Технологія виготовлення мікролінз з крапель рідких фотополімеризаційних композицій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.27. 06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Технологія виготовлення мікролінз з крапель рідких фотополімеризаційних композицій

Лаба Ганна Петрівна

Львів 2002

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі лазерної техніки та оптоелектронних систем Національного університету “Львівська політехніка”

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Бобицький Ярослав Васильович, завідувач кафедри лазерної техніки та оптоелектронних систем Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор Ціж Богдан Романович, завідувач кафедри загальнотехнічних дисциплін Львівської державної академії ветеринарної медицини імені С.З. Гжицького

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Муравський Леонід Ігорович, виконуючий обов'язки завідувача відділу оптико-електронних інформаційних систем Фізико-механічного інституту імені Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів

Провідна установа Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ

Захист відбудеться “ 17 ” травня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.12 у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд. 124 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий “ 16 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.ф.-м.н, проф. Заячук Д.М.

1. Загальна характеристика роботи

мікролінза фотополімеризація фокусний оптоелектроніка

Актуальність теми. Для ефективної роботи оптоелектронних пристроїв, що мають широке застосування, необхідні лінзи та мікролінзи для формування паралельного напрямленого пучка, фокусування випромінювання лазерних діодів, для формування діаграми випромінювання світлодіодів, фокусування пучка променя на робочу площадку фотодіодів та введення випромінювання в оптичне волокно. Такі лінзи та лінзові растри використовують як об'єктиви в сканерах, копіювальних апаратах, цифрових відеокамерах і т.д. Інтенсивний розвиток оптоелектроніки спонукає до розробки нових та вдосконалення існуючих способів виготовлення лінз, спрямованих на здешевлення та спрощення технологічних процесів.

За останні роки в оптичному приладобудуванні все ширше застосовують полімерні вироби, виготовлені з рідких фотополімеризаційних композицій. Це пов'язано насамперед з тим, що полімери, порівняно з відповідними скляними та кристалічними виробами, є дешевшими та простішими у виготовленні і експлуатації, хоч дещо поступаються за оптичною якістю. Проте у випадках, коли не висуваються дуже високі вимоги до оптичної якості середовищ, застосування пластикових лінз може бути дуже ефективним, наприклад, для схем з використанням полімерних багатомодових волокон.

Тому науковці та інженери технологічно розвинених країн інтенсивно працюють над проблемами, що пов'язані з використанням полімерних матеріалів для виготовлення лінз та мікролінз. Проте наукових праць, які стосуються даної проблематики, у вітчизняній літературі практично немає. З іншого боку, оптоелектронна техніка, що пов'язана з генерацією та формуванням світлових пучків, досить широко представлена в українській академічній науці та виробництві. Тому розробка дешевої серійної технології з виробництва мікролінз є досить актуальною для України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри дослідження нелінійних процесів взаємодії лазерного випромінювання з гетерогенними системами, розробка лазерних технологій та оптоелектронних систем, зокрема, є складовою частиною теми ДБ/ФОЛАЗ “Розробка основ лазерних технологій періодичних структур як елементів оптоелектронних приладів”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці технології виготовлення полімерних плоско-опуклих мікролінз з контрольованими параметрами методом фотополімеризації лежачої краплі рідкої фотополімеризаційної композиції для потреб оптоелектроніки.

Для досягнення мети в роботі були вирішені такі завдання:

знаходження критеріїв застосування методу виготовлення мікролінз фотополімеризацією лежачої краплі;

підбір рідких фотополімеризаційних композицій для виготовлення мікролінз, які прозорі в оптичному діапазоні та ближній інфрачервоній області, нетоксичні, полімеризуються на повітрі, утворюючи просторово зшиту структуру, мають низьке хемічне осідання;

проектування і виготовлення лабораторного устаткування для формування і дослідження основних параметрів мікролінз;

розробка програмного забезпечення для тестування і контролю основних технологічних параметрів і характеристик мікролінз;

дослідження спектра поглинання рідких фотополімеризаційних композицій в УФ діапазоні для здійснення процесу фотополімеризації та дослідження хемічного осідання матеріалу після полімеризації;

дослідження залежності форми мікролінз від контактного кута і об'єму краплі композиції;

визначення фокусувальних властивостей і роздільної здатності виготовлених мікролінз;

дослідження оптичних властивостей середовища виготовлених мікролінз: однорідності залежно від технологічних режимів формування, показника заломлення та спектральних характеристик.

Об'єкт дослідження полімерні мікролінзи.

Предмет дослідження метод виготовлення мікролінз фотополімеризацією лежачої краплі.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використовувались теоретичні і експериментальні методи досліджень. Теоретичні дослідження виконані на основі теорії капілярності з застосуванням аналітичних і числових методів з широким використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження проводились на спеціально розробленій і змонтованій лабораторній установці на базі телевізійної оптико-цифрової системи із використання спеціально розробленого програмного забезпечення для обробки зображень. Для вивчення фокусувальних властивостей виготовлених мікролінз та їх оптичного середовища адаптовано класичні методи макрооптики з використанням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури.

Наукова новизна одержаних результатів

Вперше використано та експериментально доведено придатність для виготовлення мікролінз епоксиакрилатних рідких фотополімеризаційних композицій АКЕД/ДМАМ і ДМАМ.

