（光学专业论文）聚合物微透镜及其阵列的研究.pdf

摘要 微透镜阵列是主要的微光学元件之一，玻璃透镜阵列已经有相当长时间的研 究，也发展得比较成熟，但其成本昂贵，加工工艺复杂，广泛应用受到一定的限 制。近年来，随着聚合物光学材料的发展，用该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，特别是梯度折射率的光学聚合物材料。由于相对无 机光学材料，它们的生产成本低廉，生产工艺简单，市场潜力很大。 聚合物微透镜阵列的主要制备方法有熔融光刻胶、灰度掩膜、热压模成形、 溶胶一凝胶和光诱导交联聚合等方法。除此以外，还有一种制备折射微透镜阵列 的新方法一微喷打印法，它是由喷墨打印原理发展而来的。本文就是采用该方 法制备微透镜阵列，利用自制的移动误差在l t t m 以内的微喷打印装置，通过反复 试验摸索出了适合该生产方法的工艺流程。主要内容包括微喷打印方法的理论基 础，微透镜阵列的光学特性分析，微透镜阵列的研制及其综合性能测试。 本文阐述了透镜的透过率、表面轮廓、阵列均匀性、焦距、波像差、表面粗 糙度等参数的测试方法，得到了很好的测试结果：透过率在可见光范围内都在9 0 以上；表面轮廓基本上呈球形对称；制备的微透镜阵列具有很好的尺寸一致性( 其 焦距偏差小于1 8 ) ；光学像差的检测结果表明，微透镜阵列具有一定的非球面 形状；热处理后所得透镜的表面粗糙度为心：0 8 n m ：凡：1 1 4a m ；i l z ：1 1 4i l l l l ； 掺杂型微透镜阵列的荧光效果也很好，有望制备生物医学传感器和光纤放大器。 以上结果表明，该方法制备的微透镜阵列具有很好的光学性能，应用前景光明。 近几年来，美国、日本、德国和韩国等国家都在竞相研究微喷打印技术用于 微光学元件的生产，并已经有部分商品问世，但在国内尚未见有关这种技术制备 微透镜阵列的报道。本研究以填补国内空白作为研究的指导思想，根据现有设备 条件，成功地实现了阵列微透镜的制作，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。 关键词：聚合物微透镜阵列按需滴定法光学检测微光学元件 t h er e s e a r c ht op o i y m e rm i c r o i e n sa n da r r a y s l it o n g h a i ( o p t i c s ) d i r e c t e db yw a n gl i l i a b s t r a c tm i c r o l e n sa r r a yi so n eo ft h ei m p o r t a n tm i c r o - o p t i c a le l e m e n t s c o m p a r a t i v e l ys p e a k i n g ，t h eg l a s sm i c r o l e n sa r r a y sh a v eb e e ns t u d i e df o rar e l a t i v e l y l o n gt i m ea n dd e v e l o p e dv e r yw e l l h o w e v e r , t h ec o s to f t b e mi sh i 曲a n dt e c h n i q u eo f m a n u f a c t u r ei sc o m p l i c a t e d t h e r e f o r e t h ea p p l i c a t i o n so ft h e ma r el i m i t e dt os o m e e x t e n t r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lp o l y m e rm a t e r i a l s ，t h em a n u f a c t u r e o fp o l y m e rm i c r o o p t i c a le l e m e n t sh a sb e c o m ea ni n t e r e s t i n gr e s e a r c hs u b j e c t e s p e c i a l l yt h eo p t i c a lg r a d i e n ti n d e xp o l y m e rm a t e r i a l s c o m p a r e d 、析t l li n o r g a n i c m a t e r i a l s ，t h ep o l y m e r sh a v et h el o wc o s ta n ds i m p l em a n u f a c t u r e dt e c h n o l o g y , s ot h e y w i l lb ea p p l i e d b r o a d l ya n dh a v eab i gm a r k e t i n gp o t e n t i a l t h e r ea r em a n ym a n u f a c t u r e dt e c h n i q u e ss