴射技術(shù)，提出了一種新型的超高F數(shù)圓形及柱狀平面微透鏡陣列、多尺度平面微透鏡陣列制備方法。將紫外光固化膠（UV膠）按需噴射到經(jīng)過特殊表面處理的基底上，經(jīng)過

4、紫外光固化后形成微透鏡陣列。實現(xiàn)了F數(shù)為11.5超高F數(shù)微透鏡、微透鏡直徑與接觸角在一定范圍內(nèi)可控的多尺度微透鏡的制備。微透鏡及微透鏡陣列的性能測試結(jié)果表明，微透鏡具有較好的表面輪廓及表面粗糙度;制得的超高F數(shù)微透鏡理論上可以達到衍射極限成像;微透鏡陣列具有良好的成像及聚焦效果?；谖⒘黧w脈沖噴射，可實現(xiàn)超高F數(shù)微透鏡及多尺度微透鏡的低成本、簡單及快速制備。
　　基于微流體脈沖噴射技術(shù)與液體模塑工藝，提出了一種新型的高數(shù)值孔徑半球

5、以及超半球微透鏡陣列制備方法，將甘油水溶液按需噴射到疏水或超疏水基底上，并以甘油微液滴作為液體陽模，然后采用液體模塑工藝制得高數(shù)值孔徑的微透鏡。制得了數(shù)值孔徑為0.68的半球微透鏡，接觸角變化范圍為120°-150°的超半球微透鏡。理論及實驗分析結(jié)果表明，甘油微液滴與疏水或超疏水基底間的高粘附特性保證了甘油微液滴在液體模塑工藝過程中的位置精度，而兩者間的高粘附特性歸因于甘油微液滴在疏水或超疏水基底上處于Wenzel潤濕狀態(tài)。高數(shù)值孔徑微

6、透鏡的性能分析與測試結(jié)果表明，高數(shù)值孔徑微透鏡表面形貌良好，且高數(shù)值孔徑微透鏡陣列的多重成像及聚焦、焦距等特性與理論分析結(jié)果較為吻合。基于微流體脈沖噴射與液體模塑工藝制備高數(shù)值孔徑微透鏡陣列，甘油微液滴較UV膠等聚合物易在疏水或超疏水基底上形成大接觸角，甘油成本低、化學(xué)惰性好，且整個制備過程無需在特定的無UV光的黃光室內(nèi)進行。
　　基于微流體脈沖噴射技術(shù)與模塑工藝，提出了一種新型的曲面微透鏡陣列制備方法，采用微流體脈沖噴射技術(shù)制得

7、的平面微透鏡陣列作為陽模，經(jīng)過模塑及軟光刻工藝制得曲面微透鏡陣列。曲面微透鏡陣列曲面基底微復(fù)型過程的變形分析結(jié)果表明，曲面微透鏡的最大變形率在10％以內(nèi)，且微透鏡在微復(fù)型過程中依然保持了良好的表面粗糙度;曲面微透鏡陣列的多重成像及聚焦特性表明，每個微透鏡單元都具有良好的成像及聚焦功能;且曲面基底曲率半徑為1.8 mm、5.1 mm的曲面微透鏡陣列的最大視場角分別可達140°及120°?；谖⒘黧w脈沖噴射制備平面微透鏡陣列作為曲面微透鏡陣