CN104973559A - 一种微结构阵列器件制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微结构阵列器件制造方法，包括：(1)准备用于制备注塑模芯的金属薄片；(2)准备圆柱夹具；(3)将圆柱夹具安装于加工机床上，对圆柱侧面进行超精密切削；(4)将金属薄片包裹于圆柱基底上，并紧固圆柱夹具；(5)再次对包裹金属薄片的圆柱侧面进行切削；(6)取下圆柱夹具，测量圆柱半径R；(7)根据测试好的圆柱半径R，并结合被加工微结构轮廓进行加工路径设计；(8)进行微结构单元加工；(9)对加工微结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯；(10)进行微结构产品的注塑加工。本发明的方法可以实现大范围微结构阵列器件的高效低成本制造，同时保证切削状态的稳定性从而保证微结构单元的面形高度一致性。

Description

一种微结构阵列器件制造方法

所属技术领域

本发明属于精密制造技术领域，涉及一种微结构阵列器件制造方法。

背景技术

微结构一般是由大量微小单元的重复组合，微小单元一般分布在平面基底上。功能性微结构在先进光学系统中应用广泛，可借助周期性结构缩减系统尺寸，并达到意想不到的特殊功能。比如微透镜阵列可以将手机镜头厚度从3毫米左右缩短到几百微米，同时可以装配于普通镜头中极大地提高成像系统景深。微棱镜阵列由一系列微小四面棱锥组成，具有高效逆反射光性能，广泛应用于交通警示牌的制作。

为了配合更大范围的应用，对于微结构器件的尺寸需求越来越大，同时应用中需要每个微单元应具有高度的面形一致性。但目前光刻或激光直写的方式受到工艺限制，不仅加工成本高，并且实现微单元的一致性较难。而常见的单晶金刚石切削方法，要实现大范围器件的加工，需要靠较大范围的直线导轨运动，受到环境稳定性和刀具切削状态的不稳定等限制，加工工艺很难保证长时间和长距离一致，因此，也比较难以实现微结构单元的高面形一致性。根据目前的技术现状，提出一种可以实现大范围面形高一致性微结构阵列器件制造方法是具有极大的实用价值和意义的。

发明内容

本发明旨在设计一种新型的超精密加工方法，可以用以实现大范围微结构阵列器件的高效低成本制造，同时保证切削状态的稳定性从而保证微结构单元的面形高度一致性。本发明的技术方案如下：

(1)准备用于制备注塑模芯的金属薄片1；

(2)准备圆柱夹具22，根据根据加工机床可加工范围选择圆柱基底2；在圆柱基底外表面沿轴向开设有用于固定紧固金属薄片1的部件的凹槽3；紧固金属薄片1的部件为两个平板4，用于夹持金属薄片1的两端，平板4位于凹槽3内并与圆柱基底2连接；圆柱基底2的半径R；

(3)将圆柱夹具22安装于加工机床上，圆柱夹具22的一端通过真空吸附固定于机床主轴21，金刚石刀具23垂直圆柱基底轴线放置，使用金刚石刀具23对圆柱侧面进行超精密切削，保证表面平整光滑，加工完毕后取下圆柱夹具22；

(4)将金属薄片1包裹于圆柱基底2上，并紧固圆柱夹具22使金属薄片压紧圆柱基底2的表面，并一起再次安装于加工机床上；

(5)再次对包裹金属薄片1的圆柱侧面进行切削，保证表面平整光滑；

(6)取下包裹金属薄片的圆柱夹具22，测量圆柱半径R，并再次将包裹金属薄片的圆柱夹具22固定于加工机床上；

(7)根据测试好的圆柱半径R，并结合被加工微结构轮廓进行加工路径设计；

(8)进行微结构单元加工；

(9)加工完微结构后，松卸圆柱夹具，将加工后的金属薄片从圆柱夹具上剥离，对加工微结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯7；