u c ha s ；r e s i s t m e l t i n gm e t h o d ， g r a y s c a l em a s k , h o tb o s s i n gm e t h o d ，s o l - g e lm e t h o da n dp h o t o - i n d u c e dc r o s s l i n k i n g p o l y m e r i z a t i o ne t c a p a r tf r o mt h e s em e t h o d sm e n t i o n e da b o v e ，t h e r ei sa n o t h e rn e w m e t h o dn a m e dm i c r o - j e tp r i n t i n g ，w h i c hd e r i v e sf r o mi n k - j e tp r i n t i n g i nt h i sa r t i c l e t h i sm e t h o do ff a b r i c a t i 鲫o fm i c r o l e n sa r r a y si si n t r o d u c e d i nt h i sr e s e a r c ha m i c r o - f a be q u i p m e n th a sb e e nd e s i g n e d ，w h o s em o v e m e n te r r o ri sw i t h i nl i m a ，a n da f a b r i c a t i o nt e e l m o l o g ys u i t a b l ef o rt h i sm e t h o da l s oh a sb e e ng o t t e nt h r o u g hh u n d r e d s o fe x p e r i m e n t s t h ec o n t e n t sm a i n l yi n c l u d et h eb a s i ct h e o r yo fm i c r o - j e tp r i n t i n g m e t h o d ，t h ea n a l y s i so fm i c r o l e n s o p t i c a ls p e c i a l i t y , t h er e s e a r c ho fm i c r o l e n sa r r a y s a n dt e s t i n go f c o m b i n a t i o np r o p e r t y t h er n i c r o l e n sa r r a y sf a b r i c a t e dw i t l lt h em i c r o - j e tp r i m i n gm e t h o dh a v ev e r y g o o do p t i c a lp r o p e r t y t h et r a n s m i t t a n c e ，t h e s u r f a c ep r o f i l e ，t h ed i m e n s i o n a l u n i f o r m i t y , f o c a ll e n g t h ，w a v ea b e r r a t i o n ，s u r f a c er o u g h n e s so ft h em i c r o l e n sh a v e b e e nm e a s u r e da n dg o tg o o dr e s u l t s ：t h et r a n s m i t t a n c eo f m i c r o l e n si sa b o v e9 0 * , 6f o r v i s i b l ew a v e l e n g t h ；t h es u r f a c ep r o f i l ev e r s u sas p h e r i c a lp r o f i l e ；t h em i c r o l e n sa r r a y s h a v ev e r yg o o dd i m e n s i o n a lu n i f o r m i t y ( t h ed e f l e c t i o ni sl e s st h a n1 8 ) ；t h er e s u l to f o p t i c a la b e r r a t i o ns h o w st h a tt h em i c r o l e n sa r r a yh a sn o n s p h e r i c a ls h a p e ；a f t e rt h e h e a tp r o c e s st h es u r f a c er o u g h n e s so ft h em i c r o l e n sa r e ：o 8 n m ；凡：i1 4r i m ；l h ： 11 4n m ；t h er h - t gd o p e dm i c r o l