CN102230979A - 批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法 - Google Patents
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Abstract
批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法，它涉及一种批量制备二元光学元件的方法。本发明为了解决现有光学加工技术在连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备中存在高成本、低精度、低效率的问题。本发明采用金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理；将经过车削预处理的非铁基材料的工件进行金刚石超精密车削加工，完成二元光学元件压模的制备；将压模采用微热压印成型技术压印到聚合物上；采用刻蚀技术或者剥离技术将聚合物上的连续浮雕结构转移至石英材料上，最终获得材料为石英的光学元件；重复上述步骤即可完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。本发明适用于二元光学元件的批量制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种批量制备二元光学元件的方法，具体涉及一种批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法，属于二元光学元件的制备领域。
背景技术
随着二元光学技术的发展，二元光学元件已广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其它特殊系统中。二元光学元件区别于传统光学元件的基本特征在于其特有的表面浮雕结构。相对于传统光学元件，二元光学元件除了具有体积小、重量轻、造价低等显而易见的优点外，还具有许多独特的功能和特点，如较高的衍射效率、独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性、特殊的光学性能等。
二元光学元件的表面浮雕结构一般可分为二阶浮雕结构、多阶浮雕结构和连续浮雕结构。相对于二阶和多阶浮雕结构，连续浮雕结构由于其极高的衍射效率及良好的光学使用性能正在越来越多的受到青睐，开辟了二元光学领域的新视野。目前二元光学领域用于连续浮雕结构的主要加工方法是激光直写和电子束直写技术，直写技术利用可变剂量的逐点曝光控制曝光深度，经显影和刻蚀后得到所设计的连续浮雕结构。但是直写技术的加工设备成本比较高，工艺复杂，加工效率低，轮廓控制精度低，严重阻碍了其产业化进程。
现有的金刚石超精密车削加工技术以其确定性的加工特点对具有连续浮雕结构特征的结构的加工具有很大优势，能够高效地加工真正的三维结构，加工零件的成型精度达亚微米级，表面粗糙度达到纳米量级。然而现有光学加工技术如熔胶凝胶技术、热软熔技术、灰度掩模技术、反应离子刻蚀技术及直写技术等在连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备中存在高成本、低精度、低效率的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有光学加工技术在连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备中存在高成本、低精度、低效率的问题，进而提供一种批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法。
本发明的技术方案是：在石英上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：
步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤二：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具几何参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的110面，后刀面为金刚石晶面的100面，刀尖圆弧半径r为1-500μm，刀尖角χ为60-120°，刀具前角α为0°，刀具后角γ1为6-10°；
步骤三：将非铁基材料的工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：非铁基材料的工件夹装在机床主轴上，金刚石刀具固定安装在设有测力仪的刀座上，金刚石刀具通过Z向导轨和X向导轨的复合运动实现对非铁基材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1500-2500r/min，切削深度为0.1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾，完成二元光学元件压模的制备；
步骤四：将步骤三中所加工的压模采用微热压印成型技术压印到聚合物上，热压印成型的过程为：首先将制备的压模和聚合物放入热压印成型机内闭模，并将聚合物加热至玻璃转移温度以上，抽真空加热后预压，压模在真空室内压在聚合物上，热压印成型机加热的温度为150℃-200℃，预压的压力为400N-800N，然后增压，压模与聚合物充分接触，增压压力为5KN-10KN，持压，使压模上的结构能完全转印至聚合物上，持压时间为1-3分钟，最后，卸真空，待热压印成型机的温度冷却至50℃-80℃后将具有连续浮雕结构的压模脱模；
步骤五：采用刻蚀技术或者剥离技术将步骤四中聚合物上的具有连续浮雕的结构转移至石英上，最终获得具有连续浮雕结构的二元光学元件；
步骤六：重复步骤四和步骤五完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。
本发明还提供了一种在聚甲基丙烯酸甲酯上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：
步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤二：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具几何参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的110面，后刀面为金刚石晶面的100面，刀尖圆弧半径r为1-500μm，刀尖角χ为60-120°，刀具前角α为0°，刀具后角γ1为6-10°；