Запропоновано використовувати різницю між об'ємом краплі, вираженим формулою Пуассона, і об'ємом кульового сегмента як критерій сферичності для оцінки величини спотворення поверхні лежачої краплі дією гравітаційного поля.

Вперше теоретично обгрунтовано межі застосування методу виготовлення мікролінз з лежачих крапель з допомогою введеного критерію сферичності.

Розроблено метод прогнозування фокусної відстані мікролінз шляхом визначення функціональної залежності радіуса кривизни мікролінзи від об'єму краплі, базуючись на теорії капілярності.

Практичне значення одержаних результатів

Розроблено лабораторну установку для виготовлення мікролінз на базі телевізійної оптико-цифрової системи і відповідне програмне забезпечення для обробки зображень мікролінз в процесі їх формування.

Доведено, що мікролінзи, які виготовляються даним методом, вільні від внутрішніх залишкових напружень і мають високу повторюваність оптичних характеристик при багаторазовому виготовленні в однакових умовах, тому такий метод може використовуватися для серійного виготовлення мікролінз.

Мікролінзи, виготовлені з допомогою розробленої технології, мають характеристики, які дозволяють використовувати їх як оптичні елементи оптоелектронних схем.

Особистий внесок здобувача. Доведено придатність теорії капілярності для аналізу форми мікролінз та визначені окремі задачі та методи дослідження. Автор провела теоретичні дослідження, безпосередньо брала участь в експериментах, в розробці принципових схем і виготовленні вузлів лабораторних установок. Аналіз отриманих результатів, а також підготовка статей до публікації виконані у співавторстві згідно з наведеним списком публікацій. Основні положення, що виносяться на захист, та висновки дисертації сформульовано автором особисто.

У наукових працях, опублікованих із співавторами, автору дисертації належить: у [1] оглядовий і порівняльний аналіз наукової літератури за методами виготовлення мікролінз та їх використання в оптоелектронних системах; у [9] оцінка і розрахунок форми виготовлених автором мікролінз; у [3,4,10] застосування для оцінки форми мікролінз теорії капілярності та обгрунтування достовірності результатів експериментальними даними; у [2,5,11,12] створення алгоритмів для розрахунку профільних зображень мікролінз та основні результати тестування виготовлених автором лінзових елементів; у [6] проведені експерименти з дослідження фокусувальних властивостей мікролінз, обробка й аналіз отриманих результатів; у [7] участь в теоретичних дослідженнях критерію утворення сферичної форми крапель, обробка теоретичних результатів та їх порівняння з експериментально отриманими результатами виготовлення лінз; у [8] участь в експериментах, обробка та інтерпретація результатів двозаломлення виготовлених мікролінз.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на конференціях: SPIE конференції міжнародної асоціації інженерів-оптиків “Optoelectronic and hibrid optical/digital systems for image and signal processing” (Львів, Україна, 1999), II Міжнародному Смакуловому симпозіумі “Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики” (Тернопіль, Україна, 2000), Міжнародній конференції “Прогрессивные технологии и системы машиностроения” (Донецьк, Україна, 2000), International conference “Material Testing and Research” (Nuremberg, Germany, 2001), а також на щорічних конференціях професорсько-викладацького складу електрофізичного факультету Національного університету “Львівська політехніка” у 1997-2001 рр.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 праць, з них 8 статті у фахових журналах, 1 патент на винахід та 3 матеріали конференцій.

Обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, додатків. Робота викладена на 153 сторінках, містить 52 рисунки та 7 таблиць, 5 додатків, 2 акти впровадження результатів роботи. Список літератури становить 114 посилань. Основний зміст роботи викладено на 117 сторінках.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначена мета та основні завдання досліджень, наведені відомості про наукову новизну отриманих в дисертації результатів, їх практичне значення та особистий внесок дисертанта. Представлені відомості про апробацію роботи і публікації.

У першому розділі зроблено аналіз науково-технічної літератури, в якому розглянуто основні типи мікролінз, що використовуються в оптоелектроніці, і методи їх виготовлення. Визначено основні напрямки досліджень.

На основі огляду літератури прийнято, що термін “мікролінза” стосується лінз з розмірами в діаметрі основи від 30 мкм до 4 мм. Такі мікролінзи використовуються в оптоелектронних пристроях і схемах для ефективної передачі і перетворення світлового сигналу.

Зазначено перспективність формування полімерних оптичних матеріалів через відносну дешевизну, простоту у виготовленні та експлуатації. Зокрема, для виготовлення окремих оптичних деталей як вихідний матеріал все частіше вибирають рідкі фотополімеризаційні композиції, оскільки полімерний матеріал, отриманий шляхом фотополімеризації, має високу хемічну чистоту. Реакція фотополімеризації є простішою технологічно, менш трудомісткою та енергоємною. Її ККД є набагато вищим порівняно, наприклад, з термосинтезом.

