CN111458772B - 一种超硬材料的微透镜阵列制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超硬材料的微透镜阵列制造装置，包括工作台、旋转轴、若干个钢球和喷嘴，工作台能够承载固定待加工材料，钢球与旋转轴可拆卸连接，旋转轴能够带动钢球旋转，旋转轴与钢球同轴设置，钢球与旋转轴的连接位置能够调节，旋转轴连接有驱动装置；喷嘴与外界金刚石颗粒悬浮液相连，喷嘴能够向待加工的超硬材料表面喷洒金刚石颗粒悬浮液。本发明还提供一种超硬材料的微透镜阵列制造方法，根据要制造的微透镜的曲率半径选取相对应直径的钢球，驱动旋转轴带着钢球转动，同时向待加工工件表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，钢球包裹着金刚石颗粒将待加工工件加工成微透镜阵列，被加工的微透镜阵列表面精度得到保证，同时降低了加工成本。

Description

一种超硬材料的微透镜阵列制造装置及方法

技术领域

本发明涉及微透镜阵列加工制造技术领域，特别是涉及一种超硬材料的微透镜阵列制造装置及方法。

背景技术

透镜是一种人们非常熟悉的光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。相同的透镜按一定的周期排列在一个平面上便构成了透镜阵列，由普通的透镜组成的透镜阵列的光学性质就是单个透镜功能的合成。随着科技的不断发展，人们已经能够制作出直径非常小的透镜与透镜阵列，这种透镜与透镜阵列通常是不能被人眼识别的，只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到，这就是微透镜和微透镜阵列。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、车削方法、铣削方法、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、刻蚀等方法工艺较成熟，兼容性较好，也可实现批量生产，但其成本高，效率低，且只适合二维或简单的三维结构；离子交换法、飞秒激光法和聚焦离子束等能量加工方法可实现纳米级的精密结构的加工，但成本高效率低，均一性差且难以批量生产；单点金刚石车削方法和铣削方法可完成复杂结构的高面型精度的加工，效率低，当被加工材料是超硬材料(单晶硅、碳化硅、碳化钨等)时，在基准面的加工过程中，刀具的磨损严重，很难保证高质量基准面的切削加工，同时由于刀具的磨损也无法实现后续高质量、高均匀微纳阵列的切削加工。

因此，如何改变现有技术中，超硬材料的微透镜阵列加工精度难以保证、制造成本高的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超硬材料的微透镜阵列制造装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高超硬材料的微透镜阵列的加工精度，降低超硬材料的微透镜阵列加工成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种超硬材料的微透镜阵列制造装置，包括工作台、旋转轴、若干个钢球和喷嘴，所述工作台能够承载固定待加工材料，且所述工作台能够带动待加工材料进行移动，所述钢球与所述旋转轴可拆卸连接，所述旋转轴能够带动所述钢球旋转，所述旋转轴与所述钢球同轴设置，所述钢球与所述旋转轴的连接位置能够调节，所述旋转轴连接有驱动装置，所述驱动装置能够驱动所述旋转轴转动，所述旋转轴设置于所述工作台上部，所述旋转轴的轴线与所述工作台的承载面所在平面相平行；所述喷嘴与外界金刚石颗粒悬浮液相连，所述喷嘴能够向待加工的超硬材料表面喷洒金刚石颗粒悬浮液。

优选地，所述超硬材料的微透镜阵列制造装置还包括两个支撑架，所述支撑架对称设置于所述工作台的两侧，所述旋转轴与所述支撑架转动相连，所述旋转轴穿过所述支撑架与所述驱动装置传动相连。

