基于微流体脉冲喷射的微透镜阵列制备技术及实验研究

发布时间：2018-11-24 19:27

【摘要】：微透镜及微透镜阵列在众多的工程应用以及国防科技领域有着重要的应用价值和广阔的前景,然而,微透镜阵列的实际制作水平仍然落后于其理论设计水平,微透镜阵列的加工问题成为微透镜发展及应用首先需要解决的问题。微透镜阵列的制备大多需要昂贵的设备和复杂的工艺,因此,高效率、低成本、低功耗的微透镜阵列制作技术成为人们关注的热点问题。本文以微透镜阵列制备技术为目标,系统地研究基于微流体脉冲喷射技术的平面微透镜阵列、高数值孔径微透镜阵列以及曲面微透镜阵列的制备,并对制得的微透镜阵列性能进行评估。本文以微流体脉冲-驱动控制技术为起点,对微流体脉冲喷射的形成原理进行了分析。基于理论分析结果,采用计算流体力学方法对液滴微喷射的主液滴及卫星液滴形成过程进行了数值分析,研究了微喷射系统参量及微喷射液体性质对微喷射形成以及微喷射液滴直径的影响规律。以显微频闪拍摄系统观测了微喷射液滴的主液滴及卫星液滴的形成过程。为微流体脉冲喷射的形成提供了理论依据。研究了微喷射系统参量对微流体脉冲喷射稳定性和微喷射液滴体积的影响。通过合理地控制微喷射参数,可以实现稳定的液滴微喷射及微喷射液滴体积的控制。为微液滴的稳定、可控微喷射提供了实验依据。理论分析了微液滴在不同固壁上的润湿性及微液滴与基板的撞击过程,为在不同固壁上沉积成型微液滴提供了理论依据。基于微流体脉冲喷射技术,提出了一种新型的超高F数圆形及柱状平面微透镜阵列、多尺度平面微透镜阵列制备方法。将紫外光固化胶(UV胶)按需喷射到经过特殊表面处理的基底上,经过紫外光固化后形成微透镜阵列。实现了F数为11.5超高F数微透镜、微透镜直径与接触角在一定范围内可控的多尺度微透镜的制备。微透镜及微透镜阵列的性能测试结果表明,微透镜具有较好的表面轮廓及表面粗糙度;制得的超高F数微透镜理论上可以达到衍射极限成像;微透镜阵列具有良好的成像及聚焦效果。基于微流体脉冲喷射,可实现超高F数微透镜及多尺度微透镜的低成本、简单及快速制备。基于微流体脉冲喷射技术与液体模塑工艺,提出了一种新型的高数值孔径半球以及超半球微透镜阵列制备方法,将甘油水溶液按需喷射到疏水或超疏水基底上,并以甘油微液滴作为液体阳模,然后采用液体模塑工艺制得高数值孔径的微透镜。制得了数值孔径为0.68的半球微透镜,接触角变化范围为120°-150°的超半球微透镜。理论及实验分析结果表明,甘油微液滴与疏水或超疏水基底间的高粘附特性保证了甘油微液滴在液体模塑工艺过程中的位置精度,而两者间的高粘附特性归因于甘油微液滴在疏水或超疏水基底上处于Wenzel润湿状态。高数值孔径微透镜的性能分析与测试结果表明,高数值孔径微透镜表面形貌良好,且高数值孔径微透镜阵列的多重成像及聚焦、焦距等特性与理论分析结果较为吻合。基于微流体脉冲喷射与液体模塑工艺制备高数值孔径微透镜阵列,甘油微液滴较UV胶等聚合物易在疏水或超疏水基底上形成大接触角,甘油成本低、化学惰性好,且整个制备过程无需在特定的无UV光的黄光室内进行。基于微流体脉冲喷射技术与模塑工艺,提出了一种新型的曲面微透镜阵列制备方法,采用微流体脉冲喷射技术制得的平面微透镜阵列作为阳模,经过模塑及软光刻工艺制得曲面微透镜阵列。曲面微透镜阵列曲面基底微复型过程的变形分析结果表明,曲面微透镜的最大变形率在10%以内,且微透镜在微复型过程中依然保持了良好的表面粗糙度;曲面微透镜阵列的多重成像及聚焦特性表明,每个微透镜单元都具有良好的成像及聚焦功能;且曲面基底曲率半径为1.8 mm、5.1 mm的曲面微透镜阵列的最大视场角分别可达140°及120°。基于微流体脉冲喷射制备平面微透镜阵列作为曲面微透镜阵列阳模,具有阳模制备简单、快速与直接成型的特点;且曲面微透镜微复型工艺过程中曲面微透镜的变形较小。
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【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74

【参考文献】