Описано і проаналізовано основні методи виготовлення мікролінз з полімерних матеріалів або на полімерних основах. Показано, що існуючі методи виготовлення базуються на складних технологіях і використовують дорогу апаратуру. Так, виготовлення планарних мікролінз з використанням дифузії і обміну, є тривалим в часі і такі лінзи не позбавлені аберацій. Методи виготовлення мікролінз охолодженням розплавленого фоторезисту використовують складну і, знову таки, довготривалу технологію фотолітографії. Причому тут важко забезпечити температурну стабільність системи. Способи виготовлення мікролінз у спеціальних формах є простими та дешевими, але тут надзвичайно високі вимоги до форм, і такі методи ускладнюють масове виготовлення. Хоч створення градієнта показника заломлення в таких методах з контролем під час введення в форму об'ємних пропорцій двох композицій з різними показниками заломлення дає майже безабераційні лінзи. Виготовлення асферичних мікролінз з крапель, поверхня яких вільно формується, потребує полірування плоскої поверхні, і такий метод передбачає виготовлення лише поодиноких елементів.

В результаті аналізу зроблено висновок, що однокроковий метод виготовлення полімерних мікролінз і матриць мікролінз, який полягає в полімеризації крапель рідкої фотополімеризаційної композиції (РФПК), що знаходяться у вільному стані на твердій горизонтальній підкладці, є найбільш перспективний. Такий метод відрізняється простотою, дешевизною та можливістю серійного виготовлення. Відомі окремі результати досліджень таких мікролінз та методу їх виготовлення не дозволяють контролювати форму елементів та їх фокусну відстань. Для цього необхідно визначити межі використання методу за критерієм сферичності і знайти технологічні умови, які дозволять отримати наперед задану фокусну відстань для забезпечення масового серійного виготовлення мікролінз.

У другому розділі розроблено і описано схему, принцип дії змонтованого лабораторного пристрою для виготовлення мікролінз і алгоритми програмного забезпечення для їх тестування.

Запропоновано основну схему методу виготовлення мікролінз, котрий названий нами методом фотополімеризації лежачої краплі. За цим методом краплю рідкої композиції з допомогою мікрошприца наносять на горизонтальну підкладку і в стаціонарному стані опромінюють УФ світлом, як показано. Такий метод передбачає створення однорідних плоско-опуклих мікролінз із сферичною опуклою поверхнею.

Виготовлено пристрій технологічного контролю форми мікролінз, блок-схема та принцип дії якого описано в підрозділі 2.2. дисертації. Розробка пристрою мала на меті поєднання засобів виготовлення та тестування основних параметрів мікролінз. Установка забезпечена столиком, на якому розміщується підкладка для мікролінзи, шприцом-капіляром, з допомогою якого наноситься композиція, і УФ-лампою для опромінення крапель. Оскільки, виходячи з методик вимірювання поверхневого натягу, за основний спосіб оцінки форми мікролінзи взято її профільне зображення, то лабораторний пристрій базується на телевізійній оптико-цифровій системі. Використання ПЗЗ-камери дозволяє спостерігати за формуванням мікролінзи на моніторі. Завдяки спряженню установки з комп'ютером передбачена можливість фіксування електронного зображення мікролінзи чи краплі у вигляді растрового файлу. Це дає перевагу в автоматизації вимірювань, накопиченні даних, у розрахунку форми крапель та мікролінз з використанням відповідного програмного забезпечення. Використовується програмне забезпечення, яке створено в пакеті MathСad.

Програми обробки та розрахунку профільного зображення крапель і мікролінз реалізовано з допомогою числової матриці, кожен елемент якої відповідає одному пікселу зображення. Тобто растрове зображення, яке складається з елементів зображення пікселів, перетворювали у числовий формат в шкалі яскравості 0-255. Для зручності зображення профілю мікролінзи приводили до інвертованого чорно-білого, числовий масив якого нормувався. Це означає, що кожен піксел профілю описано одиницею, а кожен піксел поза ним нулем. Просумувавши всі елементи в кожному стовпці матриці, отримували геометричне місце точок, відображення яких у декартовій системі координат дало контур мікролінзи. За контуром розраховувався контактний кут , радіуси кривизни в меридіональній площині R1 (площині рисунка) та R2 в перпендикулярній до неї площині, а також висоту мікролінзи h, радіус основи r та об'єм V. За рівністю між R1 і R2 визначали сферичність зразка. Введення зображення в комп'ютер та визначення контуру кривизни на такій установці проводиться з відносною похибкою 1%.

Третій розділ присвячено розробці технології виготовлення мікролінз з РФПК методом фотополімеризації лежачої краплі з наперед заданою фокусною відстанню.

Оскільки фокусна відстань пов'язана формулою лінзи з радіусом кривизни, то за параметр контролю та прогнозування обрано радіус кривизни, а за параметр дозування, виходячи з фізики рідин, об'єм композиції. Відповідно до цього запропоновано і розроблено метод контролю радіусу кривизни лінзи як функції об'єму краплі на базі відомих положень теорії капілярності.

Згідно з аналізом формування краплі в гравітаційному полі на горизонтальній однорідній, не взаємодіючій з композицією підкладці, крапля набере форми кульового сегмента при умові, що величина лапласівського тиску (тиску поверхневих сил) набагато переважатиме величину гравітаційного тиску. Тому для визначення такої умови запропоновано критерій сферичності різницю між об'ємом краплі, вираженим формулою Пуассона

(1)

та об'ємом кульового сегмента, описаним формулою

, (2)

де параметр форми;

капілярна стала;

1 густина повітря;

2 густина композиції;

g прискорення вільного падіння;

Ro радіус в полюсній точці меніска;

r радіус основи краплі;

h висота краплі;

контактний кут.

