CN105425324B - 非均一曲面微透镜阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非均一曲面微透镜阵列的制作方法。这种方法包括两部分：采用精密微小型机床加工出曲面微透镜阵列模具；利用浇铸法，将液体PDMS铸入加工好的曲面微透镜阵列模型中，制备出曲面微透镜阵列样品。相比于均一曲面微透镜阵列，这种结构能改善边缘透镜的成像质量，从而提高了整个曲面微透镜阵列的成像质量。本发明制作工艺简单，不需要复杂的设备，成本较低，加工出的模型可重复利用，成功率较高，并且固化后的PDMS具有较强的化学稳定性和较高的透光率。

Description

非均一曲面微透镜阵列的制作方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光学成像系统，特别是涉及非均一曲面微透镜阵列的制作方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，光学成像系统被广泛的应用于每个领域，如在制导系统中的应用、遥感成像中的应用、红外夜视仪中的应用、医疗器械中的应用等，因此人们对其的要求也不断提高，希望其朝着体积更小、质量更轻、视场角更大的方向发展。所以仿生复眼成为现如今人们研究的一个前沿课题。

目前，大多数的仿生复眼为平面结构，虽然制作工艺简单，但不能满足大视场的要求。为了增大仿生复眼的视场角和提高边缘小眼透镜的成像质量，将微透镜阵列按环形排列的方式放在曲面基底上。这种结构的制作比较复杂，通常采用光刻胶热熔法、激光直写光刻法，这些方法不仅需要较长的时间，而且成本较高，成功率低，同时制作出的曲面仿生复眼样品的精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种加工简单、成本低、能重复使用的新型曲面微透镜阵列的制作及成像分析。

采用的技术方案是：

非均一曲面微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、设计出非均一曲面微透镜阵列的结构；

步骤二、按照设计好的结构，将用于加工曲面微透镜阵列模具的金属材料放在精密微小型机床上，选择不同直径的球头铣刀，确定粗加工的走刀方式；

步骤三、粗加工完成后，采用针对每个小眼单独走刀的方式进行精加工，进而得到曲面微透镜阵列模具。

步骤四、在加工好的模具四角加紧固螺栓，底部加一加热装置，顶部加工出M5的标准螺栓孔和直径为1mm的小孔；

步骤五、采用电解抛光的方法将加工好的曲面微透镜阵列模具进行抛光；

步骤六、将液体PDMS（聚二甲基硅氧烷）的本体和固化剂按10:1的比例充分混合，倒入大压力注射器中，静置两小时，确保里面的气泡完全排出，然后将液体PDMS缓慢的注入加工好的模具中。在常温下静置24小时，至PDMS完全固化后，用镊子将PDMS薄膜从模具的边缘小心的揭下，即可得到曲面微透镜阵列样品；

上述的非均一曲面微透镜阵列为每一组的小眼透镜的曲率、直径、冠高、焦距、间隔的角度都不相同，目的是使每一个小眼透镜都能很好的聚焦到平面探测器上。

上述的非均一曲面微透镜阵列的模具为呈环形排布的凹透镜阵列。

上述的金属材料为45号钢。

上述的粗加工走刀方式为体积铣，即分层铣削平行走刀；精加工的走刀方式为整体环切，即对每个小眼透镜单独走刀，以提高小眼透镜的加工质量。

上述的紧固螺栓是为了使模具更加密封；加热装置能提高PDMS的固化速度；M5的标准螺纹孔和直径为1mm小孔的两者深度为模具上型腔的厚度。

上述的液体PDMS具有良好的透光性、弹性和化学惰性，成本低，便于操作，制作出的曲面微透镜阵列样品为均匀透明的薄膜，薄膜厚度为1mm。

上述的将气泡完全排出，是为了防止气泡影响曲面微透镜阵列样品的成像质量。

上述的电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通一直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而使工件表面光亮度增大，达到镜面效果。

本发明的优点在于：

1、本发明采用非均一曲面微透镜阵列的结构，与均一曲面微透镜阵列结构相比，本发明的结构能改善边缘小眼的成像质量，从而使整体的成像质量有所提高；

2、本发明采用的模具浇注的方法制作非均一曲面微透镜阵列，与传统的光刻胶热熔法相比，模具浇注法操作容易、成本低、成功率高、制作的模具能重复利用，而且PDMS具有良好的透光性、弹性和化学惰性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的实施工艺流程图。

具体实施方式

非均一曲面微透镜阵列的制作方法，包括下列工艺步骤：

步骤一、设计出非均一曲面微透镜阵列的结构，该结构采用环形排布的方式，且每六个小眼透镜都能组成一个六边形，这样设计的目的是为了满足高填充比的要求。非均一是指每一组小眼透镜的曲率、半径、焦距、冠高都不相同，从0级到3级依次减小，目的是为了使每个小眼透镜都能聚焦到平面探测器上，改善了边缘小眼透镜的成像质量。

