CN105607163B - 一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，该方法的步骤为制备端部具有微透镜形状的压头；平整加工待成形微透镜或微透镜阵列结构的表面；在成形压力机上，压头以速度为s与压力为m在待成形表面上利用压痕法加工出透镜状凹痕；测量并计算凹痕形状与压头端部所述透镜形状之间的误差，补偿或修形所述压头形状；利用所述补偿或修形的压头再次进行凹痕成形，若成形微透镜阵列结构，则基于透镜阵列的工作性能设定纵横间距，以纵横间距为紧邻透镜中心距在模具平面上加工出其他凹痕，形成微透镜阵列结构；将凹痕挤压过程中产生的材料隆起部分切除、镀膜。该方法能够简化具有微透镜或微透镜阵列结构表面的批量化处理工艺步骤。

Description

一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法

技术领域

本发明属于微小型精密制造加工技术领域，具体涉及一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法。

背景技术

随着现代光学电子技术的飞速发展，应用于航空航天、光学电子、激光及通信等行业的各种小型光电产品不断涌现，如相机、数码投影机、光碟机、影像扫描机、激光印表机、传真机、影印机、光通讯元件及显示器等，丰富了人们的日常生活的同时，也为教育传授、历史资料记录、信息通讯、经济发展、国防监测等提供了便利。而透镜在这当中起着决定性的地位，高精度的透镜，将光信息以一定的方式传送，或聚集或发散，进行信息输送或者是显示成像。其中，用于显示器的背光板和激光打印机及扫描机等微透镜阵列，作为新型光学器件得到了广泛的应用于发展。

微透镜与微透镜阵列是最为重要的光学器件，微透镜直径范围从10μm到10mm，由这些微透镜在底材上以一定的形状规律排列而成，具有一定光学性能特性的阵列称为微透镜阵列，因此微透镜阵列是由通光孔径和浮雕深度在微米级别的透镜组成的阵列，具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且尺寸小、集成度高的特点，能够完成传统光学元器件无法完成的功能，并且能够构成很多新型的光学系统。

然而，随着高精度的微小形状光学零部件的需求量不断增大，其制造的精度要求也不断提高。微透镜、微透镜阵列、微透镜模具和微透镜阵列模具都是表面具有微透镜或微透镜阵列结构的产品，该功能表面可以通过相同的加工方法进行加工制造。现有的具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的加工方法，根据被加工件的不同的应用有不同的加工方法。

目前，用于制作微透镜阵列的方法，有光刻胶热熔法、光敏玻璃热成形法、离子交换法、飞秒激光法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法和化学气象沉积法等方法。

光刻胶热熔法是在基片上涂上一定厚度的光刻胶，在圆形阵列的掩模下进行紫外曝光,显影后便得到圆柱阵列光刻胶结构，将光刻胶加热至熔融状态，其表面张力将圆柱形结构转变成光滑的球冠状结构，这样便得到了光刻胶构成的微透镜阵列。这种加工方法的优点是成本低、工艺简单；缺点是透镜材料选择有限，工艺参数难以把握。

飞秒激光酸刻蚀法加工微透镜阵列，飞秒激光脉冲持续时间只有飞秒量级，远小于材料中受激电子通过声子将能量转移、转化等形式的放时间，从而避免了热扩散的影响。在加工过程中限制了热影响区，避免了热熔化的存在，实现了相对意义上的“冷”加工，因此飞秒激光光刻孔周围的区域不会将受到热影响，而且孔的边缘不会出现大量的熔化物质。飞秒激光打孔后，利用酸对光学玻璃的刻蚀的特点，在多种光学玻璃表面制作了凹微透镜阵列，因此通过飞秒激光酸刻蚀法加工的微透镜表面品质很高。而且，飞秒激光加工还具有可成型材料广、加工周期短、透镜结构可调以及可加工异形微透镜等优点。

微透镜的生产方法主要是注塑法(塑料透镜)和模压成形法(玻璃透镜)，成形模具的精度决定了透镜的加工精度。传统的加工透镜模具的方法是车削、铣削和磨削等材料去除类机械加工方法，及特种加工方法，如LIGA法等。

车削加工方法，利用金刚石车刀对工件进行精密车削，形成需要的透镜形状。光学透镜精度要求高，对车削加工提出了很大的挑战，金刚石车刀的加工精度需要高于透镜对精度的要求。复杂形状透镜的需要，使车削刀具轨迹更加复杂，车床控制更困难，加工自由度要求更高。

铣削加工方法，在透镜毛坯件表面钻削锥形孔，然后利用球头铣刀将锥形孔铣削成凹球面，得到球面透镜凹痕模具，再利用球模对凹痕面进行热压，从而对凹球面进行修形得到最终的半球透镜模具。这种加工方法需要用到三种加工“刀具”，分别是钻头、球头铣刀、球模，分为了三步加工过程，每一次加工都需要对刀，这样严重降低了加工的精度；同时铣刀和球模需要根据需要的透镜尺寸进行加工，增加了加工成本。