Встановлено, що при однакових значеннях радіуса основи r і висоти h об'єм краплі не відрізняється від об'єму еквівалентного кульового сегмента для = 0,1 (=0,65) і практично не відрізняється для 1 при 60 (0,47), 4 і 50 (0,17) або 9 і 40 (0,08). Зауважимо, що параметр в теорії капілярності визначено як параметр форми і для крапель з формою сферичного сегмента він дорівнює нулеві, а відношення приведений об'єм, за теорією подібності є критерієм подібності.

Як вихідні матеріали використано епоксиакрилатні рідкі фотополімеризаційні композиції АКЕД/ДМАМ та ДМАМ, синтезовані в Українській академії друкарства (м. Львів). Композиції складаються з епоксиакрилатних олігомерів, метакрилатних мономерів, фотоініціатора (2,2-диметоксин-2-феніацетофенон) та домішок. Вони прозорі в оптичному діапазоні, тобто задовольняють вимоги до матеріалів, з яких виготовляють оптичні елементи, нетоксичні, полімеризуються на повітрі, створюючи просторово зшиту структуру, а тому вони тверді, не крихкі, термічно стабільні і гідрофобні. Для ефективного проведення реакції фотополімеризації досліджено спектр поглинання композицій в УФ області спектра. Визначено, що максимум поглинання ініціатора становить 372-374 нм. Відповідно до останнього результату для здійснення фотополімеризації підібрано люмінесцентну УФ лампу ЛУФ-80, одна зі смуг випромінювання якої 310-410 нм перекриває смугу поглинання фотоініціатора.

Для нанесення крапель на підкладку використано скляні тонкостінні капіляри. Капіляри з'єднувались з мікрошприцом, за допомогою якого задавався необхідний об'єм композиції. Причому об'єм рідини, здатний відірватися від капіляра, пов'язаний з властивостями рідини і залежить від радіуса внутрішнього отвору капіляра. За формулою

, (3)

де коефіцієнт, який характеризує частину рідини, яка залишається на торці капіляра,

можна визначити радіус капіляра, який необхідно використати для нанесення рідини певного об'єму. Для уникнення залежності об'єму краплі від торці капіляра обробляли антиадгезивами. Об'єм крапель при нанесенні рідини одним капіляром повторювався із середнім квадратичним відхиленням 0,2 мм3 або 210-3 мл, а відтворення радіуса кривизни при цьому відбувалося з середнім квадратичним відхиленням 0,03 мм. Для таких потреб також можна використати фармацевтичні дозувальні пристрої.

В пункті 3.1.4. описано дослідження процесу релаксації краплі на підкладці за періодичними кадрами відеоролика з профілем краплі, знятого ПЗЗ-камерою. Очевидно, що за рахунок в'язкості композиції необхідний час, після якого крапля перейде в стаціонарний стан, оскільки в стані релаксації радіус кривизни контролювати важко. За параметр контролю процесу релаксації вибрано діаметр основи краплі. Результати показали, що найдинамічніший процес розтікання відбувався протягом першої хвилини. Після двох наступних хвилин стабілізувалися контактний кут та висота краплі h. Отже, основний час релаксації краплі з ДМАМ 3 хв, а з композиції АКЕД/ДМАМ 4 хв. В стаціонарному стані досліджено залежність контактного кута , який утворюють краплі композицій АКЕД/ДМАМ і ДМАМ з різними підкладками, від об'єму крапель. Як підкладки використовувались скляні підкладки та підкладки, покриті антиадгезивами. Виявлено, що одна рідина на певній підкладці утворює подібні краплі (в межах, коли сила поверхневого натягу краплі набагато більша від сили земного тяжіння) і тому відношення є постійним. Показані контури таких крапель, які наочно засвідчують вище наведений висновок.

Зроблено висновок, що форма краплі залежить від поверхневого натягу на границях крапля-повітря і крапля-підкладка, тобто від властивостей рідини і змочування рідиною підкладки. Тому краплі, сформовані з однієї композиції на різних підкладках або з різних композицій на одній підкладці, мають різну форму.

Відомо, що полімеризаційні матеріали після затвердіння здатні до зменшення об'єму, що пояснюється явищем так званого хемічного осідання, дослідження якого описано в пункті 3.1.5 дисертації. Доведено, що після фотополімеризації сферичність поверхні крапель не спотворюється. Показано, що після полімеризації об'єм краплі осідає однорідно по поверхні краплі, тобто по радіусу кривизни, а тому ствердла крапля зберігає свою форму, хоч радіус кривизни при цьому збільшується, а контактний кут зменшується. На основі таких досліджень нами введено об'ємний коефіцієнт хемічного осідання , який дозволив вносити поправки для об'єму краплі для виготовлення лінзи з заданим радіусом кривизни. Визначені об'ємні коефіцієнти хемічного осідання для АКЕД/ДМАМ становлять 0,09, а для ДМАМ 0,12. Радіус кривизни краплі при цьому збільшується приблизно на 2-3%.

В дисертації представлено також основні результати тестування радіуса кривизни RL, діаметра основи dL, висоти hL, контактного кута L вже готових мікролінз і параметра форми . Результати вказують на те, що контактний кут не залежить від об'єму лінзи. І на склі, поверхня якого має деяку шорсткість, створені лінзи мають певний розкид параметрів, який підтверджується результатами досліджень крапель. Результати оцінки форми мікролінз, тобто параметра та відношення , узгоджуються з теоретичним результатами, наведеними в п. 3.1.1.

