基本信息
- 项目名称：
- “蝇眼”不再神秘--制作微透镜阵列的新方法
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 微透镜阵列器件（“蝇眼”）在未来光通讯、光传感、光显示、光伏等领域有重要而广泛的应用。传统的微透镜阵列（Microlens array，MLA）制作方法设备和工艺复杂、灵活性差。本项目由纳米压印技术得到启发，提出了一种微透镜阵列的制作方法——微区压印法。微区压印法不需要复杂工艺和昂贵的精密设备，可灵活便捷地实现不同焦距、数值孔径和占空比的MLA结构，在制作工艺和成本方面比传统方法具有优势。并在此基础上开展了MLA在LCD背光模组、光伏电池、三维动态显示和有机发光二极管（OLED）等领域的研究。
- 详细介绍：
- “蝇眼”系统在未来光通讯、光传感、光信息、光伏、光显示与照明等系统中有广泛而重要的应用。蝇眼由成千上万个微透镜（Microlens）构成。由于受到装备和工艺的限制，微透镜的制备仍然是摆在人们面前的一个技术难题。本项目由纳米压印技术得到启发，提出了一种可便捷灵活制备微透镜阵列的新方法——微区压印法。该方法的基本思路是，采用二氧化硅（或电铸版）微透镜模板通过微区热压印方式逐单元制作MLA。它的主要优点在于，无需昂贵的光刻设备和复杂的工艺就可完成特征尺寸在数十微米至数毫米的微透镜的制作，微透镜阵列具有良好的形貌和均匀度。同传统制作方法相比，微区压印法在制作工艺和成本方面也具有优势，为基于微透镜阵列光电器件的研发提供了一种有效制备手段，使得神秘的“蝇眼”不再遥远。 在实现高品质微透镜阵列的制备基础上，本作品还将开发微透镜阵列器件的应用。如研发了用于背光模组的增亮扩散片，将传统的多张扩散片和棱镜片整合为一张光学薄膜，不但厚度从数毫米减少到了100微米左右，而且光学增益率最高大于40%。微透镜阵列器件在提高器件能源利用率上有重要的应用，经过设计的微透镜阵列与太阳能电池结合，可以将转化效率提高约1%；与有机发光二极管结合，可将发光效率提高20%以上。我们制作的样品性能已在北京维信诺（Visionox）科技有限公司的测试中获得了验证。精确控制微透镜焦距，与经过设计的微图文相结合，可以实现3D显示效果，在未来立体电视、多媒体显示中有重要的应用价值。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 针对传统微透镜阵列制作方法的设备和工艺复杂、灵活性差等缺点，本项目由纳米压印技术得到启发，提出一种制作微透镜阵列（MLA）的新方法——微区压印法。该方法不需要复杂工艺和昂贵的设备，在制作工艺和成本方面具有优势，为MLA器件的制备和量产提供了一种有效制备手段，使得“蝇眼”不再遥远。 创新点： 提出微区压印制作MLA及其模板的新技术方法；自主开发了基于此原理的微区压印设备；提出了光刻热熔法与微区压印法相结合的MLA及其模板制作方法；创新的提出了LCD背光模组用MLA薄膜增亮扩散片；制作了MLA器件用于提高太阳能电池转化效率、提高OLED发光效率和三维动态显示。 技术关键和主要技术指标： 1.微透镜阵列的制作 微透镜孔径10um-10mm，微透镜深宽比0-1.0，数值孔径可大于0.5，均匀度大于95%。通过预先设定的程序控制实现各种排列方式的MLA，占空比最高可达100%。 2.微区压印设备的研制 关键技术：压印力施加方式与控制；平台位移精度；控制软件和微图形生成；模板的制作。 主要技术指标：压印力0-10bar；压印温度25-350℃；压印速度大于3次/s；平台位移精度小于1um。 3.微透镜阵列的应用 1)本作品设计的层叠MLA增亮扩散片，光学增益率最高大于40%，雾度20%-90%；2)本作品设计的太阳能电池增效膜，可提高太阳能电池约1%的转化效率；3)MLA与微图形结合可实现逼真的三维动态显示效果；4)本作品制作的MLA可提高OLED约20%的发光效率。
科学性、先进性