特种加工方法，首先采用UV-LIGA法制成表面具有柱状微细孔阵列结构的金属镍模具；然后在真空环境下将UV固化胶涂覆于模具的柱状微细孔阵列之内，旋转上述加工工件，使得一部分UV固化胶均匀地旋转出微细孔，形成稳定凹面形状，之后利用紫外线光源固化UV固化胶来获得所需要的微透镜阵列。该种加工方法环境条件要求真空，通过改变UV胶的粘度与旋转速度控制透镜矢量与曲率的方法不易控制，影响因素较多。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，能够克服现有技术的不足，简化具有微透镜或微透镜阵列结构的表面批量化生产处理工艺步骤。

实现本发明的技术方案如下：

步骤一，制备端部具有微透镜形状的压头；

步骤二，平整加工待成形微透镜或微透镜阵列结构的表面；

步骤三，在成形压力机上，所述步骤一中的压头以速度为s与压力为m在待成形表面上利用压痕法加工出透镜状凹痕；

步骤四，卸载压头压力，待已压印成形的凹痕完全弹性回复后，测量并计算步骤三所述凹痕形状与步骤一中的压头端部所述微透镜形状之间的误差，将该误差补偿在压头的形状上或修整压头，使新压头的形状等于微透镜形状与误差之和或差，补偿或修形所述压头形状；

步骤五，利用所述补偿或修形后的压头再次进行步骤三中的凹痕成形，若成形微透镜阵列结构，则基于微透镜的工作性能设定纵横间距，并以所述纵横间距为紧邻微透镜中心距在模具平面上加工出其他凹痕，形成微透镜阵列结构；

步骤六，将凹痕挤压过程中产生的材料隆起部分切除，再对成形表面进行镀膜，获得具有微透镜或微透镜阵列的表面结构。

进一步地，微透镜或微透镜阵列中的每个微透镜单元的直径范围为10μm～10mm，微透镜阵列中相邻微透镜间的中心距大于微透镜的直径。

进一步地，所述的微透镜为球面透镜、非球面透镜或菲涅尔透镜。

进一步地，在所述步骤一中，压头的材料为硬质合金、碳化硅、蓝宝石、红宝石或金刚石。

进一步地，在所述步骤五中，工件装夹平台以与微透镜阵列相同的单元纵横间距移动，压头与装夹平台的移动同频率进行往复运动，对待成形表面进行压痕法加工，形成微透镜凹痕阵列结构。

进一步地，在所述步骤六中，压痕法加工后的表面隆起切除的方法，首先在凹痕成形表面涂覆树脂胶，保证树脂胶充满凹痕，待其凝固后对隆起部分进行车削，控制凹痕边缘毛刺的生成，最后利用丙酮软化凹痕内部树脂胶，清除胶体，清洗微透镜或微透镜阵列结构表面。

进一步地，s为0.01mm/s～10m/s，m为10N～10kN。

有益效果：

1、该种加工方法具有加工精度更易控制，工艺过程更简单，透镜形状更灵活，成本更低等优点。是一种实现具有微透镜或微透镜阵列结构的表面精密高效生产的新的途径。

2、相对传统的加工制造方法要求严格，加工效率较低，微透镜单元形状不易控制；本专利提出的新型具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，可能加工微透镜、微透镜阵列、微透镜模具和微透镜阵列模具，工艺过程简单，能够克服现有技术的不足，具有良好的应用前景。

3、使用同一个压头以压痕法加工凹痕阵列，不同凹痕之间的形状误差少，压头磨损少，加工精度更易控制，加工路径简单，工艺过程更便捷，透镜形状更灵活，成本更低；本加工方法能够制加工各种复杂的表面微结构，是一种实现微透镜阵列及其模具精密高效生产的新途径，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1压头形状示意图(需根据透镜形状设计)。

图2待成形表面毛坯示意图。

图3压痕法加工第一个微透镜凹痕(微透镜边缘形成隆起)。

图4压头形状误差补偿/修形。

图5凹痕阵列成形。

图6压痕表层涂覆树脂胶。

图7压痕表面隆起切除。

图8凹痕内树脂胶清除。

图9微透镜阵列表面的三维示意图(空间排布为示意，非实际要求)。

其中：1—压头，2—形成微透镜凹痕阵列，3—树脂胶，4—车刀。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，该方法包括如下步骤：

步骤一，制备端部具有微透镜形状的压头；

步骤二，平整加工待成形微透镜或微透镜阵列结构的表面；

步骤三，在成形压力机上，所述步骤一中的压头以速度为s与压力为m在所述的待成形表面上利用压痕法加工出透镜状凹痕；s为0.01mm/s～10m/s，m为10N～10kN；

步骤四，卸载压头压力，待已压印成形的凹痕完全弹性回复后，测量并计算步骤三所述凹痕形状与步骤一中的压头端部所述微透镜形状之间的误差，将该误差补偿在压头的形状上或修整压头，使新压头的形状等于微透镜形状与误差之和或差，补偿或修形所述压头形状；

步骤五，利用所述补偿或修形后的压头再次进行步骤三中的凹痕成形，若成形微透镜阵列结构，则并基于微透镜的工作性能设定纵横间距，并以所述纵横间距为微紧邻透镜中心距在模具平面上加工出其他凹痕，形成微透镜阵列结构；

