CN104777530B - 一种曲面复眼透镜的制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面复眼透镜的制作方法及装置，将曲面基底固定在一个可以在三维空间内多轴旋转的转台上；调节曲面基底与喷射装置的喷嘴之间的相对位置，令喷嘴沿法线方向正对曲面基底顶部的外表面；启动喷射装置，在曲面基底外表面的顶部形成微液滴，再利用光固化装置使该微液滴固化为微透镜；之后，旋转转台，将曲面基底的下一个喷射工位旋转至顶部，经过微滴喷射及光固化再次形成微透镜；最后，按照事先规划好的喷射路径如此循环操作，在整个曲面基底的外表面形成按照一定规则排列的微透镜阵列，即为所述曲面复眼透镜。本发明利用微滴喷射及光固化技术结合多轴旋转转台制作曲面复眼透镜，不仅操作简单、周期短、精度高，而且制作成本低廉。

Description

一种曲面复眼透镜的制作方法及装置

技术领域

本发明涉及一种曲面复眼透镜的制作方法及装置，具体涉及一种基于微滴喷射与光固化技术在曲面基底上获得复眼透镜的制作方法及装置。

背景技术

曲面仿生复眼具有体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点，在军事、医疗、航天航空、特殊目标搜索与跟踪、身份识别、测速和均匀照明等领域都有广阔的应用前景，其中，曲面复眼透镜的制作是实现仿生复眼成像系统上述优点的关键技术。

曲面复眼透镜的制作瓶颈主要体现在如何在曲面基底上实现微透镜阵列的制造。传统的曲面复眼透镜制作技术，采用单个小眼透镜独立制作，然后拼接组合成曲面排布的微透镜阵列，其制造过程复杂、效率低、而且装调困难，难以实现小型化和集成化。现有较为先进的曲面复眼透镜制作技术：如直接加工法，采用特殊设备在三维曲面基底上直接进行激光刻蚀或单点金刚石加工，实现微米级复眼透镜制造，但工艺复杂，效率低，成本高。薄膜变形法是基于光刻技术首先在弹性材料的基底上制作平面复眼透镜，然后通过气压差使得基底薄膜产生变形，从而获得曲面复眼透镜，由于密封性能及基底变形程度等原因，导致无法获得精确的曲率和较为复杂的形状。因此，曲面复眼透镜的高效率、高精度及低成本的制作技术，已成为目前制约人工曲面复眼发展和应用的瓶颈。

另一方面，利用喷射点胶技术制造微透镜阵列操作简单、高效率，例如于2013年8月28日授权公告的公告号为CN102253437B、名称为“一种微透镜阵列的制备方法”的中国发明专利，然而利用该技术制造的微透镜阵列只仅能实现平面微透镜的制造，仍然无法突破在曲面基底上直接成型微透镜阵列的屏障。

发明内容

本发明针对现有曲面复眼透镜制作技术中存在的上述不足，提供了一种利用微滴喷射和光固化技术实现在曲面基底上制作曲面复眼透镜的方法及装置，通过该方法及装置制作曲面复眼透镜具有操作简单、高效率、高精度和低成本等优点，且可根据需要获取具有不同曲率及形状的曲面微复眼透镜。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种曲面复眼透镜的制作方法，将欲加工的曲面基底固定在一个可以在三维空间内多轴旋转的转台上；调节曲面基底与喷射装置的喷嘴之间的相对位置，令喷嘴沿法线方向正对曲面基底顶部的外表面；启动喷射装置，在曲面基底外表面的顶部形成微液滴，再利用光固化装置使该微液滴固化为微透镜；之后，旋转转台，将曲面基底的下一个喷射工位旋转至顶部，经过微滴喷射及光固化再次形成微透镜；最后，按照事先规划好的喷射路径如此循环操作，在整个曲面基底的外表面形成按照一定规则排列的微透镜阵列，即为所述曲面复眼透镜。

优选地，该制作方法利用CCD图像传感器采集曲面基底的图像，通过控制系统处理得到曲面基底顶点的坐标，以此为依据将所述喷嘴沿法线方向正对曲面基底顶部的外表面。

一种曲面复眼透镜的制作装置，包括框架、用于固定欲加工的曲面基底的转台、直接或间接安装在框架上可带动转台在三维空间内多轴旋转的旋转装置、安装在框架上位于转台上方的喷射装置、安装在框架上也位于转台上方的光固化装置以及控制系统。