优选地，所述旋转轴具有螺纹杆段，所述螺纹杆段设置于两个所述支撑架之间，所述旋转轴与所述钢球螺纹连接。

优选地，所述钢球的两侧设置锁紧螺母。

本发明还提供一种超硬材料的微透镜阵列制造方法，包括如下步骤：

步骤一、根据要制造的微透镜的曲率半径选取相对应直径的钢球；

步骤二、将钢球依次安装到旋转轴上，根据待加工的微透镜阵列中各个微透镜的间隔尺寸，使相邻钢球中心的间隔尺寸与微透镜的间隔尺寸保持一致，固定钢球；

步骤三、将待加工材料固定在工作台上，调整工作台，使钢球与待加工材料表面相抵接；

步骤四、驱动装置驱动旋转轴转动，与此同时，喷嘴向待加工工件表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，所有钢球随着旋转轴转动将待加工材料加工出相应数量的微小的凹坑，微透镜阵列制造完成。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的超硬材料的微透镜阵列制造装置，包括工作台、旋转轴、若干个钢球和喷嘴，工作台能够承载固定待加工材料，且工作台能够带动待加工材料进行移动，钢球与旋转轴可拆卸连接，旋转轴能够带动钢球旋转，旋转轴与钢球同轴设置，钢球与旋转轴的连接位置能够调节，旋转轴连接有驱动装置，驱动装置能够驱动旋转轴转动，旋转轴设置于工作台上部，旋转轴的轴线与工作台的承载面所在平面相平行；喷嘴与外界金刚石颗粒悬浮液相连，喷嘴能够向待加工的超硬材料表面喷洒金刚石颗粒悬浮液。本发明还提供一种超硬材料的微透镜阵列制造方法，根据要制造的微透镜的曲率半径选取相对应直径的钢球，驱动旋转轴带着钢球转动，同时向待加工工件表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，钢球包裹着金刚石颗粒将待加工工件加工成微透镜阵列，被加工的微透镜阵列表面精度得到保证，同时降低了加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的超硬材料的微透镜阵列制造装置的结构示意图；

图2为本发明的超硬材料的微透镜阵列制造装置的剖切结构示意图；

其中，1为工作台，2为旋转轴，3为钢球，4为支撑架，5为驱动装置，6为待加工工件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超硬材料的微透镜阵列制造装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高超硬材料的微透镜阵列的加工精度，降低超硬材料的微透镜阵列加工成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-2，其中，图1为本发明的超硬材料的微透镜阵列制造装置的结构示意图，图2为本发明的超硬材料的微透镜阵列制造装置的剖切结构示意图。

本发明提供一种超硬材料的微透镜阵列制造装置，包括工作台1、旋转轴2、若干个钢球3和喷嘴，工作台1能够承载固定待加工材料，且工作台1能够带动待加工材料进行移动，钢球3与旋转轴2可拆卸连接，旋转轴2能够带动钢球3旋转，旋转轴2与钢球3同轴设置，钢球3与旋转轴2的连接位置能够调节，旋转轴2连接有驱动装置5，驱动装置5能够驱动旋转轴2转动，旋转轴2设置于工作台1上部，旋转轴2的轴线与工作台1的承载面所在平面相平行；喷嘴与外界金刚石颗粒悬浮液相连，喷嘴能够向待加工的超硬材料表面喷洒金刚石颗粒悬浮液。

待加工材料为超硬材料，理论上需要采用硬度更高的材料，如金刚石刀具对其进行加工，金刚石刀具价格较高，且易磨损，本发明的超硬材料的微透镜阵列制造装置，采用钢球3作为提供形状的一方，加工过程中向待加工工件喷洒金刚石颗粒悬浮液，旋转轴2带动钢球3转动，钢球3包裹着金刚石对待加工工件进行加工，达到使用硬度较低、价格廉宜的钢球3加工超硬材料的目的，当钢球3磨损时立即更换，降低加工成本，提高加工精度，且钢球3与旋转轴2的连接位置能够调节，可加工出任意间隙距离的微透镜阵列，提高加工装置的灵活度和适应性。需要说明的是，工作台1能够承载和固定待加工工件，且能够带动待加工工件在坐标系中XYZ三个方向移动，使得钢球3顺利接触待加工工件，本发明的制造装置不涉及对工作台1作出新的改进，因此不再赘述。