步骤六，将凹痕挤压过程中产生的材料隆起部分切除，再对成形表面进行镀膜，获得具有微透镜或微透镜阵列的表面结构。

所述微透镜或微透镜阵列结构的表面是微透镜或微透镜阵列的功能表面，或是成形模具的表面，该模具用于在微透镜或微透镜阵列的模压成形中和注塑成形中。

所述微透镜或微透镜阵列结构为微透镜、微透镜阵列、微透镜模具和微透镜阵列模具。

工作准备过程

用硬质合金WC、碳化硅SiC、蓝宝石、红宝石或金刚石等材料制备端部具有微透镜形状的高强度高硬度压头1(如图1所示)，由于压头的形状精度直接决定微透镜的形状精度，其制备过程应严格保证尺寸与形状精度，并进行表面处理以保证良好的强度、硬度、耐磨性、抗压性和较好的表面光整度。

平整加工待成形微透镜或微透镜阵列结构的表面2，修正其形位误差，使其达到成形微透镜或微透镜阵列结构的表面除去透镜阵列结构的形状要求(如图2所示)。

凹痕成形过程

在成形压力机上，以一定的速度和压力使压头在工件毛坯上进行压痕法加工，位置控制器精确定位压头的下压深度，使其等于透镜的深度或高度，在待成形表面获得一定形状的凹痕(如图3所示)。

利用分辨精度高的显微镜仪器测量成形的凹痕的形状，计算出凹痕形状与透镜形状之间的误差，将其补偿在压头上(如图4所示)，补偿/修形压头或重新制造压头。

阵列成形过程

使用形状补偿后的压头再次进行凹痕成形。工件装夹平台以与微透镜阵列相同的纵横间距移动，压头以装夹平台的移动同频率往复运动，对待成形表面进行压痕法加工，形成微透镜或微透镜阵列结构。在加工过程中，由于材料塑性流动，压痕成形后的表面上凹痕四周的材料发生隆起(如图5所示)。

表面再平整处理过程

在隆起不平的表面上，均匀涂覆一层树脂胶，保证树脂胶充分填满凹痕，使用压板，将表面的树脂胶3轻轻压平(如图6所示)；待树脂胶凝固之后，车削表面，利用车刀4将隆起的材料连同树脂胶一起切除(如图7所示)；使用丙酮溶剂将剩余在凹痕内的树脂胶软化，超声振动方法清洗模具，去除表面上的树脂胶(如图8所示)，最后进一步对微透镜或微透镜阵列结构表面进行镀膜等表面处理工艺，获得具有微透镜或微透镜阵列结构的表面(如图9所示)。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，制备端部具有微透镜形状的压头；

步骤二，平整加工待成形微透镜或微透镜阵列结构的表面；

步骤三，在成形压力机上，所述步骤一中的压头以速度为s与压力为m在待成形表面上利用压痕法加工出透镜状凹痕；

步骤四，卸载压头压力，待已压印成形的凹痕完全弹性恢复后，测量并计算步骤三凹痕形状与步骤一中的压头端部所述微透镜形状之间的误差，将该误差补偿在压头的形状上或修整压头，使新压头的形状等于微透镜形状与误差之和或差，补偿或修形所述压头形状；

步骤五，利用所述补偿或修形后的压头再次进行步骤三中的凹痕成形，若成形微透镜阵列结构，则基于微透镜的工作性能设定纵横间距，并以所述纵横间距为紧邻微透镜中心距在模具平面上加工出其他凹痕，形成微透镜阵列结构；

步骤六，将凹痕挤压过程中产生的材料隆起部分切除，再对成形表面进行镀膜，获得具有微透镜或微透镜阵列结构的表面结构。

2.如权利要求1所述一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，其特征在于，微透镜或微透镜阵列结构中的每个微透镜的直径范围为10μm～10mm，微透镜阵列结构中相邻微透镜间的中心距大于微透镜的直径。

3.如权利要求1所述一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，其特征在于，所述的微透镜和微透镜阵列结构中的微透镜为球面透镜、非球面透镜或菲涅尔透镜。

4.如权利要求1所述一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，其特征在于，在所述步骤一中，压头的材料为硬质合金、碳化硅、蓝宝石、红宝石或金刚石。

5.如权利要求1所述一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，其特征在于，在所述步骤五中，工件装夹平台以与微透镜阵列相同的纵横间距移动，压头与装夹平台的移动同频率进行往复运动，对待成形表面进行压痕法加工，形成微透镜阵列结构。

6.如权利要求1所述一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，其特征在于，在所述步骤六中，压痕法加工后的表面隆起切除的方法，首先在凹痕成形表面涂覆树脂胶，保证树脂胶充满凹痕，待其凝固后对隆起部分进行车削，控制凹痕边缘毛刺的生成，最后利用丙酮软化凹痕内部树脂胶，清除胶体，清洗微透镜或微透镜阵列结构表面。

7.如权利要求1所述一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法，其特征在于，s为0.01mm/s～10m/s，m为10N～10kN。