优选地，进一步包括可带动旋转装置及其上转台或者喷射装置平移或升降的XY运动平台或/和Z轴升降平台；还包括CCD图像传感器，该CCD图像传感器安装在所述框架上，位于所述转台的上方，其用以采集所述曲面基底的图像，并将该图像传输给控制系统，通过控制系统处理得到曲面基底顶点的坐标。

优选地，所述的旋转装置包括至少两根伸缩机构、旋转工作台以及旋转电机；每根伸缩机构的下端直接或间接铰接安装在框架上，上端铰接在旋转工作台上，且各根伸缩机构在圆周方向均匀分布，该伸缩机构包括固定杆及可相对固定杆伸缩的移动杆；该旋转电机的定子部分与所述的旋转工作台连接，动子部分与所述的转台连接。

优选地，所述的伸缩机构进一步包括可起到导向作用的导向杆。

优选地，所述的伸缩机构通过一直线电机实现伸缩，该直线电机的定子即为所述的固定杆，该直线电机的动子即为所述的移动杆，且该直线电机的定子通过一个铰链直接或间接连接在框架上，该直线电机的动子通过一个球铰链连接在所述的旋转工作台上。

优选地，所述的XY运动平台安装在所述框架上，所述的旋转装置安装在该XY运动平台上，该XY运动平台用以实现旋转装置在X、Y方向上的移动；所述的Z轴升降平台安装在所述框架上，所述的喷射装置安装在该Z轴升降平台上，该Z轴升降平台用以实现该喷射装置沿着Z向进行运动。

优选地，所述的转台上安装有一个用以装夹曲面基底的装夹机构，该装夹机构采用特殊夹具或者真空吸盘；该真空吸盘可以作为所述的转台。

一种根据上述装置制作曲面复眼透镜的制作方法，包括如下步骤：

首先，进行装夹，将清洗干净的曲面基底装夹在所述转台上；

其次，进行初始定位，在初始定位过程中，控制系统的计算机控制各伸缩机构的电机驱动器，使各直线电机工作，保证曲面基底的顶点处的法线刚好沿竖直方向；然后利用CCD图像传感器采集曲面基底的图像，通过计算机处理得到曲面基底顶点的坐标，计算机控制XY运动平台的XY直线电机工作，保证曲面基底的顶点正好位于喷射装置的喷嘴下方；接着，由计算机控制Z轴升降平台的Z电机驱动器，使Z轴升降平台的Z伺服电机工作，保证喷嘴距离曲面基底顶点的高度合适；

第三，喷射与固化，在单个微透镜喷射及固化过程中，系统根据喷射轨迹判断下一个喷射位置，计算机控制旋转装置、XY运动平台及Z轴升降平台的电机驱动器，使对应的驱动电机工作，保证微滴喷射模块喷嘴在适合高度上沿曲面基底法线方向喷射形成微液滴，然后控制光固化模块形成微透镜；最后所有位置的微滴喷射与光固化完成后，即可得到所述曲面复眼透镜。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

1．本发明通过设置可以在三维空间内任意旋转的转台，带动曲面基底转动，使曲面基底的各个喷射工位可以按照预定的轨迹旋转到喷射装置的喷嘴下方，从而可以利用微滴喷射及光固化技术结合多轴旋转转台制作曲面复眼透镜，不仅操作简单、周期短、精度高，而且制作成本低廉。

2．本发明可以根据需要选择不同曲率及形状的基底材料，满足各种特殊曲面复眼透镜的制作要求，具有良好的适应性及稳定性。

附图说明

图1是本发明所述曲面复眼透镜制作装置的结构示意图；

图2是本发明所述曲面复眼透镜制作装置的控制系统示意图；

图3是本发明所述曲面复眼透镜制作流程示意图；

图4是曲面复眼透镜排列方式示意图一；

图5是曲面复眼透镜排列方式示意图二；

图6是本发明加工其中一种曲面复眼透镜微滴喷射轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种曲面复眼透镜的制作方法，具体步骤为：将欲加工的曲面基底固定在一个可以在三维空间内多轴旋转的转台上；调节曲面基底与喷射装置的喷嘴之间的相对位置，令喷嘴沿法线方向正对曲面基底顶部的外表面，可以利用CCD图像传感器采集曲面基底的图像，通过控制系统处理得到曲面基底顶点的坐标，以此为依据调节曲面基底与喷嘴之间的相对位置；然后启动喷射装置，在曲面基底外表面的顶部形成微液滴，再利用光固化装置使该微液滴固化为微透镜；之后，旋转转台，将曲面基底的下一个喷射工位旋转至顶部，经过微滴喷射及光固化再次形成微透镜；最后，按照事先规划好的喷射路径如此循环操作，在整个曲面基底的外表面形成按照一定规则排列的微透镜阵列，即为所述曲面复眼透镜。