- 1.微区压印法基于微纳米热压印原理，利用微透镜模板逐单元压印的方式，通过计算机程序预先设定不同的结构和排布，在大幅面上制作微透镜阵列结构。不需要复杂工艺和昂贵的精密设备，在制作工艺和成本方面具有优势。 2.本作品研发的一体化增亮扩散片基于层叠MLA结构，同时具有扩散和增亮的作用，在苏州维旺科技有限公司进行了光学性能检测，结果显示其光学增益率最高大于40%。已申请国家发明专利，申请号为：200910030836.5。 3.本作品结合太阳能电池结构的特点，利用微透镜阵列可提高太阳能电池约1%的转化效率。该作品已申请国家发明专利，申请号为：200910030083.8。 4.当前立体显示主要利用柱面透镜产生的水平方向的视差效应。本作品利用高品质的微透镜阵列的光学特性，实现具有横向与垂直方向的立体动态显示效果。 5.本项目制作的微透镜阵列提供给北京维信诺（Visionox）科技有限公司（中国OLED的技术领先者）试用，已初步证明（35um，46um MLA）具有20%的光效提高。
获奖情况及鉴定结果
- 1.微透镜阵列光扩散片特性研究及制备[J]，已被《苏州大学学报》录用，并将于2009年第4期刊登（录用通知见附件4）。 2.苏州维旺科技有限公司产品性能检测报告，证明增亮扩散片光学增益率约为40%（附件5）。 3.北京维信诺（Visionox）科技有限公司试用报告，证明MLA可提高OLED约20%的发光效率（附件6）。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术入股或合作
作品可展示的形式
- 模型、样品、现场展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：微区压印法能灵活、便捷地实现不同孔径和深宽比的微透镜阵列（MLA），不需要复杂的工艺和昂贵的设备，操作简单，生产周期短，效率高。在制作工艺和成本控制方面比传统方法具有优势，可规模化、产业化，批量生产MLA，经济效益可观。 适用范围：MLA具有单元尺寸小、重量轻、易集成等优点，可用于光通讯、光传感、光信息、光伏、光显示与照明等系统，也可用于图像扫描器、传真机、CCD以及医疗卫生器械中。 市场分析和经济效益预测：LCD背光模组、太阳能电池、三维动态显示和OLED均为当今世界的研究热点，本作品将MLA的制作和应用积极向这些方向推广，具有极大的实用价值和市场前景。随着科学发展观、绿色GDP等治国方针的逐步落实，节能减排工作受到政府的高度重视，建设资源节约型、环境友好型社会已是一项国策。一体化扩散增亮膜可代替多层叠合的复合光学膜片结构，降低产品成本；太阳能是一种清洁无污染的可再生能源，利用太阳能发电，与我国可持续发展战略相一致。MLA在这些领域的应用具有可观的经济和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 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的应用越来越广泛，其制作方法和工艺得到了日益深入的研究。 金刚石切削法是微透镜阵列的传统制作方法，它需要复杂的运动精度控制反馈系统，设备昂贵，金刚石刀成本高且易损坏、粗糙度差，难以在大幅面上实现高均匀度，因此通常只用来制作小面积模板。麻省理工学院(MIT)的C.R.Forest等人提出微锻造技术，改善了粗糙度，但切削和抛光两次处理要求可靠的机械运动精度，运行效率低。 光刻、刻蚀等技术是直接在材料表面制作微透镜阵列或其模板，受到普遍关注。研究单位国际上主要有韩国先进科技研究院、日本Keio大学等，国内主要有中科院成都研究所、长春光机所、哈尔滨工业大学等。光刻法通过控制曝光量空间场强度分布，在光刻胶上实现如半球形、半椭圆形和抛物形等微透镜阵列，例如灰度光刻和扩散光刻。然而，光刻胶形貌的精确控制对工艺要求极高，光刻胶表面离子引起的散射会极大影响微透镜光学性能。 光刻胶热熔法是目前制作微透镜阵列最成熟的方法。它利用熔融液体冷却时表面张力作用自然地形成微透镜曲面，粗糙度小。近年来伴随半导体工艺的进步，热熔法与光刻和激光直写技术结合，把光刻胶作为熔融介质，制得高占空比的微透镜阵列，孔径从数百微米到10微米。研究单位国际上主要有爱尔兰Dublin大学、美国RPC photonics公司、瑞士Suss公司等，国内主要有国立台湾大学等。但热熔法有三个缺点：1)微透镜的球冠高度较小，无法实现大的数值孔径；2) 光刻胶在熔化时容易粘连，无法制作高占空比的微透镜阵列；3）微透镜形状不能精确控制，工艺环境要求高。 压印法是近年来出现的制备微透镜阵列的新方法。主要有两类：一类是热软化聚合物，适用于热压印；一类是固化紫外敏感树脂材料，适用于紫外压印。本作品提出的微区压印法基于微纳米热压印原理，采用单透镜或阵列透镜逐逐步压印的方式，通过软件的智能控制可以灵活制作不同结构和阵列排布的微透镜阵列，且不需要复杂工艺和昂贵的设备，操作简便，可满足不同行业的需求。