步骤三：将铝合金工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：铝合金工件夹装在机床主轴上，金刚石刀具固定安装在设有测力仪的刀座上，金刚石刀具通过Z向导轨和X向导轨的复合运动实现对非铁基材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1500-2500r/min，切削深度为0.1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾，完成与目标结构完全互补的二元光学元件压模的制备；
步骤四：将步骤三中所加工的压模采用微热压印成型技术压印到聚甲基丙烯酸甲酯上，热压印成型的过程为：首先将制备的压模和聚甲基丙烯酸甲酯放入热压印成型机内闭模，加热至聚合物的玻璃转移温度之上，抽真空加热后预压，压模在真空室内压在聚甲基丙烯酸甲酯上，热压印成型机加热的温度为150℃-200℃，预压的压力为400N-800N，然后增压，压模与聚甲基丙烯酸甲酯充分接触，增压压力为5KN-10KN，持压，使压模上的结构能完全转印至聚甲基丙烯酸甲酯上，持压时间为1-3分钟，最后，卸真空，待热压印成型机的温度冷却至50℃-80℃后将具有连续浮雕结构的压模脱模；
步骤四中的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。
步骤五：重复步骤四完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。
本发明与现有技术相比具有以下效果：1.本发明采用金刚石超精密车削加工制备二元光学元件的压模，能够实现具有不同浮雕深度的压模的超精密加工，可满足高衍射效率和短波长器件的加工要求。2.本发明采用金刚石超精密车削加工对结构复杂的连续浮雕结构可以实现一次加工成形，加工效率高，并且具有亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙度。3.本发明相对于能量辅助加工技术具有更高的加工效率、更高的加工精度、更低的加工成本及更好的工艺实现性。4.本发明结合金刚石超精密车削加工技术和微热压印成型技术的优点，具有工艺简单、效率高、重复性好、费用低的优点，可高精度并且低成本地实现具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。
附图说明
图1是菲涅尔透镜结构的金刚石超精密车削加工装置图；图2是图1的A处放大图；图3是金刚石刀具的俯视图；图4是金刚石刀具的主视图；图5是在聚甲基丙烯酸甲酯上制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的工艺流程示意图；图6是在石英上制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的工艺流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4和图6说明本实施方式，本实施方式在石英12上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：
步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤二：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具几何参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的110面，后刀面为金刚石晶面的100面，刀尖圆弧半径r为1-500μm，刀尖角χ为60-120°，刀具前角α为0°，刀具后角γ1为6-10°；
步骤三：将非铁基材料的工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：非铁基材料的工件1夹装在机床主轴2上，金刚石刀具3固定安装在设有测力仪4的刀座5上，金刚石刀具3通过Z向导轨6和X向导轨7的复合运动实现对非铁基材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1500-2500r/min，切削深度为0.1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾，完成二元光学元件压模10的制备；
步骤四：将步骤三中所加工的压模10采用微热压印成型技术压印到聚合物11上，热压印成型的过程为：首先将制备的压模10和聚合物11放入热压印成型机内闭模，并将聚合物11加热至玻璃转移温度以上，抽真空加热后预压，压模10在真空室内压在聚合物11上，热压印成型机加热的温度为150℃-200℃，预压的压力为400N-800N，然后增压，压模10与聚合物11充分接触，增压压力为5KN-10KN，持压，使压模10上的结构能完全转印至聚合物11上，持压时间为1-3分钟，最后，卸真空，待热压印成型机的温度冷却至50℃-80℃后将具有连续浮雕结构的压模10脱模；
步骤五：采用刻蚀技术或者剥离技术将步骤四中聚合物11上的具有连续浮雕的结构转移至石英12上，最终获得具有连续浮雕结构的二元光学元件；
步骤六：重复步骤四和步骤五完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。
步骤一中的金刚石刀具的刀尖圆弧半径必须小于被加工结构的最小曲率半径，并且刀尖角小于被加工结构的最小轮廓形角，同时，针对不同的加工结构，金刚石刀具的刀尖角也会有所变化。
本实施方式的步骤一是为了获得良好的表面粗糙度及平面度。
本实施方式的玻璃转移温度是聚合物的一个重要工艺参数，在此温度以上聚合物表现出弹性，在此温度以下，聚合物表现出脆性。步骤四中所使用的玻璃转移温度为90℃-110℃。
具体实施方式二：结合图1-图4和图6说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的聚合物11为丙烯酸、聚碳酸酯、环烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯或芳香环聚合物。适用于二元光学元件的批量制备。其它方法步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式在聚甲基丙烯酸甲酯9上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：
步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤二：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具几何参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的110面，后刀面为金刚石晶面的100面，刀尖圆弧半径r为1-500μm，刀尖角χ为60-120°，刀具前角α为0°，刀具后角γ1为6-10°；