本发明还揭示了一种曲面复眼透镜的制作装置，如图1、2所示，为本发明所述装置的较佳实施例。所述的曲面复眼透镜制作装置包括框架1、用于固定欲加工的曲面基底2的转台3、直接或间接安装在框架1上可带动转台3在三维空间内多轴旋转的旋转装置4、安装在框架1上的喷射装置5、安装在框架1上的光固化装置（图中未示出）以及控制系统，还可以进一步包括XY运动平台6、Z轴升降平台7或/和CCD图像传感器（图中未示出）。其中：

所述的框架1用以固定安装各部件，其结构形式可以有多种，对于本实施例，该框架1包括底座11、安装在该底座11上的若干立柱12、固定在立柱12顶端的连接板13。

所述的转台3用以固定欲加工的曲面基底2。为了方便所述曲面基底2的固定，可以在该转台3上安装一个装夹机构用以装夹曲面基底2，该装夹机构可以采用特殊夹具或者真空吸盘等，本实施例采用真空吸盘31吸附固定所述的曲面基底2，也可以直接以真空吸盘31作为所述的转台3。

所述的旋转装置4用以实现转台3在三维空间内的旋转，从而带动转台3上的曲面基底2在任意方向及任意角度旋转。该旋转装置4可以采用多种结构实现，本实施例优选的，该旋转装置4包括至少两根伸缩机构41、旋转工作台42以及旋转电机43。该伸缩机构41以设置三根或六根为最佳，本实施例中设置有三根伸缩机构41，每根伸缩机构41的下端直接或间接铰接在框架1上，上端铰接在旋转工作台42上，且各根伸缩机构41在圆周方向均匀分布。该伸缩机构41包括固定杆411及可相对固定杆411伸缩的移动杆412，还可以进一步包括可起到导向作用的导向杆413。为了实现固定杆411及移动杆412之间的伸缩移动，可以采用多种机构实现，本实施例中，通过一直线电机实现伸缩，即该直线电机的定子即为所述的固定杆411，直线电机的动子即为所述的移动杆412，为了方便该直线电机与上下部件的铰接，该直线电机的定子通过一个铰链414直接或间接连接在框架1上，该直线电机的动子通过一个球铰链415连接在所述的旋转工作台42上。所述的旋转电机43可以实现转台3的旋转，该旋转电机43的定子部分与所述的旋转工作台42连接，动子部分与所述的转台3连接。所述的各根伸缩机构41可以实现旋转工作台42相对水平面的旋转，设置两根伸缩机构只能实现一个方向的旋转，而设置三根相关联的伸缩机构则可以实现相对水平面任意方向的旋转。所述的旋转电机43可以带动转台3（真空吸盘31）转动，从而实现曲面基底2沿自身转轴的转动。多根伸缩机构41以及旋转电机43的联动则可以实现曲面基底2在三维空间内的任意旋转。

所述喷射装置5的喷嘴51位于所述转台3的上方，其用于将UV胶水从喷嘴51射出形成微液滴。

所述光固化装置用于将喷射成球冠形的微液滴固化为微透镜，其安装在框架1上位于所述转台3的上方。

为了方便所述曲面基底2与所述喷射装置5的喷嘴51之间的初始定位，可以进一步设置可带动旋转装置4及其上转台3或者喷射装置5平移或升降的XY运动平台6或/和Z轴升降平台7。

所述的XY运动平台6安装在所述框架1上，可以安装在所述的底座11上，所述的旋转装置4则安装在该XY运动平台6上，该XY运动平台6用以实现旋转装置4在X、Y方向上的移动，以定位转台3在这两个方向上的坐标。该XY运动平台6可以采用多种结构实现，本实施例中，该XY运动平台6包括X运动平台和Y运动平台。而X运动平台又包括X底座61、X直线电机62、X向导轨63和X动子64。X底座61固定于所述底座11上，X直线电机62安装在X底座61上，以实现X动子64沿着X向导轨63做直线运动。Y运动平台包括Y直线电机65、Y向导轨66以及Y动子67。Y直线电机65安装在X动子64上，以实现Y动子67沿着Y向导轨66的运动。所述的旋转装置4安装在所述Y动子67上。为了方便该旋转装置4的固定，该旋转装置4可以设置一个旋转装置底座44，所述的伸缩机构41安装在该旋转装置底座44上，该旋转装置底座44则安装在所述Y动子67上，从而将所述伸缩机构41间接安装在所述框架1上。