Як згадувалося вище, мікролінзи виготовлялися за допомогою лабораторного пристрою, описаного в підрозділі 2.2. Об'єм рідини, який можна нанести за допомогою вибраного капіляра, обчислювали за формулою (3) і відраховували за шкалою мікрошприца. Рідина, впавши на підкладку, формувалась у краплю, яка після досягнення стаціонарного стану опромінювалась УФ світлом. Лампа розміщувалась приблизно на 3-5 см від підкладки. Характерний час полімеризації для рідини АКЕД/ДМАМ 1..2 хв та для ДМАМ 3..4 хв. Матриця крапель опромінювалась після завершення її формування. Мікролінзи виготовлялись на чистих скляних підкладках і скляних підкладках, покритих гліцерином або бензиновим розчином силікону. Виявлено, що затвердлі лінзи адгезивні до скла (як до органічного, так і неорганічного), тому на таких скляних пластинах виготовлялися оптичні растри. Підкладки можуть використовуватися як монтажні елементи в робочих схемах. З використанням скляних пластин з антиадгезивами виготовляються дискретні мікролінзи, оскільки вони добре знімаються з підкладок. Гліцерин гірше працює як антиадгезив лінзи знімаються важче і можуть бути ушкодженими, а бензиновий розчин силікону більш придатний для такої задачі, причому він лягає на скляну пластину однорідною плівкою. Ствердлі лінзи залишались для підсушування в світлому і сухому місці на протягом двох діб. Після цього вони промивались бензолом від залишку мономера, який не вступив в полімеризацію через реакцію інгібіції киснем, після чого добре промивались проточною водою і висушувались на повітрі. Для протирання готових елементів використовувалась тканина фланель.

Завершальним етапом роботи було вивчення залежності радіуса кривизни мікролінзи від об'єму краплі (де RL радіус кривизни лінзи, VK об'єм краплі). Для визначення об'єму краплі використовували формулу Пуассона (1). За цією ж формулою визначали об'єм лінзи, додатково ввівши коефіцієнт хемічного осідання :

, (4)

де L контактний кут, визначений після полімеризації;

rL радіус основи мікролінзи;

hL висота мікролінзи.

Тоді для досліджених підкладок, тобто відомого контактного кута, і для заданого радіуса мікролінзи RL розраховувався радіус основи лінзи rL за властивістю сферичного сегмента:

. (5)

Для розрахунку висоти лінзи hL розв'язувалось квадратне рівняння:

. (6)

Об'єм, визначений за формулою (4), фактично дорівнює об'єму краплі, який наноситься капіляром і описаний формулою (3).

Отже, для виготовлення мікролінз із заданим радіусом кривизни необхідно:

визначити параметр для рідких мікролінз;

попередньо дослідити підкладку, на якій буде виготовлятися мікролінза, та визначити контактний кут L;

дослідити хемічне осідання матеріалу після полімеризації, визначивши коефіцієнт ;

для заданого радіуса кривизни мікролінзи RL розрахувати радіус основи rL і висоту hL за формулами (5) і (6), відповідно;

за формулою (4) порахувати об'єм рідини VK, який слід нанести на підкладку для виготовлення мікролінзи;

за формулою (3) порахувати радіус капіляра для нанесення краплі на підкладку.

За наведеним вище алгоритмом створено програму в пакеті МаthCad. Розраховані дані порівнювалися з результатами визначення радіуса кривизни і об'єму виготовлених мікролінз. Експериментальні результати нанесені на теоретично розраховані криві залежностей радіуса кривизни від об'єму крапель для відповідних контактних кутів лінз. З рисунка бачимо, що для мікролінз, виготовлених з композиції АКЕД/ДМАМ на скляній підкладці, покритій гліцерином (результати 2), та композиції ДМАМ на підкладці, покритій бензиновим розчином силікону (результати 3), спостерігається чіткий збіг з теоретичними результатами, які розраховані для крапель, тобто без врахування коефіцієнта хемічного осідання. Це ще раз підтверджує, що хемічне осідання не спотворює сферичної форми рідкої мікролінзи. Для мікролінз, виготовлених з композиції АКЕД/ДМАМ на скляній підкладці, покритій гліцерином в даному діапазоні об'ємів 2-6.5 мм3 та радіусів мікролінз 1.5-2.1 мм, спостерігається лінійна залежність, яку можна описати таким аналітичним виразом:

(7)

Емпіричне рівняння (7) описує форму та розміри мікролінз, що дозволяє легко реалізувати запропонований спосіб у вивченому діапазоні об'ємів.

Для мікролінз, виготовлених з композиції АКЕД/ДМАМ на скляній підкладці, ця залежність має складніший характер, оскільки ми вже зауважували, що виготовлені мікролінзи не подібні через неоднорідність скляної підкладки, на якій вони виготовлялись.

У четвертому розділі проведено дослідження фокусувальних властивостей виготовлених мікролінз та оптичних характеристик їх середовищ.