具体地，超硬材料的微透镜阵列制造装置还包括两个支撑架4，支撑架4对称设置于工作台1的两侧，旋转轴2与支撑架4转动相连，旋转轴2穿过支撑架4与驱动装置5传动相连，支撑架4能够支撑旋转轴2，使得旋转轴2顺利带动钢球3转动，提高了装置整体稳定性。

更具体地，旋转轴2具有螺纹杆段，螺纹杆段设置于两个支撑架4之间，旋转轴2与钢球3螺纹连接，螺纹连接方便拆装，更加便于调整相邻钢球3之间的间隙。

进一步地，钢球3的两侧设置锁紧螺母，防止在加工过程中，钢球3与旋转轴2发生相对移动导致钢球3错位降低加工精度。

本发明还提供一种超硬材料的微透镜阵列制造方法，包括如下步骤：

步骤一、根据要制造的微透镜的曲率半径选取相对应直径的钢球3，钢球3作为微透镜阵列制造中的塑形载体，将钢球3的球面形状复制到超硬材料的表面。

步骤二、将钢球3依次安装到旋转轴2上，根据待加工的微透镜阵列中各个微透镜的间隔尺寸，使相邻钢球3中心的间隔尺寸与微透镜的间隔尺寸保持一致，固定钢球3。

步骤三、将待加工材料固定在工作台1上，调整工作台1，使钢球3与待加工材料表面相抵接。

步骤四、驱动装置5驱动旋转轴2转动，与此同时，喷嘴向待加工工件表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，所有钢球3随着旋转轴2转动将待加工材料加工出相应数量的微小的凹坑，微透镜阵列制造完成。在加工过程中，可以通过控制工作台1上升的距离控制凹坑的深度，即微透镜的深度，将加工完成的工件置于丙酮中，清洗、干燥后得到表面具有微透镜阵列的加工工件，即完成微透镜阵列的加工，提高了微透镜阵列的加工精度。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种超硬材料的微透镜阵列制造装置，其特征在于：包括工作台、旋转轴、若干个钢球和喷嘴，所述工作台能够承载固定待加工材料，且所述工作台能够带动待加工材料进行移动，所述钢球与所述旋转轴可拆卸连接，所述旋转轴能够带动所述钢球旋转，所述旋转轴与所述钢球同轴设置，所述钢球与所述旋转轴的连接位置能够调节，所述旋转轴连接有驱动装置，所述驱动装置能够驱动所述旋转轴转动，所述旋转轴设置于所述工作台上部，所述旋转轴的轴线与所述工作台的承载面所在平面相平行；所述喷嘴与外界金刚石颗粒悬浮液相连，所述喷嘴能够向待加工的超硬材料表面喷洒金刚石颗粒悬浮液。

2.根据权利要求1所述的超硬材料的微透镜阵列制造装置，其特征在于：还包括两个支撑架，所述支撑架对称设置于所述工作台的两侧，所述旋转轴与所述支撑架转动相连，所述旋转轴穿过所述支撑架与所述驱动装置传动相连。

3.根据权利要求2所述的超硬材料的微透镜阵列制造装置，其特征在于：所述旋转轴具有螺纹杆段，所述螺纹杆段设置于两个所述支撑架之间，所述旋转轴与所述钢球螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的超硬材料的微透镜阵列制造装置，其特征在于：所述钢球的两侧设置锁紧螺母。

5.一种超硬材料的微透镜阵列制造方法，利用权利要求1-4任一项所述的超硬材料的微透镜阵列制造装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据要制造的微透镜的曲率半径选取相对应直径的钢球；

步骤二、将钢球依次安装到旋转轴上，根据待加工的微透镜阵列中各个微透镜的间隔尺寸，使相邻钢球中心的间隔尺寸与微透镜的间隔尺寸保持一致，固定钢球；

步骤三、将待加工材料固定在工作台上，调整工作台，使钢球与待加工材料表面相抵接；

步骤四、驱动装置驱动旋转轴转动，与此同时，喷嘴向待加工工件表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，所有钢球随着旋转轴转动将待加工材料加工出相应数量的微小的凹坑，微透镜阵列制造完成。

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