步骤二、将长、宽、高分别为100mm、100mm、26mm的金属材料（1）放在精密微小型机床上，选择不同直径的球头铣刀，先采用分层铣削平行走刀的方式进行粗加工，然后采用整体环切的方式进行精加工，即对每个小眼透镜单独走刀，以提高小眼透镜的加工质量，进而得到曲面微透镜阵列的初步模具。

步骤三、在加工好的初步模具四角加紧固螺栓（2），目的是在为了提高模具的密封性，避免在注入PDMS时，出现气泡；底部加一加热装置（5），目的是为了PDMS在固化时提高固化速度；顶部加工出M5的标准螺栓孔（3）和直径为1mm的小孔（4），两孔的深度与上型腔的厚度相同为19.5mm，同时还要确保两个孔在三个小眼透镜的中间位置，这是因为液体PDMS可通过小孔注入模具中时，会留下一个浇道，如果两孔开在上型腔的中间位置，浇道就会将中间的小眼透镜遮住，影响小眼的成像质量。因此，确定两孔的位置是非常重要的。

步骤四、采用电解抛光的方法将加工好的曲面微透镜阵列模具进行抛光。电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通一直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而使工件表面光亮度增大，达到镜面效果。

步骤五、将制作好的曲面微透镜阵列模具用保鲜膜包好，避免与空气接触，将镜面表面氧化。

步骤六、在浇注前，先用双氧水将制作的曲面微透镜阵列模具、烧杯、量筒、大压力注射器清洗一遍，确保没有灰尘。然后将模具表面涂一层脱模剂，使固化成型的样品能顺利的从模具上分离开来，从而得到光滑平整的样品，并保证模具能多次使用。

步骤七、用量筒量取4ml的PDMS本体，再量取0.4ml的PDMS固化剂，将量取好的两种液体倒入烧杯中充分混合，静置10min，排出部分气泡，然后将混合好的液体倒入大压力注射器（6）中，将注射器放在超声波清洗机中，在超声波频率下振动40min（因没有真空舱抽真空，只能用超声波清洗机代替），排出部分气泡，然后将注射器从超声波清洗机中拿出，在温度低于20°的环境下静置30min（如果温度过高，PDMS在气泡没排净完，就会出现固化现象），确保所有的气泡都排干净。最后将液体PDMS缓慢的注入加工好的模具中，避免气泡的产生。将电阻丝放在模具的加热装置（5）处，通电后对已经注入PDMS的模具进行加热5小时或在常温下静置24小时，至PDMS完全固化后，用镊子将PDMS薄膜从模具的边缘小心的揭下，即可得到曲面微透镜阵列样品（7）。

Claims (9)

1.非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、设计出非均一曲面微透镜阵列的结构；

步骤二、按照设计好的结构，将用于加工曲面微透镜阵列模具的金属材料放在精密微小型机床上，选择不同直径的球头铣刀，确定粗加工的走刀方式；

步骤三、粗加工完成后，采用针对每个小眼单独走刀的方式进行精加工，进而得到曲面微透镜阵列模具；

步骤四、在加工好的模具四角加紧固螺栓，底部加一加热装置，顶部加工出M5的标准螺栓孔和直径为1mm的小孔；

步骤五、采用电解抛光的方法将加工好的曲面微透镜阵列模具进行抛光；

步骤六、将液体PDMS的本体和固化剂按10:1的比例充分混合，倒入大压力注射器中，静置两小时，确保里面的气泡完全排出，然后将液体PDMS缓慢的注入加工好的模具中，在常温下静置24小时，至PDMS完全固化后，用镊子将PDMS薄膜从模具的边缘小心的揭下，即可得到曲面微透镜阵列样品。

2.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的非均一曲面微透镜阵列为每一组的小眼透镜的曲率、直径、冠高、焦距、间隔的角度都不相同，目的是使每一个小眼透镜都能聚焦到平面探测器上。

3.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的曲面微透镜阵列模具为呈环形排布的凹透镜阵列。

4.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的金属材料为45号钢。

5.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的粗加工走刀方式为体积铣，即分层铣削平行走刀；精加工的走刀方式为整体环切，即对每个小眼透镜单独走刀。

6.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的紧固螺栓是为了使模具更加密封；加热装置能提高PDMS的固化速度；M5的标准螺纹孔和直径为1mm小孔的两者深度为模具上型腔的厚度。

7.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的液体PDMS具有良好的透光性、弹性和化学惰性，制作出的曲面微透镜阵列样品为均匀透明的薄膜，薄膜厚度为1mm。

8.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的将气泡完全排出，是为了防止气泡影响曲面微透镜阵列样品的成像质量。

9.根据权利要求1所述的非均一曲面微透镜阵列的制作方法，其特征在于所述的电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通一直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而使工件表面光亮度增大，达到镜面效果。