Представлено результати вимірювання показника заломлення полімерного матеріалу, синтезованого з композицій АКЕД/ДМАМ та ДМАМ. Вимірювання проводилися імерсійним методом Обреїмова. Визначено показник заломлення ne для зеленої області, довжини хвилі ртуті (546 нм) та середню дисперсію у видимій області спектра для ліній спектра кадмію F i C (480 нм і 643, 8 нм). Згідно з цим, для АКЕД/ДМАМ ne=1,53 і 6,5710-5, а для ДМАМ ne=1,56 і =5,6510-5. Визначена дисперсія матеріалів є типовою.

Вимірювання фокусної відстані, описані в підрозділі 4.2, проводилися з допомогою автоколімаційної схеми. Отримані дані показують високу повторюваність результатів.

В підрозділі 4.3 наведені результати дослідження двозаломлення виготовлених мікролінз. Індукована різниця фаз для досліджених мікролінз є невеликою і виміряне значення cos 1. Це означає, що такі елементи мають двозаломлення, яким можна нехтувати. Отримані результати свідчать про те, що мікролінзи, отримані методом фотополімеризації лежачої краплі, не мають помітних залишкових напружень, які можуть виникати на контакті крапля-підкладка під час полімеризації. Зафіксовані мікронеоднорідності можуть мати різну природу, в тому числі частково за рахунок забрудненості повітря та наявності мікрочастинок у вихідній композиції. Виготовлення мікролінз із спеціально чистих фотополімерів та в контрольованому повітряному середовищі дозволить уникнути дефектів такого роду.

Наведені також результати дослідження роздільної здатності виготовлених мікролінз. Мікролінза з параметрами f =8 мм , R =4,5 мм, d =3,3 мм дає розділення 20 лін/мм. Мікролінзи з радіусом кривизни до 2 мм мають роздільну здатність 40 лін/мм і фокусують випромінювання в пляму 10 мкм. В першому випадку мають місце більші відхилення від сферичності, оскільки, чим більша вага краплі, тим більший вплив гравітаційного поля на її форму. Це веде до відповідних фазових спотворень фронту хвилі, який формує така мікролінза, що впливає на якість зображення.

Отримані результати дослідження спектральних характеристик матеріалу мікролінз вказують на пропускання порядку 90% у видимій, ближній і середній ІЧ областях, тобто в діапазоні 0,5-2.8 мкм, за винятком області 0,6-0,83 мкм, де пропускання знижується на 20%.

У додатках наведені програми розрахунків та виведення неосновних для дисертаційних досліджень формул, а також документи про впровадження результатів роботи.

Основні результати роботи та висновки

У дисертаційній роботі розв'язано науково-технічну задачу розробки основ лабораторної технології виготовлення плоско-опуклих мікролінз заданої фокусної відстані на базі рідких епоксиакрилатних фотополімеризаційних композицій за методом лежачої краплі. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дали змогу зробити такі висновки:

Запропоновано вибрати за критерій сферичності різницю між об'ємом краплі, вираженим рівнянням Пуассона, та об'ємом сферичного сегмента. Згідно з цим критерієм розраховано умови: = 0,1 (=0,65) або 1 і 60 (0,47), або 4 і 50 (0,17), або 9 і 40 (0,08), які забезпечують формування крапель в полі земного тяжіння з практично сферичною вільною поверхнею. Тим самим вперше обґрунтовано та визначено межі придатності методу фотополімеризації лежачої краплі для виготовлення сферичних плоско-опуклих мікролінз. Встановлено, що в даних межах контактний кут , який утворює рідина з підкладкою, не залежить від об'єму рідини.

Розроблено метод прогнозування та контролю радіуса кривизни мікролінз як функції об'єму крапель. Створено програму розрахунку об'єму краплі за відомим радіусом кривизни мікролінзи в пакеті MathCad. Показано, що теоретичні результати узгоджуються з експериментальними. Отримано емпіричну формулу, яка відображає залежність в діапазоні об'ємів 2-6.5 мм3 та радіусів мікролінз 1.5-2.1 мм для композиції АКЕД/ДМАМ на скляній підкладці, покритій гліцерином. Ця формула дозволяє реалізувати метод виготовлення для даних композиції та підкладки.

Вперше використано для виготовлення мікролінз епоксиакрилатні композиції АКЕД/ДМАМ та ДМАМ. Визначено час релаксації крапель композиції на підкладці (АКЕД/ДМАМ 4 хв; ДМАМ 3 хв) та об'ємний коефіцієнт хемічного осідання, який для АКЕД/ДМАМ становить 0,09, а для ДМАМ 0,12. Обґрунтовано, що хемічне осідання не спотворює форми крапель (радіус кривизни краплі при цьому збільшується на 2-3%). Для ефективного проведення реакції фотополімеризації визначено максимум поглинання вихідних матеріалів (=372-374 нм). Визначено показники заломлення полімерних матеріалів, синтезованих з АКЕД/ДМАМ та ДМАМ 1,53 і 1,56 відповідно, та їх дисперсію у видимому діапазоні світла, яка має порядок 10-5. Досліджено спектри пропускання матеріалів мікролінз. В діапазоні від 0,5 до 2.8 мкм пропускання 90%, окрім області 0,6-0,83 мкм, де пропускання знижується на 20%.

Розроблено та виготовлено лабораторну установку, яка базується на телевізійній оптико-цифровій системі, що дозволяє спостереження процесу формування мікролінз на моніторі та запис зображень з відносною похибкою 1%. Розроблено програмне забезпечення для обробки зображень мікролінз.