所述的Z轴升降平台7安装在所述框架1上，可以安装在所述框架1的立柱12及连接板13上，所述的喷射装置5安装在该Z轴升降平台7上，该Z轴升降平台7用以实现所述喷射装置5沿着Z向进行运动，从而实现喷射装置5与曲面基底2在竖直方向上的定位。Z轴升降平台7可以采用多种结构实现，本实施例中，该Z轴升降平台7包括Z伺服电机71、由该Z伺服电机71带动旋转的滚珠丝杠72以及与该滚珠丝杠72配合的Z升降板73。进一步的，该Z伺服电机71可以通过减速器74以及联轴器（图中未示出）与所述的滚珠丝杠72连接。该Z轴升降平台7还可以进一步包括起导向作用的滑块75以及导轨76。该Z伺服电机71可以固定于所述的连接板13上，该Z升降板73固定在所述滑块75上，滑块75与所述导轨76可以沿着导轨76进行滑动。

所述的CCD图像传感器安装在所述框架1上，位于所述转台3的上方，其用以采集所述曲面基底2的图像，并将该图像传输给控制系统，通过控制系统处理得到曲面基底顶点的坐标，再控制XY运动平台7工作，保证曲面基底2的顶点正好位于喷嘴51的下方。

所述的控制系统用以控制各部件的运动，其包括计算机81、微滴喷射模块82、光固化模块83以及运动模块84，该运动模块84包括控制各电机动作的各电机驱动器。该控制系统还进一步包括图像处理模块85。

本发明的制作流程如图3所示，步骤如下：

首先，进行装夹，将清洗干净的曲面基底2装夹在所述转台3上，本实施例中是通过真空吸盘31将所述曲面基底吸附固定。

其次，进行初始定位，在初始定位过程中，计算机81控制各伸缩机构41的电机驱动器，使各直线电机工作，保证曲面基底2的顶点处的法线刚好沿竖直方向；然后利用CCD图像传感器采集曲面基底2的图像，通过计算机81处理得到曲面基底2顶点的坐标，计算机81控制XY电机驱动器，使XY直线电机62、65工作，保证曲面基底2的顶点正好位于喷嘴51的下方；接着，由计算机81控制Z轴升降平台7的Z电机驱动器，使Z伺服电机71工作，保证喷嘴51距离曲面基底2顶点的高度合适。

第三，喷射与固化，在单个微透镜喷射及固化过程中，系统根据喷射轨迹判断下一个喷射位置，计算机81控制旋转装置4、XY运动平台6及Z轴升降平台7的电机驱动器，使对应的驱动电机工作，保证微滴喷射模块喷嘴在适合高度上沿曲面基底2法线方向喷射形成微液滴，然后控制光固化模块形成微透镜。最后所有位置的微滴喷射与光固化完成后，即可得到所述曲面复眼透镜。曲面复眼透镜的排列方式不同，可以设计不同的喷射轨迹，如图4、5为其中两种排列方式的曲面复眼透镜。

如图6所示，为其中一种曲面复眼透镜喷射喷射轨迹的示意图。以该喷射轨迹为例，喷射具体过程如下：给喷射装置5装上UV胶水，调节喷射装置5点胶参数，控制喷射装置5的喷嘴51在曲面基底2上进行点胶操作。此时喷射位置对应曲面基底2的顶部即图6中的1位置，喷射完成后在紫外光照射下固化，固化完成后即得到凸点。三根伸缩机构41的直线电机运动，使其中两个拉伸，另一个收缩，使喷嘴51正对曲面基底2的工位2，再依次进行点胶操作和紫外光照射固化，得到此处的凸点。然后控制旋转电机43带动转台3转动一定的角度，使喷嘴51正对曲面基底2的工位3，重复以上操作得到此处凸点。再按照图6箭头所示的轨迹由旋转电机43让转台3依次旋转到各个工位来形成凸点。旋转至工位7时，此时控制各伸缩机构41，使喷嘴51正对曲面基底2的工位8，用同样的方法对这一圈所在的工位重复上诉操作得到凸点。当所有工位喷射完成时，即得到所需的曲面微透镜阵列。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (9)

1.一种曲面复眼透镜的制作方法，其特征在于：将欲加工的曲面基底固定在一个可以在三维空间内多轴旋转的转台上；调节曲面基底与喷射装置的喷嘴之间的相对位置，令喷嘴沿法线方向正对曲面基底顶部的外表面；利用CCD图像传感器采集曲面基底的图像，通过控制系统处理得到曲面基底顶点的坐标，以此为依据将所述喷嘴沿法线方向正对曲面基底顶部的外表面；启动喷射装置，在曲面基底外表面的顶部形成微液滴，再利用光固化装置使该微液滴固化为微透镜；之后，旋转转台，将曲面基底的下一个喷射工位旋转至顶部，经过微滴喷射及光固化再次形成微透镜；最后，按照事先规划好的喷射路径如此循环操作，在整个曲面基底的外表面形成按照一定规则排列的微透镜阵列，即为所述曲面复眼透镜。