e n sa r r a y sh a v eg o o df l u o r e s c e n tl i g h tp r o p e r t ya n d c a l lb eu s e dt of a b r i c a t eb i o m e d i c a ls e n s o ra n do p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r t h er e s u l t s s h o w na b o v ei n d i c a t et h a tt h em i c r o l e n sa r r a y sf a b r i c a t e dw i t ht h i sm e t h o dh a v e9 0 0 d o p t i c a lp r o p e r t ya n dh a v eav e r yb r i g h tf u t u r e i nr e c e n ty e a r s ，u s a ，j a p a n ，g e r m a na n ds o u t hk o r e aa i lr e s e a r c hi n t ot h i s m e t h o dt of a b r i c a t em i c r o - o p t i c sd e m e n t sa n da l r e a d yh a v eg o ts o m ep r o d u c t s ，b u ti n o u rc o u n t r yt h e r ea r en o ta n y r e p o r t sa b o u tt h i st e c h n o l o g y t h ea i mo f t h i sr e s e a r c hi s t of i l li nd o m e s t i cv a c a n c yi nt h i sf i e l d o nt h eb a s i so fe q u i p m e n t s ，w ea c h i e v e dt h e f a b r i c a t i o no fm i c r o l e n sa r r a y sa n de x p l o r e dt h et e c h n i q u ef o rm a s sp r o d u c t i o n s u c c e s s f u l l y t h eq u a l i t yo fm i c r o l e u sa r r a y si sa l s om e a s u r e da n de v a l u a t e d ，w h i c h p r o v i d ep a r a m e t e re v i d e n c ef o rf u t u r em a s sp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：p o l y m e rm i c r o l e n sa r r a y s d r o p - o n - d e m a n do p t i c a lm e a s u r i n g m i c r o o p t i ce l e m e n t 1 i i 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都己给予 了明确的注释和致谢。与我一同工作的同志对本研究所儆的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料羞有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：乏奎f 鸳娅 日期：力纽垒 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定，即： 研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机械研 究所。本人保证离所后，发表基于研究生：。| = 作的论文或使用本论文工作成果时必 须征褥产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安光学 猜密机械研究所。产权单位有权傈疆送交论文的复印件，允许论文被套阅和借阕； 产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：硷j 窝鲶 导师签名 日期：绷：支圭 日期： 历身 蓑 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 微小型光学和微光学( m i n i a t u r eo p t i c sa n dm i c r o - o p t i c s ) 是近3 0 年来光学领 域新兴的一门前沿性分支学科，发展非常活跃。通常，微光学元件的尺寸可达毫 米量级到微米量级非常宽的范围。在许多情况下，考虑到降低成本和增加效能等 因素，微光学元件的设计都是与能批量生产的微结构制造技术紧密结合起来。 