步骤三：将铝合金工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：铝合金工件1夹装在机床主轴2上，金刚石刀具3固定安装在设有测力仪4的刀座5上，金刚石刀具3通过Z向导轨6和X向导轨7的复合运动实现对非铁基材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1500-2500r/min，切削深度为0.1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾，完成与目标结构完全互补的二元光学元件压模8的制备；
步骤四：将步骤三中所加工的压模8采用微热压印成型技术压印到聚甲基丙烯酸甲酯9上，热压印成型的过程为：首先将制备的压模8和聚甲基丙烯酸甲酯9放入热压印成型机内闭模，加热至聚合物的玻璃转移温度之上，抽真空加热后预压，压模8在真空室内压在聚甲基丙烯酸甲酯9上，热压印成型机加热的温度为150℃-200℃，预压的压力为400N-800N，然后增压，压模8与聚甲基丙烯酸甲酯9充分接触，增压压力为5KN-10KN，持压，使压模8上的结构能完全转印至聚甲基丙烯酸甲酯9上，持压时间为1-3分钟，最后，卸真空，待热压印成型机的温度冷却至50℃-80℃后将具有连续浮雕结构的压模脱模；
步骤四中的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯9。
步骤五：重复步骤四完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。
Claims (3)
1.一种批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法，其特征在于：在石英(12)上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：
步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤二：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具几何参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的(110)面，后刀面为金刚石晶面的(100)面，刀尖圆弧半径(r)为1-500μm，刀尖角(χ)为60-120°，刀具前角(α)为0°，刀具后角(γ1)为6-10°；
步骤三：将非铁基材料的工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：非铁基材料的工件(1)夹装在机床主轴(2)上，金刚石刀具(3)固定安装在设有测力仪(4)的刀座(5)上，金刚石刀具(3)通过Z向导轨(6)和X向导轨(7)的复合运动实现对非铁基材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1500-2500r/min，切削深度为0.1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾，完成二元光学元件压模(10)的制备；
步骤四：将步骤三中所加工的压模(10)采用微热压印成型技术压印到聚合物(11)上，热压印成型的过程为：首先将制备的压模(10)和聚合物(11)放入热压印成型机内闭模，并将聚合物(11)加热至玻璃转移温度以上，抽真空加热后预压，压模(10)在真空室内压在聚合物(11)上，热压印成型机加热的温度为150℃-200℃，预压的压力为400N-800N，然后增压，压模(10)与聚合物(11)充分接触，增压压力为5KN-10KN，持压，使压模(10)上的结构能完全转印至聚合物(11)上，持压时间为1-3分钟，最后，卸真空，待热压印成型机的温度冷却至50℃-80℃后将具有连续浮雕结构的压模(10)脱模；
步骤五：采用刻蚀技术或者剥离技术将步骤四中聚合物(11)上的具有连续浮雕的结构转移至石英(12)上，最终获得具有连续浮雕结构的二元光学元件；
步骤六：重复步骤四和步骤五完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。
2.根据权利要求1所述的批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法，其特征在于：步骤四中的聚合物(11)为丙烯酸、聚碳酸酯、环烯烃、聚甲基丙烯酸甲酯或芳香环聚合物。
3.一种批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法，其特征在于：在聚甲基丙烯酸甲酯(9)上批量制备具有连续浮雕结构的二元光学元件的方法的具体过程如下：
步骤一：采用圆弧半径R为3mm的金刚石刀具对非铁基材料的工件表面进行车削预加工处理，车削预加工处理的具体参数为：主轴转速2000-2500r/min，切削深度0.1-20μm，进给速度0.1-3mm/min，切削液为煤油油雾；
步骤二：确定金刚石刀具的几何参数，金刚石刀具几何参数为：刀具前刀面为金刚石晶面的(110)面，后刀面为金刚石晶面的(100)面，刀尖圆弧半径(r)为1-500μm，刀尖角(χ)为60-120°，刀具前角(α)为0°，刀具后角(γ1)为6-10°；
步骤三：将铝合金工件进行金刚石超精密车削加工，车削加工的过程为：铝合金工件(1)夹装在机床主轴(2)上，金刚石刀具(3)固定安装在设有测力仪(4)的刀座(5)上，金刚石刀具(3)通过Z向导轨(6)和X向导轨(7)的复合运动实现对非铁基材料的工件的加工；车削加工参数为：主轴转速为1500-2500r/min，切削深度为0.1-5μm，进给速度为0.3-1mm/min，切削液为煤油油雾，完成与目标结构完全互补的二元光学元件压模(8)的制备；
步骤四：将步骤三中所加工的压模(8)采用微热压印成型技术压印到聚甲基丙烯酸甲酯(9)上，热压印成型的过程为：首先将制备的压模(8)和聚甲基丙烯酸甲酯(9)放入热压印成型机内闭模，加热至聚合物的玻璃转移温度之上，抽真空加热后预压，压模(8)在真空室内压在聚甲基丙烯酸甲酯(9)上，热压印成型机加热的温度为150℃-200℃，预压的压力为400N-800N，然后增压，压模(8)与聚甲基丙烯酸甲酯(9)充分接触，增压压力为5KN-10KN，持压，使压模(8)上的结构能完全转印至聚甲基丙烯酸甲酯(9)上，持压时间为1-3分钟，最后，卸真空，待热压印成型机的温度冷却至50℃-80℃后将具有连续浮雕结构的压模脱模；
步骤四中的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(9)。
步骤五：重复步骤四完成对具有连续浮雕结构的二元光学元件的批量制备。
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