2.一种曲面复眼透镜的制作装置，其特征在于：包括框架（1）、用于固定欲加工的曲面基底（2）的转台（3）、直接或间接安装在框架上可带动转台在三维空间内多轴旋转的旋转装置（4）、安装在框架上位于转台上方的喷射装置（5）、安装在框架上也位于转台上方的光固化装置以及控制系统。

3.根据权利要求2所述的一种曲面复眼透镜的制作装置，其特征在于：进一步包括可带动旋转装置（4）及其上转台（3）或者喷射装置（5）平移或升降的XY运动平台（6）或/和Z轴升降平台（7）；还包括CCD图像传感器，该CCD图像传感器安装在所述框架（1）上，位于所述转台（3）的上方，其用以采集所述曲面基底（2）的图像，并将该图像传输给控制系统，通过控制系统处理得到曲面基底顶点的坐标。

4.根据权利要求2或3所述的一种曲面复眼透镜的制作装置，其特征在于：所述的旋转装置（4）包括至少两根伸缩机构（41）、旋转工作台（42）以及旋转电机（43）；每根伸缩机构的下端直接或间接铰接安装在框架（1）上，上端铰接在旋转工作台（42）上，且各根伸缩机构在圆周方向均匀分布，该伸缩机构（41）包括固定杆（411）及可相对固定杆伸缩的移动杆（412）；该旋转电机（43）的定子部分与所述的旋转工作台（42）连接，动子部分与所述的转台（3）连接。

5.根据权利要求4所述的一种曲面复眼透镜的制作装置，其特征在于：所述的伸缩机构（41）进一步包括可起到导向作用的导向杆（413）。

6.根据权利要求4所述的一种曲面复眼透镜的制作装置，其特征在于：所述的伸缩机构（41）通过一直线电机实现伸缩，该直线电机的定子即为所述的固定杆（411），该直线电机的动子即为所述的移动杆（412），且该直线电机的定子通过一个铰链（414）直接或间接连接在框架（1）上，该直线电机的动子通过一个球铰链（415）连接在所述的旋转工作台（42）上。

7.根据权利要求3所述的一种曲面复眼透镜的制作装置，其特征在于：所述的XY运动平台（6）安装在所述框架（1）上，所述的旋转装置（4）安装在该XY运动平台（6）上，该XY运动平台用以实现旋转装置在X、Y方向上的移动；所述的Z轴升降平台（7）安装在所述框架（1）上，所述的喷射装置（5）安装在该Z轴升降平台上，该Z轴升降平台用以实现该喷射装置沿着Z向进行运动。

8.根据权利要求2或3所述的一种曲面复眼透镜的制作装置，其特征在于：所述的转台（3）上安装有一个用以装夹曲面基底的装夹机构，该装夹机构采用特殊夹具或者真空吸盘（31）；该真空吸盘可以作为所述的转台（3）。

9.一种根据权利要求2-8之一所述装置制作曲面复眼透镜的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，进行装夹，将清洗干净的曲面基底（2）装夹在所述转台（3）上；

其次，进行初始定位，在初始定位过程中，控制系统的计算机（81）控制各伸缩机构（41）的电机驱动器，使各直线电机工作，保证曲面基底（2）的顶点处的法线刚好沿竖直方向；然后利用CCD图像传感器采集曲面基底的图像，通过计算机处理得到曲面基底顶点的坐标，计算机控制XY运动平台（6）的XY直线电机工作，保证曲面基底的顶点正好位于喷射装置（5）的喷嘴（51）下方；接着，由计算机控制Z轴升降平台（7）的Z电机驱动器，使Z轴升降平台的Z伺服电机工作，保证喷嘴距离曲面基底顶点的高度合适；

第三，喷射与固化，在单个微透镜喷射及固化过程中，系统根据喷射轨迹判断下一个喷射位置，计算机（81）控制旋转装置（4）、XY运动平台（6）及Z轴升降平台（7）的电机驱动器，使对应的驱动电机工作，保证微滴喷射模块喷嘴在适合高度上沿曲面基底法线方向喷射形成微液滴，然后控制光固化模块形成微透镜；最后所有位置的微滴喷射与光固化完成后，即可得到所述曲面复眼透镜。