随着产品体积缩小、重量减轻、可靠性提高、工作速度变快、功能多样、成 本下降，逐步形成了一门以研究、设计、制作微米级装置和系统为主要内容的新 技术，称为“微工程”。微工程在电子学领域是“微电子学”，在机械领域是“微 机械学”，在光学领域叫“微小光学”“微小光学”一词是日本电气公司内田祯二 教授在1 9 8 1 年提出来的【1 1 。微小光学是研究微米、亚微米甚至纳米尺寸光学元件 ( 包括光源、光纤、波导和折射、反射、衍射光学元件等) 的微加工技术及利用 这些元器件实现光束的发射、聚焦、传输、成像、分光、图像处理、光计算等系 列功能的理论和技术的学科，是现代光学研究前沿的一个重要分支，是光学与微 电子、微机械、微加工、材料科学、信息科学等学科互相融合、渗透、交叉而形 成的前沿学科。它涉及到材料研制、设计、精细加工、器件集成以及光束发射、 聚焦、准直、偏折、分割、复合、开关、耦合、接收和光纤传感、光学信息处理、 成像系统、光通信、光计算、光互联以及光盘、光学神经网络和生物器件等领域。 运用微光学的理论和技术所制成的光学元器件具有微型化、阵列化、集成化和可 靠性高等特点。1 9 8 3 年，日本出版了微小光学新闻，当时，微小光学主要指 自聚焦透镜和微型普通透镜。后来微小光学有很大发展，既包括微型化、轻量化 的分立元件，又包括稳定性好、不需调整、易于批量生产的阵列光学元件【2 引。微 小光学的主要研究对象包括两大类：基于光的反射、折射原理制作的光学元件， 主要是自聚焦透镜和非梯度折射率的微透镜及其列阵；基于光的衍射原理制作的 光学元件，主要是衍射光学元件。 聚合物微透镜及其阵列的研究 微小光学迅猛发展的一个重要标志是阵列光学元器件的出现。随着科学技术 的发展、光学元器件的微型化，势必使分立元器件向阵列元器件发展，迫切需要 发挥光子作为信息载体所具有的高速度，高并行性和巨大的互联能力，就必须发 展二维和三维光电子和光子元器件列阵。因而，微小光学阵列就迅速发展起来【3 j 。 微光学元件可由玻璃、塑料、硅或半导体材料制成。传统的玻璃光学元件是磨制 的，而玻璃微光学元件的典型制造工艺是浇铸或光刻。塑料微光学元件的主要制 作方法是光刻和微喷打印等。在一般情况下，塑料光学元件( 包括透镜和衍射元 件) 不仅输运快捷方便，而且同玻璃光学件相比，具有更大的设计自由度。微光 学元件最大的应用是光数据存储。除了作为c d 唱机和d v d 系统的物镜外，微光 学元件还可用于其他存储介质中作为编码器来跟踪信息位置。其他的主要应用包 括内窥镜以及无线电通讯和数据通讯。内窥镜医疗术是塑料光学元件正在进入的 一个领域。外科医生以内窥镜作为有效手段来对患者身体的内部进行观察。据统 计，美国在1 9 9 9 年有7 ，4 0 0 ，0 0 0 例外科手术中使用了内窥镜【4 】。在光信息处理、 光纤通信、光计算技术领域中，常用的微小光学阵列元件主要有光源阵列、探测 器阵列、光纤阵列，为了使这些阵列器件耦合连接成为一个系统，常采用微透镜 阵列。 透镜是构成光路系统的重要而又基本的光学元件，它有会聚、发散、准直、成 像等作用。进入8 0 年代，光纤通信、光电子学、集成光学及光计算等领域获得了 迅速的发展。一些基本的器件如二维集成的半导体激光器阵列，场致发射真空管 阵列及c c d 阵列均取得了很大进展，单元线度已达微米级，集成度已达1 0 0 万， 厘米2 。这对微型化、阵列化的二维透镜面阵列提出了越来越紧迫的需要【5 】。 微透镜是指微小透镜，通常其直径为1 0 1 t m 到l m m 级，由这些微小透镜在基 板上按一定形状排列形成的阵列叫做微透镜阵列。目前光予学领域定义的微透镜 的范围很广，它包括直径达到几毫米的透镜，列阵数日从几百到几千甚至几万。 常见的微透镜阵列有透射式、衍射式和梯度折射式三类。微透镜列阵光学元件具 有尺寸小、重量轻、易集成等优点，在军事、科研等各个领域发挥着重要的作用。 微透镜可与c c d 集成来提高c c d 的填充因子进而改善c c d 的灵敏度和信 噪比。由于信号光入射到c c d 的受光面，只有光敏区部分产生光电响应，构成有 2 第一章绪论 用信号，而入射到其它区域的信号光被浪费，信号光利用率很低，因此微透镜的 主要作用是使原本落入介电层上的光子由于微透镜的相位变化作用而偏折落入光 敏区，扩大填充系数。大多数微透镜的传感器应用于c c d 和c m o s 探测器，微 透镜将光压缩进传感器的光学有源器件以提高效率。微透镜及其阵列作为微光学 元件在微小光学系统中也有着显著应用，它可用于光信息处理、光计算、光互连、 光数据传输、产生二维点光源，也可用于复印机、图像扫描器、传真机、照相机， 以及医疗卫生器械中【6 】。此外，微透镜阵列具有很强的适应性，可广泛用于通信、 显示和成像器件中，实现了器件的小型化。特别是椭圆形折射微透镜阵列可用于 半导体激光器的聚焦与准直，激光二极管( l d ) 的光束整形，还可用于光纤、光 学集成回路之间，实现有效的光耦合m 。在通信中椭圆形微透镜的主要作用是将 来自自由空间的光匹配进光纤，并校准从光纤出来的光。目前微透镜阵列已经应 用在原子光学领域。可以利用微透镜阵列做成原子波导、分束器、马赫一泽德干涉 仪或利用微透镜阵列捕获原子或者对中性原子进行量子信息处理咧。 