CN109507768A - 微尺度光学结构加工装置 - Google Patents

Abstract

微尺度光学结构加工装置属于逆反射体制备领域，装置包括光学胶腔、透镜架、风机升降器、风机升降杆、风机、制备层、底座、底部激光器移动杆、底部激光器、底部激光投射镜、侧面激光器、侧面激光器升降杆、侧面激光器位移器、操作杆、保护气体喷腔、侧面激光投射镜、顶面激光反射镜、侧面激光反射镜。本专利能够用于制备逆反射体，无需原始模具，直接在制备层上生成，解决传统技术需要制造高精度原始模具以及热压印技术脱模导致的逆反射体表面变形破损的难题，解决增材技术需要进行二次加工改善表面粗糙度的难题。

Description

微尺度光学结构加工装置

技术领域

本发明属于逆反射材料加工领域

背景技术

逆反射体：具有逆反射性能的反光面或器件。

逆反射材料：在暴露的表面或接近表面有一薄层连续的微小逆反射元的材料(如反光膜，含玻璃珠的涂料、路面标线或标线带)。

反光膜：一种已制成薄膜可直接应用的逆反射材料。

逆反射材料的发展要追溯到上世纪二十年代。善于发现新事物的人们，发现在晚上用灯光照射猫的眼睛时，猫的眼睛会发射出很强的光线，可以很清楚的看清猫的眼睛。受到猫眼的启示，人们开始研究反光科学，以利用它反射汽车的灯光，解决交通标志夜间的视读问题。

第一个根据猫眼原理生产出来的逆反射材料是玻璃球，其结构和大小几乎完全和猫眼一样，就是一个透明的浑圆的球体，再加上一层具有光滑表面的金属反射层。因为玻璃和金属的材质不同，需要制成的形状也不同，所以一般都是分别制作，然后再组装在一起的。当做成特定的标志牌时，需要预先制定相应的带凹槽的模板。在暴露型玻璃珠的基础上，进一步研发了透镜埋入型的玻璃珠反光材料，它是将玻璃珠直接埋入在透明μμ树脂里的。由于玻璃珠的大小并不是完全一致的，玻璃珠和背后的反光层的距离也不是一致的，在光线穿过玻璃珠时，并不能保证该玻璃珠的焦点就正好落在背后的反光层上，这时就不能反射光线再次通过玻璃珠回到光源。因此该类型的逆反射亮度并不是很高。

在上述两种逆反射技术之上，又有了密封胶囊型的玻璃珠反光材料。其反光层是直接涂在玻璃珠上的。该类型玻璃珠的折射率与前者不同，它的特点在于折射率可以控制它的焦点刚好落在它的外壁上，而外壁上正好有一个反光层，这样的结果是保证了所有从玻璃珠折射到外壁的光线都可以返回到玻璃珠。这个特殊的折射率有一个副产品，就是光线只能从空气层进入该玻璃珠时才能保证该折射率有效。所以这类产品的特征除了反光亮度比透镜埋入型产品有更高反光亮度以外还有一个特征：在玻璃珠前面有一个空气层。这个空气层解决了膜结构内和膜结构的温差问题，减少了露水凝结导致的视认难题。

上述这些技术，都是反光材料发展前期的一些技术，其核心技术的生成与发展，主要是在20世纪40年代到70年代，此后，伴随着密封胶囊型反光膜上的多项技术专利在1985年到期，逆反射材料的新技术研发，开始转向新的反光材料——棱镜型反光材料。主要原因是，从数学角度看，玻璃珠型反光材料的反射效率，由于受到玻璃珠的球体形状的限制，有很多体积部分，是无法作为反射区的，并不是最理想的光反射控制途径，所以反光效率并不高，反光角度也还没有得到更好的控制，加之在生产过程中的能耗、废弃物排放、VOC的排放(可挥发性有机化合物的总称)，都比之后问世的微棱镜反光材料高，因此，从进入21世纪后，在世界范围内，特别是在发达国家和地区，在交通标志用反光材料领域，棱镜结构的反光材料开始越来越获得了普遍的应用。目前国际上仅有美国艾莉-丹尼森、3M和日本电石工业株式会社等少数企业掌握了微棱镜反光阵列制造技术，由于国外对中国技术封锁，国内虽然了解微棱镜反光阵列加工方法，但是对其核心加工工艺难以获知。