Виготовлено мікролінзи з розмірами в діаметрі 1.5-5 мм та фокусною відстанню 2.8-10 мм. Виявлено високу повторюваність технологічного процесу, оскільки відтворення радіуса кривизни при нанесенні крапель одним капіляром досягається із середнім квадратичним відхиленням 0,03 мм. Встановлено, що виготовлені мікролінзи вільні від залишкових внутрішніх напружень, а мікролінзи з радіусом кривизни до 2 мм фокусують випромінювання в пляму розміром порядку 10 мкм при роздільній здатності 40 лін/мм.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах

Бобицький Я.В., Лаба Г.П. Техника и технология полимерных сферических микролинз для волоконно-оптичних систем // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2000. №1. С.26-32.

Лаба Г.П., Бобицький Я.В., Максименко О.П. Дослідження форми полімерних плоскоопуклих мікролінз // Вісн. ДУ “ЛП”. Сер. елементи теорії та прилади твердотільної електроніки. - 2000. - №393. С.118-122.

Бобицький Я.В., Лаба Г.П. Полімерні плоскоопуклі мікролінзи // Вісн. ДУ “ЛП”. Сер. електроніка. 2000. №397. С.28-31.

Бобицький Я.В., Лаба Г.П. Технологія виготовлення полімерних сферичних мікролінз методом лежачої краплі // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк. - 2000. - В.11. - С.74-79.

Бобицький Я.В., Лаба Г.П, Максименко О.П. Оцінка форми і характерних розмірів полімерних мікролінз за їх зображенням // Відбір і обробка інформації. 2000. В.14(90). - С.130-133.

Бобицький Я.В., Лаба Г.П., Максименко О.П. Оптичні властивості мікролінз та методи їх контролю і вимірювання // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. Київ-Львів. 2001. - С. 183-187.

Бобицький Я.В., Лаба Г.П, Максименко О.П., Шибанов В.В. Розробка способу виготовлення полімерних мікролінз // Вісн. Нац. ун-ту “Львівська політехніка”. Сер. електроніка. - 2001. - №423. - С. 24-30.

Бобицький Я.В., Лаба Г.П, Шопа Я.І. Дослідження оптичної однорідності мікролінз, виготовлених методом фотополімеризації лежачої краплі // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2001. - В. 36. - С. 223-227.

Laba H., Bobitski Ja., Maksymenko A. Shape of microlenses formed by photopolymerization method of sessile drop of liquid compositions // Proc. of SPIE. 2000. Vol. 4148. Р. 257-261.

Пат. 40210 А України, МПК 7 В29D11/00, G02B3/00. Спосіб виготовлення полімерної мікролінзи / Бобицький Я.В., Лаба Г.П.; № 2000105738; Заявл. 10.10.2000р.; Опубл. 16.07.2001р.; “ПВ”, №6, ч. ІІ. С. 1.65.

Бобицький Я.В., Лаба Г.П. Аналіз кривизни поверхні полімерних плоско-опуклих мікролінз // Матеріали II Міжнародного Смакулового симпозіуму “Фундаментальні і прикладні проблеми сучасної фізики”. Тернопіль. 2000. С. 193-195.

Laba Hanna P., Bobitski Yaroslav V. Testing of polymeric homogeneous microlenses // Proc. of International conference “MAT-2001”. Nuremberg (Germany) 2001. P. 397-401.

Анотація

Лаба Г.П. Технологія виготовлення мікролінз з крапель рідких фотополімеризаційних композицій. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 технологія, обладнання та виробництво електронної техніки, Національний університет “Львівська політехніка”, Міністерство освіти і науки України, Львів, 2002.

Дисертація присвячена розробці технології виготовлення мікролінз з рідких композицій методом фотополімеризації лежачої краплі з заданою фокусною відстанню для потреб оптоелектроніки. Розроблено та змонтовано лабораторний пристрій для виготовлення мікролінз і написано програмне забезпечення для їх тестування. За різницею, яку визначено як критерій сферичності, між об'ємами краплі і сферичного сегмента, розраховано межі застосування методу фотополімеризації лежачої краплі для виготовлення сферичних плоско-опуклих мікролінз. Як вихідні матеріали використано епоксиакрилатні рідкі фотополімеризаційні композиції вітчизняного виробництва. Доведено, що для крапель з сферичною поверхнею контактний кут не залежить від їх об'єму та що хемічне осідання не спотворює форми, яку набуває крапля. Розроблено метод прогнозування і контролю фокусної відстані мікролінз як функціональної залежності радіуса кривизни мікролінзи від об'єму краплі. Виготовлено мікролінзи з фокусною відстанню 2,8-10 мм, з роздільною здатністю 40 лін/мм та із здатністю сфокусувати світловий пучок у пляму 10 мкм, без помітного двозаломлення і з показниками заломлення 1,53 і 1,56, коефіцієнтом пропускання 90% в діапазоні 0,5-2,8 мкм, крім проміжку 0,6-0,83.

Ключові слова: мікролінза, лежача крапля, рідка фотополімеризаційна композиція, полімерний матеріал, кривизна, радіус кривизни, форма мікролінзи, фокусна відстань.

Аннотация

Лаба Г.П. Технология изготовления микролинз из капель жидких фотополимеризующихся композиций. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 технология, оборудование и производство электронной техники, Национальный университет “Львивська политехника”, Министерство образования и науки Украины, Львов, 2002.