美国加利福尼亚州斯坦福大学p a th a n r a n h a n s 实验室的研究者们已经成功 地用微透镜阵列代替数码相机的单一透镜成像，微透镜阵列的应用大大加大了相 机的聚焦深度和视场角。原来的相机只能看清近景或者远景的像，而用微透镜阵 列的相机不但能够看清远景和近景的像，连背景也看得十分清楚例。j u - s e o gj a n g ， b a h r a mj a v i d i 等人还将微透镜阵列用在超大尺寸的3 - i ) 成像显示上，微透镜阵列 加大了显示器的视场角，同时也使显示的图像显得非常清晰而且没有畸变。i l o 】在 国内微透镜阵列也得到了广泛的应用。如成都光电所将其成功地用于波前测量、 激光光束诊断和光学元件质量评价等实际系统中；浙江大学对其在密集多载波分 复用器中的应用也作了深入的研究。 随着i t 业的迅速扩展，特别是局域网( l a n ) 和光纤到户( f t t h ) 的要求， 广泛采用密集波分复用( d w d m ) 技术，聚合物光纤和微透镜作为短程传输和互 连波导器件的平台技术已引起人们的极大兴趣【l ”，对梯度折射率光纤或透镜阵列 的需求日益增加。现有的梯度折射率透镜和阵列的制备技术受到了挑战，国外近 些年出现的“按需滴定”微喷打印方法“d r o p - o n - d e m a n d ”m i c r o - j e tp r i n t i n g m e t h o d ) b 2 , 1 3 1 弓1 起了人们的极大兴趣。 聚合物徽透镜及其阵列的研究 1 2 微透镜阵列的主要制备方法 人们对微透镜阵列的研制和利用至少可以追溯到2 0 世纪初李普曼所提出的 猫眼透镜板集成照相术【1 4 1 。然而，由于早期所用的技术如塑料模压法或直接用分 立的小透镜排列等在当时具有许多难以克服的困难，使得微透镜阵列的制作始终 停留在较低的水平上。到了a 9 世纪8 0 年代，相继出现了一系列崭新的微透镜阵列 制作技术。到目前为止，已经有许多制备折射微透镜阵列的方法，主要包括表面 微加工技术 1 5 l 、反应离子柬刻蚀技术1 6 1 、光刻胶回流方法 1 7 , 1 s 、激光直接写入、 热压模成型法 1 9 1 、离子交换法【2 0 1 、灰度掩膜法【2 l - 2 2 1 、微喷打印1 2 3 - 2 7 1 、掩模移动 法和光敏玻璃热成形法【2 8 肄。 由于折射微透镜阵列器件在焦平面集光、激光准直、大面阵显示、光效率增 强、光计算、光互联及微型扫描等方面获得越来越广泛的应用，它的制作工艺和 方法得到了日益深入的研究。微透镜阵列可由玻璃、塑料、硅或者半导体材料制 成。对于玻璃微透镜的制作已经有十几年的历史，利用离子交换法制备的梯度折 射微透镜及其阵列已经发展得很成熟，并取得了巨大的经济效益。而最近用轻量 级光学材料制备微光学元件的生产技术成了感兴趣的研究课题。特别是有机光学 聚合物，由于它们的机械性质和热学性质的可控制性和它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。目前利用聚合物制各微透 镜阵列的主要方法有熔融光刻胶、灰度掩膜、热压模成形法、光诱导交联聚合1 2 9 、 溶胶凝胶法【7 1 和微喷打印【1 2 ，1 3 】等。下面主要介绍熔融光刻胶法、反应离子束刻蚀 法和微喷打印法。 1 2 熔融光刻胶法 熔融光刻胶法( 光刻胶回流技术) 是p o p o r i c 在1 9 8 8 年提出的，这种方法具有 工艺相对简单，对材料和设备的要求不高，工艺参数稳定且易于控制，复制容易， 制作周期短等优点，因而被广泛采用。整个工艺过程如图1 所示，可分为三步：( 1 ) 光刻胶板在掩膜的遮蔽下进行紫外曝光；( 2 ) 对已曝光的光刻胶板进行显影和清 洗；( 3 ) 热熔成型1 1 7 j 。 4 第一章绪论 图1 用熔融光刻热熔法制备微透镜阵列的工艺过程 然而利用这种技术制备微透镜阵列有几个很大的缺点：第一，由于光刻胶对 某一材料的浸润程度是一定的，即光刻胶在熔融状态时与基底的附着力是一定的， 这样熔融成型后的微透镜球面轮廓与基底之间存在着一定的夹角浸润角，如 果胶层厚度不足，由于浸润角效应，边缘保持一定的曲率，中间部分下凹【l g l 。第 二，在正常情况下透镜阵列的最大填充因子不超过8 0 ，而且光刻胶在熔化时容 易粘连，一旦接触，根本不能形成透镜的面形结构。由于填充因子小，会留出比 较明显的死区，这样，入射的能量不能充分利用，而且会引起背景噪音。另外， 利用光刻胶制作微透镜，工艺简单，但是普通光刻胶由于本身的化学性能和机械 性能较差，光学性能也不好，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【3 0 j 。 1 2 2 反应离子束刻蚀技术 反应离子束蚀刻方法是采用离子轰击溅射和化学反应相结合的原理，用化学 反应性气体离子束进行蚀刻。传统蚀刻工艺以光刻胶或金属薄层为掩膜对基底材 料进行蚀刻，要求掩膜材料的蚀刻速率低，以保证将二维掩膜图形转移到基底材 料上形成三维微结构。而微透镜阵列的面形传递要求光刻胶与基底材料具有相同 或接近的蚀刻速率，使微透镜的球面面形无失真地传递到基底上。因此，微透镜 阵列反应离子束蚀刻过程控制的目的就是使光刻胶与基底的蚀刻速率比接近1 ： l ，且横向无钻蚀、扩蚀现象1 1 6 1 。