1)基于精密机械加工模具的塑料压模成型技术

微棱镜型反光膜制备工艺包括：微棱镜型反光膜原始模电铸形成微棱镜型反光膜工作模；工作模热压印形成棱镜基体层；棱镜基体层与其他层组合形成微棱镜型反光膜。

目前基于模具的微棱镜型逆反射体的核心技术在于模具制造。1926年美国公布了销钉集束法(这是在金属销的前端形成棱镜，并将它们捆扎起来，以形成棱镜阵列的方法)和叠片法(首先将相互平行的多个平板重叠起来，沿垂直于平板的方向等间隔地切削出V形槽，从而形成顶角约为90°的连续屋顶形突起群。然后拼接各平板，使各屋顶形突起群的屋顶顶部与相邻屋顶形突起群的屋顶底部共线，经过连续地拼接后就形成了微棱镜反光阵列)。1973年美国又公布了一种V形槽切削法，它是一种在金属等平板的表面上从三个方向切削出V形槽从而形成棱镜阵列的方法。目前，已有激光蚀刻、超精密飞切、超精密磨削等方法被提出。2016年，Riahi提出使用DLP 3D打印技术来制造1mm尺寸的逆反射体结构，并采用热回流技术提高表面的粗糙度。

现在技术存在以下缺点：

1)机床结构复杂。传统减材技术极度依赖精密机床及金刚石飞刀等技术，国外相关机构对中国实行技术封锁，国内相关技术研究无法支撑微棱镜制备技术研究的需求。

2)价格昂贵，加工成本高。

3)微棱镜阵列热压印成型后需要脱模，脱模过程会导致微棱镜阵列光轴偏移，降低逆反射体的逆反射性能。

4)3D打印等增材技术对表面粗糙度低的难题缺少解决办法，学者多采用二次加工技术改善逆反射体表面粗糙度。且增材技术多需要支撑结构，在分离时易对逆反射体表面产生破坏。

发明内容

本发明彻底改变微棱镜型逆反射体的加工方法，无需依赖于模具的制造，无需考虑脱模，保证逆反射体的光轴垂直于反光膜表面。

本专利所述用于无模具制造微棱镜型逆反射体的装置主要由光学胶腔、透镜架、风机升降器、风机升降杆、风机、制备层、底座、底部激光器移动杆、底部激光器、底部激光投射镜、侧面激光器、侧面激光器升降杆、侧面激光器位移器、操作杆、保护气体喷腔、侧面激光投射镜、顶面激光反射镜、侧面激光反射镜等部分组成，硬件连接图如图1所示。

操作杆与制备层平行。底部激光器和侧面激光器受主机控制；

侧面激光器位移器、保护气体喷腔、光学胶腔、透镜架以及风机升降器依次固定在操作杆上。其中侧面激光器位移器上固定了侧面激光器升降杆，侧面激光器升降杆垂直于操作杆，侧面激光器升降杆可以受到侧面激光器位移器控制进行上下位移，侧面激光器升降杆上安装有侧面激光器，侧面激光器前安装了侧面激光投射镜，侧面激光器发出的激光要透过侧面激光投射镜的中心。光学胶腔垂直于制备层。透镜架上固定有一水平的顶面激光反射镜和竖直的侧面激光反射镜，顶面激光反射镜和侧面激光反射镜相互垂直。底座上依次有制备层、底部激光投射镜、底部激光器和底部激光器移动杆。底部激光器安装在底部激光器移动杆上，底部激光器移动杆与制备层平行，底部激光器移动杆可以带动底部激光器进行左右移动，底部激光器的上端安装底部激光投射镜，底部激光器发出的激光要透过底部激光投射镜的中心。侧面激光投射镜和侧面激光反射镜的中轴线相重合，顶面激光反射镜和底部激光投射镜的中轴线相重合。风机升降器连接有风机升降杆，风机升降杆垂直于操作杆，风机升降器可以控制风机升降杆上下移动，风机升降杆上安装有风机，风机正对着制备层上表面。

本专利所述用于加工制备逆反射体的装置和方法的技术方案流程图如图1装置示意图

图1中，1为光学胶腔，2为透镜架，3为风机升降器，4为风机升降杆，5为风机，6为制备层，7为底座，8为底部激光器移动杆，9为底部激光器，10为底部激光投射镜，11为侧面激光器，12为侧面激光器升降杆，13为侧面激光器位移器，14为操作杆，15为保护气体喷腔，16为侧面激光投射镜，17为顶面激光反射镜，18为侧面激光反射镜，19为主机。