Диссертация посвящена разработке технологии изготовления микролинз с заданным фокусным расстоянием методом фотополимеризации лежачей капли жидких композиций для потребностей оптоэлектроники. Для изготовления микролинз необходимо нанести каплю жидкости с помощью микродозатора на горизонтальную подложку и облучить УФ светом.

По методикам измерения поверхностного натяжения найден способ оценки формы микролинзы по ее профильному изображению. Профиль микролинзы в процессе ее изготовления наблюдался на мониторе телевизионной оптико-цифровой системы с ПЗС-камерой. С помощью компьютера и специального программного обеспечения двухмерные изображения фиксировались растровым файлом. Цифровая обработка файлов осуществлялась в программном пакете MathСad. Графический объект преобразовывался в числовой массив, каждый элемент которого соответствовал одному пикселю изображения. В результате определенных операций устанавливался контур профиля, по которому рассчитывались геометрические размеры и определялась форма микролинзы.

В результате теоретического анализа сделан вывод, что капля в гравитационном поле на однородной, не взаимодействующей с жидким веществом подложке, приобретает форму шарового сегмента при условии, что величина давления поверхностных сил намного больше величины гравитационного давления. Предложен критерий сферичности как разность между объемом капли, выраженным формулой Пуассона, и объемом шарового сегмента с равными высотой и радиусом основы. По этому критерию определены границы использования метода фотополимеризации лежачей капли для изготовления плосковыпуклых микролинз.

В качестве исходных материалов использованы эпоксиакрилатные жидкие фотополимеризующиеся композиции АКЕД/ДМАМ и ДМАМ отечественного производства. Они прозрачные в оптическом диапазоне, нетоксичны, полимеризуются в воздухе, образуя пространственно сшитую структуру. Они твердые, но не хрупкие, термически стабильные, гидрофобные. Для повышения эффективности изготовления микролинз и возможности контроля радиуса кривизны микролинз исследованы и определены необходимые характеристики и параметры жидких композиций: спектр поглощения, химическая усадка материала, дозирование капли и релаксация ее формы, зависимость контактного угла от природы композиции и объема капли. В результате исследований установлено, что контактный угол для практически сферических капель не зависит от объема жидкости и что усадка не искажает формы сферической микролинзы. Согласно экспериментальным и теоретическим результатам разработан метод прогнозирования и контроля фокусного расстояния микролинз посредством функциональной зависимости радиуса кривизны микролинз от объема капель, базируясь на теории капиллярности. Разработана программа расчета объема капли при заданном радиусе кривизны микролинзы. Установлено, что теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными. Получена эмпирическая формула, которая отображает зависимость в диапазоне объемов 2-6.5 мм3 и радиусов микролинз 1.5-2.1 мм для композиции АКЕД/ДМАМ на стеклянной подложке, покрытой глицерином, что позволяет реализовать метод изготовления для данной композиции и подложки. Таким образом, подтверждена возможность реализации метода фотополимеризации лежачей капли для серийного массового изготовления микролинз.

По разработанной технологии изготовлены образцы микролинз с диаметром основы 1,5-5 мм и фокусным расстоянием 2,8-10 мм, разрешающей способностью 40 лин/мм и со способностью фокусировать пучок света в пятно 10 мкм, без заметного двупреломления с показателем преломления 1,53 и 1,56 и коэффициентом пропускания 90% в диапазоне 0,5-2,8 мкм, кроме промежутка 0,6-0,83, где пропускание снижается до 70%.

Ключевые слова: микролинза, лежачая капля, жидкая фотополимеризующаяся композиция, полимерный материал, кривизна, радиус кривизны, форма микролинзы, фокусное расстояние.

Summary

Laba H.P. Manufacture technology of microlenses from drops of liquid photopolymerised compositions. Manuscript.

Thesis for a degree of candidate of technical sciences by specialty 05.27.06 technology, equipment and production of electronic technique, Lviv Polytechnic National University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Lviv, 2002.

The thesis is dedicated to the development of the manufacturing technique for microlenses from liquid compositions by the method of the photopolymerization of the sessile drop with the given focal length for needs of the optoelectronics. The laboratory set-up for the manufacture of microlenses is desined and mounted and the special software for their testing is developed. The difference between the drop volume and the volume of the spherical segment is used as the criterion for the determination of the drops sphericity. The limitations of the use of the method of the photopolymerization of the sessile drop for the manufacture of the spherical planoconvex microlenses are defined. As starting materials are used epoxyacrylate liquid photopolymerised compositions of the domestic manufacture. It is proved, that for drops with the practically spherical surface, the contact angle does not depend on their volume and, that the chemical shrinkage does not deform the form, which is gotten by the drop. The method of the prediction of the microlenses focal length as the functional dependence of the microlenses curvature radius on the drop volume is developed. The microlenses with the focal length of 2.8-10.0 mm, the resolution ~ 40 line/mm, the ability of the focusing the light beam in the spot ~ 10 m without birefringence, the refraction parameters 1.53 and 1.56 and the transmission ~ 90 % in the range of 0.5_2.8 m, except the range of 0.6_0.83 m are created.

Key words: microlens, sessile drop, liquid photopolymerised composition, polymeric material, curvature, radius of curvature, microlenses form, focal length.

Размещено на Allbest.ru