反应离子刻蚀与离子束刻蚀相比较，有刻蚀速 度快，制作的图形表面质量更好，刻蚀比可在很大范围内根据实际需要来调整等 诸多优点。 然而由于反应离子束刻蚀是化学气体在射频电场的作用下产生低温等离子 体，通过对被刻蚀材料的物理溅射轰击和化学反应双重作用，获得抗蚀剂掩蔽下 的精细三维微浮雕结构，刻蚀过程复杂，工艺参数的匹配对被刻蚀元件质量有直 5 聚合物微透镜及其阵列的研究 接的影响。因此，只有合理地选择刻蚀气体及有效地控制刻蚀选择比、刻蚀速率 等参数，才能得到良好的刻蚀表面质量。 1 2 3 微喷打印法 微喷技术是在2 0 世纪7 0 年代从一个科学研究课题发展起来的，是计算机控制 打印中的一个重要技术。近年来微喷技术已变成一个多功能的生产方法和一个很 有前途的生物医学技术。一般来说，微喷技术分为两类：连续微喷打印和按需滴 定微喷打印。 从喷嘴中流出来的液体形成相同大小的液滴的现象是早在1 8 3 3 年f l ：l s a v a r t 发 现的，并由l o r d r a y l e i g h 和w e b e r 用数学方法描述出来。商业用的连续模型的喷墨 系统的液滴产生速率是在8 0 1 0 0 k h z ，但现在正在使用的系统的工作频率商达 1 m i - i z 。用连续系统生产的液滴尺寸可以达到2 0 岬，但一般是1 5 0 p r o 。m i c r o f a b 公司已经建立的微喷系统能产生直径为l m m 的大液滴( 体积约0 5 p 1 ) ，直径为6 l x m 的小液滴( 体积为1 0 p 1 ) 。 在2 0 世纪5 0 年代，通过电机诱导压力波产生液滴是f l j h a n s e l l 观察到的。在这 种系统中，电压脉冲作用到和液体直接或间接地连接在一起的压电材料上诱导液 体体积变化。体积的变化导致液体压力瞬时发生变化，由于这些都是直接作用， 可以导致液滴从喷嘴中喷出。因为只有想要液滴的时候才施加电压，所以这些类 图2 微喷打印法制备微透镜阵列的原理图 型的系统被看作为按需滴定模型系统( 原理如图2 所示) 。最近一代按需滴定模型 微滴技术使用声能促使微滴从自由表面喷射出来，这种技术已经应用于黏胶剂涂 敷工业上和n a s a 的液体金属微滴的自由形成生产上在今天的许多商业上可用 6 第一章绪论 的喷墨打印系统中，薄膜电阻器被压电驱动传感器所代替。 微喷打印技术的优点是：由于这种技术采用数据驱动和使用材料添加剂，可 以降低成本，增加生产灵活性；能降低对环境的影响；增强工艺集成化。 目前连续模型的喷墨系统正广泛用于工业市场，主要是为食品和医药产品作 标号。它们有很高的生产能力，特别是阵列连续模型系统，它们特别适合高工作 制周期应用。按需滴定喷墨系统主要用于办公室打印机市场，已逐渐领导低档打 印机市场( h p sd e s kj e t s ，c a n n o n sb u b b l ej e t s ，a n de p s o n ss t y l u s ) 。按需喷墨打印 系统不要求液体再循环流通，这使得它们作为一般液体的微喷技术比连续微喷技 术更简单，加热型的按需模型喷墨技术系统能以很低的成本实现极高的液体喷射 功能1 3 1 1 。 日本n 订公司远程通信能量实验室已通过实验证实，利用商用1 8 0 - d p i 喷墨打 印头可批量生产微透镜阵列1 3 2 。日本电信电话公司开发出新的微透镜制作技术， 即采用将打印用的墨水成雾状喷涂在纸上的喷墨方式，制作直径l m m 以下的微透 镜【3 3 】。美国m i c r o f a b 公司用微喷打印方法制备的微透镜可以达到衍射受限。 本文采用按需滴定微喷打印技术制备微透镜阵列，讲述了利用按需滴定技术 制备聚合物微透镜阵列的方法和工艺流程，以及微透镜阵列的光学性能等一些参 数。这种方法利用液体表面张力原理，操作简单，控制精确，微透镜一次成型， 不需要任何化学和物理后处理过程。 7 聚合物微透镜及其阵列的研究 第二章微喷打印方法的理论基础 本章的主要内容包括两大部分：第一部分阐述有关表面张力的理论，包括表 面张力的定义及影响表面张力的因素；对于两组分高分子溶液，给出溶液的表面 张力及溶液的粘度与溶液浓度的关系；进而探讨了微透镜的形成机理。第二部分 主要讲述评价光学系统的指标波像差，给出波像差的定义、波像差的意义和 波像差的一般表达式。 2 1 表面张力 2 1 1 表面张力的定义 ( 1 ) 净吸力 任何表面都是界面( 例如一杯水的表面是气一液界面，桌子的表面是气一固界 面等) 。分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的【弘】。例如在图3 中，液体 表面上的某分子m 受到如图中所示的各个方向的吸引力，其中a 、b 可抵消，e 向下，并有c 、d 的合力f ( 向下) ，故分子m 受到一个垂直于液体表面而指向液 体内部的“合吸力”，通常称为净吸力。由于有净吸力存在，致使液体表面的分子 有被拉入液体内部的倾向，所以任何液体表面都有自发缩小的倾向，这也是液体 表面具有表面张力的原因。 图3 表面分子所处的环境 8 第二章喷墨打印方法的理论基础 ( 2 ) 表面张力 为说明表面张力的问题，首先看图4 所示的示意图。