图2所示。

应用所述的装置，其特征在于实现过程如下：

(1)保护气体喷腔释放出惰性气体，保护光学胶在固化过程中不受到其他气体和粉尘干扰，光学胶腔将光学胶释放到制备层上；

(2)光学胶在制备层上形成胶体细胞；

(3)主机建立液态光学胶在制备层上形成的胶体细胞的立体空间分布模型，构成逆反射体的模型数据和控制数据；

(4)主机输出两组逆反射体的模型数据，分别存储在底部激光器和侧面激光器内，两个激光器协同工作，焦点汇集在一点处，该处的激光能量能够使得被辐照的光学胶发生预固化；

(5)两个激光器协同移动，汇集的焦点的移动形状为一个逆反射体的内切骨架，在激光器协同移动过程中，胶体细胞内部固化形成了一个内切骨架；

(6)主机输出两组控制数据，控制两个激光器协同移动，汇集的焦点的移动形状为一个逆反射体的外表面，在在激光器协同移动过程中，被辐照到的胶体被固化，内切骨架上发育出不同取向的表面；

(7)两个激光器协同移动，逐点固化内切骨架内部的胶体，使得内切骨架内部胶体固化；

(8)形成预固化的逆反射体；

(9)风机吹出气流，将预固化的逆反射体周围的液态光学胶吹散；

两个激光器协同移动，辐照逆反射体的所有位置，将逆反射体完全固化。

本专利提出了一种新型的微尺度光学结构的制备方法和装置，能够提高微尺度光学结构的生产效率，提高微尺度光学结构的生产质量。

本专利能够用于制备逆反射体，无需原始模具，直接在制备层上生成，解决传统技术需要制造高精度原始模具以及热压印技术脱模导致的逆反射体表面变形破损的难题，解决增材技术需要进行二次加工改善表面粗糙度的难题。

本专利成本较目前常用的方法低廉，节约了校准成本。

附图说明

图1装置示意图

图1中，1为光学胶腔，2为透镜架，3为风机升降器，4为风机升降杆，5为风机，6为制备层，7为底座，8为底部激光器移动杆，9为底部激光器，10为底部激光投射镜，11为侧面激光器，12为侧面激光器升降杆，13为侧面激光器位移器，14为操作杆，15为保护气体喷腔，16为侧面激光投射镜，17为顶面激光反射镜，18为侧面激光反射镜，19为主机。

图2微尺度光学结构加工的装置和方法的技术方案流程图

图3具体实例1的技术方案流程图

具体实施方式

本专利所述用于微尺度光学结构加工的装置由光学胶腔、透镜架、风机升降器、风机升降杆、风机、制备层、底座、底部激光器移动杆、底部激光器、底部激光投射镜、侧面激光器、侧面激光器升降杆、侧面激光器位移器、操作杆、保护气体喷腔、侧面激光投射镜、顶面激光反射镜、侧面激光反射镜等部分组成。

操作杆14与制备层平行。

侧面激光器位移器13、保护气体喷腔15、光学胶腔1、透镜架2以及风机升降器3依次固定在操作杆上。其中侧面激光器位移器上固定了侧面激光器升降杆12，侧面激光器升降杆垂直于操作杆，侧面激光器升降杆能受到侧面激光器位移器控制进行上下位移，侧面激光器升降杆上安装有侧面激光器11，侧面激光器前安装了侧面激光投射镜16，侧面激光器发出的激光要透过侧面激光投射镜的中心。光学胶腔1垂直于制备层。透镜架2上固定有一水平的顶面激光反射镜17和竖直的侧面激光反射镜18，顶面激光反射镜和侧面激光反射镜相互垂直。底座上依次有制备层6、底部激光投射镜10、底部激光器9和底部激光器移动杆8。底部激光器安装在底部激光器移动杆上，底部激光器移动杆与制备层平行，底部激光器移动杆能带动底部激光器进行左右移动，底部激光器的上端安装底部激光投射镜，底部激光器发出的激光要透过底部激光投射镜的中心。侧面激光投射镜和侧面激光反射镜的中轴线相重合，顶面激光反射镜和底部激光投射镜的中轴线相重合。风机升降器3连接有风机升降杆4，风机升降杆垂直于操作杆，风机升降器能控制风机升降杆上下移动，风机升降杆上安装有风机5，风机正对着制备层上表面。