(10)将注塑模芯7安装于注塑模架8上，进行微结构产品的注塑加工。

本发明可实现大范围面形高一致性微结构阵列器件的批量制造。制造方法具有加工成本低，加工效率高，加工状态和稳定性高，因此，保证了高一致性单元微结构器件。

附图说明：

图1：本发明的工艺流程图，图中：

步骤1：包裹固定金属薄片；

步骤2：微结构加工；

步骤3：剥离金属薄片；

步骤4：剪裁压平为金属薄片模芯；

步骤5：模芯装配；

步骤6：受压力曲面变平整；

步骤7：注塑工艺生产微结构器件

图2圆柱夹具及金属薄片固定示意图

图3圆柱夹具安装于机床并进行微结构加工示意图

图4微透镜阵列加工路径设计

图5微透镜部分单元轮廓测试数据

附图标记说明如下：

1金属薄片；2圆柱基底；3凹槽；4平板；5螺丝；6圆柱端面压圆盘；7注塑模芯；注塑模架8；21主轴；22夹有金属薄片的圆柱夹具；23金刚石刀具

具体实施方式

本发明的技术流程如图1所示。将金属薄片1包裹在一个表面平整光滑的圆柱基底2上，以圆柱加工方式在圆柱包裹的金属薄片特定区域加工微结构，将加工后的金属薄片1从圆柱基底2上剥离，对加工微 结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯。将模芯安装于注塑模架上，在注塑过程中由于受到注塑机内部压力，金属薄片会自然展平，从而进行微结构产品的注塑。

金属薄片1固定于圆柱基底2上需要对其进行紧固，因此需要设计专用的夹具。图2是夹具的示意图。在圆柱基底2上有一个凹槽3用于固定紧固金属薄片1的部件。紧固金属薄片1的部件为两个平板4，用于夹持金属薄片1的两端，平板4通过螺丝5固定于圆柱基底2上，通过松紧螺丝可以使平板升降，从而达到金属薄片压紧或离开圆柱表面的目的。同时，圆柱两端有两个带有凹槽的平板用于压紧金属薄片的外边缘，保证边缘部分的紧固。

圆柱固定夹具22安装于加工机床上实现微结构加工，示意图如图3所示。加工机床使用三轴超精密车床，包含一个可以精确控制角度的机床主轴C轴，和直线运动轴X轴及Z轴。圆柱夹具的一端通过真空吸附固定于机床主轴21，金刚石刀具23在三个运动轴的慢刀伺服控制下在圆柱表面上加工微结构，具体加工路径设计需要根据被加工微结构类型确定。由于将微结构加工到圆柱表面，主轴每转一圈就能实现一列微结构单元加工，因此，加工效率得到明显提高；另外，由于圆柱加工方式，刀具的运动距离极大缩短，因此，加工稳定性得到很好提高。同时，加工每个单元刀具和工件的位置关系都是一样的，从而保证了切削状态的一致性，因此，可得到面形高一致的单元微结构器件。

在一个具体实施过程中，对微透镜阵列进行加工，该类器件应用于光场相机搭建，配合常见单反APS-C传感器使用，尺寸约为25mm×18mm，为国际同类产品(Lytro公司illum系列为1/1.2″)尺寸的4倍多。微透镜阵列单元尺寸为60um，单元矢高差850nm，共计415×291个单元。加工设备为Moore Nanotech公司的三轴超精密车床250UPL，金属薄片采用黄铜材料，圆柱直径为60mm，刀具采用刀鼻半径为0.5mm的圆弧刃金刚石刀具。

图4显示了加工该器件的加工路径设计方法。计划加工器件为平面基底，理想模型如图4左侧所示，如按照该图形进行加工，金刚石刀具21按照所需加工轮廓切削相应路径即可，该模型的坐标系标注为X′Y′Z′。当进行圆柱方式加工时，就需要将模型坐标系X′Y′Z′转为加工坐标系XYZ，即图4右侧所示示意图。变换方式如下式，

$\left\{\begin{array}{c}X=(R+Z^{\′})cos(X^{\′}/R)\\ Y=(R+Z^{\′})sin(X^{\′}/R)\\ Z=Y^{\′}\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式中R为圆柱半径。将其转为三轴超精密机床所需的XZC加工坐标为，