由图4 可见，当球形液 滴被拉成扁平后( 假设液体体积v 不变) ，液滴表面积s 变大，这就意味着液体内 部的某些分子被“拉到”表面并铺于表面上，因而使表面积变大。当内部分子被 拉到表面上时，同样要受到向下的净吸力，这表明，在把液体内部分子搬到液体 表面时，需要克服内部分子的吸引力而消耗功。因此，表面张力。可定义为增加 单位面积所消耗的功 ( 2 - 1 ) 图4 球形液滴变形 按照能量守恒定律，外界所消耗的功储存于表面，成为表面分子所具有的一 种额外的势能，也称为表面能。 因为在恒温恒压下，一粥= 彻。式中，瘩为表面自由焓。代入式( 2 - 1 ) 得 d g = o d a 或 盯= ( 等) ， ( 2 _ 2 ) 所以表面张力又称为比表面自由焓。 表面张力的s i 单位为n m 。可以用图5 的演示来说明表面张力是作用在单位 长度上的力。图5 为一带有活动金属丝的金属丝框。将金属丝框蘸上肥皂水后缓 慢拉金属丝。设移动距离为血，则形成面积为2 1 a x 的肥皂膜( 因为金属丝框上的 肥皂膜有两个表面，所以要乘以2 ) 。此过程中，环境所消耗的表面功为： 一w=fax(2-3) 9 聚合物微透镜及其阵列的研究 与式( 2 1 ) 比较，则有 一w ? q = f 厶x = a r i a = o 2 l a x 或 o ：三( 2 4 ) o = 一 z q ， 2 ， 从这个演示可以看到，扩大肥皂膜时表面积变大；肥皂膜收缩时，表面积变 小，这意味着表面上的分子被拉入液体内部。肥皂膜收缩时，力的方向总是与液 面平行( 相切) 的，因此，表面张力的方向也和表面平行。在活动金属丝收缩时， 当然有垂直作用在金属丝框边缘上的力，所以表面张力也可认为是作用在金属丝 框单位长度上的力。 图5 表面张力与表面功 综上所述，可以得出结论：分子间力可以引起净吸力，而净吸力引起表面张 力。表面张力永远和液体表面相切，而和净吸力相互垂直。 2 1 2 影响表面张力的因素 表面张力是液体( 包括固体) 表面的一种性质，而且是强度性质。有多种因素可 以影响物质的表面张力。 物质本性 表面张力起源于净吸力，而净吸力取决于分子间的弓i 力和分子结构，因此， 表面张力与物质本性有关。根据分子势能随距离变化的曲线可知，势能最低处为 液体分子的平均距离r 。，分子间距离大于或小于此值时体系势能皆升高。距离较小 时排斥力占优势，距离较大时吸引力占优势。从液体表面的特性可知，表面上的 1 0 第二章喷墨打印方法的理论基础 分子比溶液内部的分子有较高的能量。按照分子分布的规律，表面层分子密度小 于内部。于是，表面分子间的距离将变大。这使得表面上的分子沿表面方向存在 侧向引力，即收缩的表面张力【3 5 1 。 例如水是极性分子，分子间有很强的吸引力。常压下，2 0 c 时水的表面张力 高达7 2 7 5 m n m - 1 。而非极性分子的正己烷同温下其表面张力只有1 8 4 m n m - 1 。水银 有极大的内聚力，故是在室温下所有液体中表面张力最高的物质( o 。b = 4 8 5 m n m - 1 ) 。 当然，其它熔融态金属的表面张力也很高( 一般是在高温熔化状态时的数据) ，例 如，i1 0 0 熔态铜的表面张力为8 7 9 m n m 1 。 相界面性质 通常所说的某种液体的表面张力，是指该液体与含有本身蒸气的空气相接触 时的测定值。当与液相接触的另一物质的相的性质改变时，表面张力会发生变化。 a n t o n o f f 发现，两个液相之间的界面张力是两液体己相互饱和( 尽管互溶度可能 很小) 时两个液体的表面张力之差，即： q 2 = 吼一吒 ( 2 5 ) 式中，q 。和c r 2 分别是两个相互饱和的液体的表面张力。这个经验规律称为 a n t o n o f f 法则。 在液一气界面上，表面张力是液体分子相互吸引所产生的净吸力的总和，空气 分子对液体分子的吸引可以忽略。但在液l 一液2 界面上，两种不同的分子也要相 互吸引，因而降低了每种液体的净吸力，使新界面的张力比原有两个表面张力中 较大的那个小些。 温度 温度升高时一般液体的表面张力都降低，且盯一t 有线性关系，当温度升高到 接近临界温度t 。时，液一气界面逐渐消失，表面张力趋近于零。温度升高，表面张 力降低的定性解释是，因为温度升高时物质膨胀，分子间距离增加，故吸引力减 弱，o r 降低。当然也可用温度升高时气一液两相的密度差别减小这个事实来说明。 关于表面张力和温度的关系式，目前主要采用一些经验公式。实验证明，非 缔合性液体的盯一t 关系基本上是线性的，可表示为 c = 【1 一k ( t 一瓦) 】 ( 2 6 ) 聚合物微透镜及其阵列的研究 式中，听和c r o 分别是温度为r 和瓦时的表面张力，k 为表面张力的温度系数。 当温度接近于临界温度时，液一气界面即将消失，这时表面张力为零。由此r a m s a y 和s h i e l d s 提出了以下关系式： 一2 a v 7 3 = k ( t o t - 6 0 1 ( 2 7 ) 式中，审为液体的摩尔体积；瓦为临界绝对温度；足为常数，非极性液体的足约 为2 2 1 0 - 7 j k 。式( 2 - 7 ) 是比较常用的公式。 压力 从气一液两相密度差和净吸力考虑，气相压力对表面张力是有影响的。因在一 定温度下液体的蒸汽压不变，因此研究压力的影响只能靠改变空气或惰性气体的 压力来进行。