本专利可用于制备微尺度光学结构，参考

图3所示实例1流程图，实例1技术方案实现过程如下：

(1)保护气体喷腔释放出惰性气体，保护光学胶在固化过程中不受到其他气体和粉尘干扰。根据微尺度光学结构的特点选取经过不同表面改性处理的制备层(若微尺度光学结构与底部呈现的接触角为锐角则应选取润湿制备层，若微尺度光学结构与底部呈现的接触角为钝角则应选取不润湿制备层)，将光学胶腔将光学胶释放到制备层上。

(2)光学胶在制备层上形成胶体细胞。

(3)逆反射体的模型数据被分成了两组，分别存储在底部激光器和侧面激光器内，两个激光器协同工作，焦点汇集在一点处，该处的激光能量能够使得被辐照的光学胶发生预固化。

(4)两个激光器协同移动，汇集的焦点的移动形状为一个微尺度光学结构的结构框架，在激光器协同移动过程中，胶体细胞内部固化形成了一个结构框架。

(5)两个激光器协同移动，汇集的焦点的移动形状为一个微尺度光学结构的外表面，在在激光器协同移动过程中，被辐照到的胶体被固化，结构框架上发育出表面。

(6)两个激光器协同移动，逐点固化结构框架内部的胶体，使得结构框架内部胶体固化。

(7)形成稳定的预固化的微尺度光学结构。

(8)风机吹出气流，将预固化的微尺度光学结构周围的液态光学胶吹离微尺度光学结构表面。两个激光器协同移动，辐照微尺度光学结构的所有位置，将微尺度光学结构完全固化。

本专利发明了一种新型的微尺度光学结构的制备方法和装置。无需原始模具，直接在制备层上生成，解决传统技术需要制造高精度原始模具以及热压印技术脱模导致的逆反射体表面变形破损的难题，解决增材技术需要进行二次加工改善表面粗糙度的难题。

本专利采用组合激光光束和液态光学胶相互作用生成无支撑结构内切立体骨架并进行表面发育生长制造逆反射体，解决采用传统增材制造技术制造微纳尺度光学器件时合理构建支撑结构和无损去除支撑结构困难的问题。

本专利的制造精度较高，制造精度依赖于激光器光斑的尺寸，两个激光器汇集在一点处，汇集的光斑大小不大于0.1μm。因此加工精度远大于现有技术(50μm)。光斑的移动依靠移动杆进行粗移，依靠镜组进行精密移动，位移精度可以达到0.1μm。

Claims (1)

1.微尺度光学结构加工装置，其特征在于包括：光学胶腔、透镜架、风机升降器、风机升降杆、风机、制备层、底座、底部激光器移动杆、底部激光器、底部激光投射镜、侧面激光器、侧面激光器升降杆、侧面激光器位移器、操作杆、保护气体喷腔、侧面激光投射镜、顶面激光反射镜、侧面激光反射镜；

操作杆与制备层平行；底部激光器和侧面激光器受主机控制；

侧面激光器位移器、保护气体喷腔、光学胶腔、透镜架以及风机升降器依次固定在操作杆上；其中侧面激光器位移器上固定了侧面激光器升降杆，侧面激光器升降杆垂直于操作杆，侧面激光器升降杆能够受到侧面激光器位移器控制进行上下位移，侧面激光器升降杆上安装有侧面激光器，侧面激光器前安装了侧面激光投射镜，侧面激光器发出的激光要透过侧面激光投射镜的中心；光学胶腔垂直于制备层；透镜架上固定有一水平的顶面激光反射镜和竖直的侧面激光反射镜，顶面激光反射镜和侧面激光反射镜相互垂直；底座上依次有制备层、底部激光投射镜、底部激光器和底部激光器移动杆；底部激光器安装在底部激光器移动杆上，底部激光器移动杆与制备层平行，底部激光器移动杆能够带动底部激光器进行左右移动，底部激光器的上端安装底部激光投射镜，底部激光器发出的激光要透过底部激光投射镜的中心；侧面激光投射镜和侧面激光反射镜的中轴线相重合，顶面激光反射镜和底部激光投射镜的中轴线相重合；风机升降器连接有风机升降杆，风机升降杆垂直于操作杆，风机升降器能够控制风机升降杆上下移动，风机升降杆上安装有风机，风机正对着制备层上表面。