$\left\{\begin{array}{c}C=X^{\′}/R(180/\mathrm{\π})\\ X=R+Z^{\′}\\ Z=Y^{\′}\end{array}\right.---\left(2\right)$

按照所需加工轮廓分别按照以上公式逐点计算即可得到加工路径。同时，为了避免加工过程中加工路径的不平滑问题，采用了两次加工的方式。如图4所示，加工一条阵列单元分别采用两条平滑加工路径，如图中标注的路径1和路径2。其中每条加工路径加工单元均间隔一个单元，而每条路径上的不加工单元补充一个高于加工表面的圆弧路径，该段路径由于高于加工表面而不对表面进行加工，而补充的圆弧路径和相邻切削路径平滑链接，保证了整条加工路径的平滑和加工过程的稳定。

对加工后的黄铜薄片进行相应剪裁后，固定于模架中在Fanuc公司的微注塑机进行相应产品的制造，产品材料为PMMA。对PMMA材料的产品表面进行相关测试来评价加工方法的有效性。图5是采用ZygoNexview白光干涉仪对其中21×21个单元测试的轮廓图，截取了轮廓最高峰一条截线，测量距离为1.26mm。经测量和评价，单元尺寸的平均值为60.189μm，标准偏差为0.123μm；对测量轮廓的峰谷区域进行最大最小范围的标注，来评价单元轮廓的矢高差，平均值为860.18nm，标准偏差为为20.77nm。同时对其中的3×3单元的面形误差进行测量和评价，面形误差的结果如表1所示，平均值为72.89nm，标准偏差为13.85nm。相对较小的标准偏差验证了加工器件的具有很好的一致性。

表1 3×3单元面形误差统计数据

一般10mm×10mm范围的微透镜阵列器件多采用传统光刻技术加工，而该加工实例中的器件尺寸一般受到工艺限制不能加工或加工成本高昂。本发明中采用超精密加工的方法进行加工，得到了一致性和表面质量良好的器件模具。借助注塑技术批量制造的器件成功安装于Canon 700D单反相机进行光场图像的拍摄。为微透镜阵列器件批量用于常见单反相机实现光场功能提供了强有力的技术保障。

Claims (1)

1.一种微结构阵列器件制造方法，包括下列的步骤：

(1)准备用于制备注塑模芯的金属薄片(1)；

(2)准备圆柱夹具(22)，根据根据加工机床可加工范围选择圆柱基底(2)；在圆柱基底上沿轴向开设有用于固定紧固金属薄片(1)的部件的凹槽(3)；紧固金属薄片(1)的部件为两个平板(4)，用于夹持金属薄片(1)的两端，平板(4)位于凹槽(3)内并与圆柱基底(2)连接；圆柱基底(2)的半径R。

(3)将圆柱夹具(22)安装于加工机床上，圆柱夹具(22)的一端通过真空吸附固定于机床主轴(21)，金刚石刀具(23)垂直圆柱基底轴线放置，使用金刚石刀具(23)对圆柱侧面进行超精密切削，保证表面平整光滑，加工完毕后取下圆柱夹具(22)；

(4)将金属薄片(1)包裹于圆柱基底(2)上，并紧固圆柱夹具(22)使金属薄片压紧圆柱基底(2)的表面，并一起再次安装于加工机床上；

(5)再次对包裹金属薄片(1)的圆柱侧面进行切削，保证表面平整光滑；

(6)取下包裹金属薄片的圆柱夹具(22)，测量圆柱半径R，并再次将包裹金属薄片的圆柱夹具(22)固定于加工机床上；

(7)根据测试好的圆柱半径R，并结合被加工微结构轮廓进行加工路径设计；

(8)进行微结构单元加工；

(9)加工完微结构后，松卸圆柱夹具，将加工后的金属薄片从圆柱夹具上剥离，对加工微结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯(7)；

(10)将注塑模芯(7)安装于注塑模架(8)上，进行微结构产品的注塑加工。