可是空气和惰性气体都在一定程度上( 特别在高压下) 溶于液体并 为液体所吸收，当然也会有部分气体在液体表面上吸附，而且压力不同，溶解度 和吸附量也不同，放用改变空气或惰性气体压力所测得的表面张力变化应是包括 溶解、吸附、压力等因素的综合影响。表面张力随压力增大而减小，但当压力改 变不大时，压力对液体表面张力的影响很小。 2 2 固体表面的润湿及其判据 固体表面分子与液体表面分子一样，具有不饱和的分子问力，而且由于固体 表面的不均匀程度远远大于液体表面，因而具有更高的表面自由焓。通常液体的 表面自由焓在1 0 0 m j m 。2 以下，固体表面以1 0 0 m m 2 为界分为两大类：小于 1 0 0 t 月d i n 者叫做低能表面，而超过1 0 0 r t t j m 4 以至高达5 0 0 - 5 0 0 0 1 d m - 2 者称 为高能表面。因此，当固体特别是高能表面固体与周围介质相接触时，将会引起 自由焓的降低，界面现象便相伴发生。 如图6 所示，在干净的固体平板上滴上一滴液体，通过固、液、气三相交界 点a ，沿液体表面引一切线。若切线和固体表面的夹角为执则把角0 叫做液体对 固体的接触角( c o n t a q t a n g l e ) 。如果液滴的接触角0 = - 0 。叫做完全润湿；如果液滴 的接触角0 。 口 9 0 。就叫不润湿； 第二章喷墨打印方法的理论基础 如果液滴的接触角a = 1 8 0 。叫做完全不润湿 3 6 1 。润湿乃常见的界面现象，它与人 类生活密切相关，是许多生产过程的基础。 图6 溶液在固体平面上的接触角 实验测得水对玻璃的接触角近似为0 。，水对石蜡的接触角是1 1 0 。由此可 见，接触角小则液体容易润湿固体表面，而接触角大则不易润湿。换句话说，接 触角就是润湿的直观判据【3 7 1 。 2 3y o u n g 方程 考虑固体平面上有一理想楔状液层，接触线a 是一和纸面垂直的直线。在a 处有三相( 固体s ，液体，及相应的平衡蒸汽1 ，) 互相接触，所以又可称为三重线。 设乃，及= ，分别是各界面上的表面张力( 如图7 所示) 。在平衡时，系统的 图7y o u n g 方程表示的力学平衡 总能量必须在a 线位置移动任意距离威时保持稳定，而在这一移动中，首先由于 液体和蒸汽的压强相等，界面处所作的总功为零，其次平移前后的核心能量维持 不变，有变化的只是各界面的面积。对于a 线的每单位长度，各界面的面积改变 分别为：固一气界面增加出，固一液界面减少威，液一气界面减少d x c o s o ，为使各 界面的总能量不变，必须满足条件： 聚合物微透镜及其阵列的研究 ，。= ，“+ y c o s o ( 2 8 ) 这条件是英国科学家y o u n g 在1 8 0 5 年首次发现的，叫做y o u n g 方程。它也可以 看作理想楔形尖端处作用在单位长度a 线上的三个表面张力，。，“及y 之间的力 学平衡条件在平行于固体平面方向的投影，( 2 8 ) 式又可写成： 形= 一= ) c o s 0 ( 2 9 ) 呒是s v 界面变为f 一，界面时每单位面积上可以获得的能量，叫做浸润功。( 2 - 9 ) 式表明，曰完全由热力学函数- y 。及，确定。对p 的测量可以提供有关各界面 能的某些信息。通常，从另外的测量可以知道= ，。这样，虽然只有口一个测 量数据不能确定其他两个未知量心及，但从y e o s o 却可得出浸润功 睨= 一托这一物理量。 2 4 溶液的表面张力 这一节详细地论述了由吉布斯创立的用热力学观点处理二元体系表面张力随 组分浓度变化规律的表达式吉布斯公式，以及溶液粘度与浓度的关系。 2 4 1 溶液的表面张力与溶液浓度的关系 溶质的存在可以影响溶液的表面张力这一事实是众所公认的，值得指出的是 这种影响效应又具有多样性1 3 s l 。麦贝恩( m c b a i n ) ，福特( f o r d ) ，维尔逊( w i l s o n ) 等人曾将溶液的表面张力随浓度改变的曲线分为三大类型。如图8 所示，a 型曲 ：萎碜 r 卷 僖 懈2 5 图8 表面张力浓度曲线主要类型示意图 线表示表面张力降低，这是最为普遍的一种类型，绝大多数有机化合物属于此类。 t 4 第二章喷墨打印方法的理论基础 b 型曲线表示表面张力稍有升高，此类不多，强电解质及某些多烃化合物属于此 类。c 型曲线表示表面张力的下降幅度更大，十二烷基磺酸钠( 肥皂水) 等两亲 化合物质，表面活性物质属于此类。 由图8 所示试验曲线可见，溶液的表面张力与浓度之间的关系比较复杂，定 量的讨论比较困难，尽管如此，人们还是希望能有一些理论公式或经验公式来描 述溶液浓度和表面张力的关系。下面介绍一些关系式，但需注意，这些公式的使 用都有很大的局限性。 哥根汉( g u g g e n h e i n ) 曾用热力学的方法求得溶液浓度和表面张力的理论关 系，他假定溶液为理想溶液，则有： 式中，l ，：分别为溶质和溶剂的克分子分数，n ，托分别为溶质和溶剂本身的表 面张力，盯为分子面积。此处假定溶质和溶剂的分子面积相等，都等于盯。，则 为所要求的溶液表面张力。 也有人提出，如果溶液的活度系数和浓度符合下述关系， 盯h 石一嘲：( 2 - 1 1 ) r t i n 凡= 一豳