CN115185022A - 一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法 - Google Patents

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周天丰
高立恒
王罡
阮本帅
粱志强
刘志兵
解丽静
王西彬
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Abstract

本发明公开一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，包括以下步骤：S1：在基底上通过微球自组装的方法获得单层微球阵列；S2：将具有单层微球阵列的基底置于模具基底的上平面上，使单层微球阵列处于基底和模具基底之间，将基底与模具基底夹持固定，使单层微球阵列与模具基底的相对位置保持不变；S3：将基底、单层微球阵列和模具基底置于镀液中，采用化学镀方法在单层微球阵列间的缝隙中实现镀层沉积；S4：揭去基底和单层微球阵列，得到微透镜阵列模具；S5：将微透镜阵列结构的顶面进行修整加工，使微透镜阵列结构顶端平齐。本发明能够实现极端尺寸尤其是大深宽比的微透镜阵列模具的高效制造，且微透镜阵列结构一致性高，精度高。

Description

一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法
技术领域
本发明涉及微透镜技术领域，特别是涉及一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法。
背景技术
玻璃模压成形是玻璃微透镜阵列加工的主要技术之一，其加工效率高，一致性好，被认为是光学微透镜阵列制造的最有效方法。高精度、高寿命的微透镜阵列模具是实现玻璃微透镜阵列模压成形加工的前提。目前，慢刀伺服车削、超精密铣削、超精密磨削是微透镜阵列模具加工的最主要方法。传统的微透镜阵列模具制造方法如图1所示，首先在模具毛坯上镀金属层，并对镀层进行切平，然后在镀层上对每一个透镜单元逐一进行加工，加工时长取决于透镜单元的数量。然而，这些方法在加工原理上均存在缺陷，难以加工极小尺寸、大深宽比的微透镜阵列。其中，慢刀伺服车削由于存在刀具后角干涉，导致透镜单元深宽比小。同时，中心向四周加工时非均匀的刀具轨迹和切削速度以及对刀误差影响了微透镜阵列整体加工精度和加工一致性。超精密铣削和超精密磨削则受到刀具磨损影响，无法保证大面积微透镜阵列的一致性。此外逐单元加工的方式严重影响了加工效率。因此，传统机械加工方法难以满足极端尺寸微透镜阵列模具高效制造需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现极端尺寸微透镜阵列模具的制造，制作效率高，且微透镜阵列结构一致性高，精度高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，包括以下步骤：
S1：在基底上通过微球自组装的方法获得单层微球阵列；
S2：将具有所述单层微球阵列的所述基底置于模具基底的上平面上，使所述单层微球阵列处于所述基底和所述模具基底之间，并使所述单层微球阵列与所述模具基底的上平面接触，然后将所述基底与所述模具基底夹持固定，使所述单层微球阵列与所述模具基底的相对位置保持不变；
S3：将所述基底、所述单层微球阵列和所述模具基底置于镀液中，采用化学镀方法在所述单层微球阵列间的缝隙中实现镀层沉积；
S4：揭去所述基底和所述单层微球阵列，得到表面具有微透镜阵列结构的所述微透镜阵列模具；
S5：将步骤S4得到的所述微透镜阵列模具的具有所述微透镜阵列结构的一面进行修整加工，使所述微透镜阵列结构顶端平齐。
优选地，步骤S1中的所述微球自组装的方法为通过空气-水界面微球自组装的方法在平面界面上组装微球阵列。
优选地，步骤S1中的所述微球自组装的方法为通过限域自组装的方法在带有阵列结构的图案化基底上组装微球阵列。
优选地，步骤S2中，采用超精密加工方式获得具有上平面的所述模具基底。
优选地，所述基底为聚合物基底或Si平板基底。
优选地，所述模具基底为磷镍基基底，所述镀层为磷镍基镀层。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，利用微球自组装和化学镀的方法在模具基底上制作微透镜阵列结构，能够实现极端尺寸(大面积、小单元尺寸、大深宽比)微透镜阵列模具的制造，制作效率高，且微透镜阵列结构一致性高，精度高。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的微透镜阵列模具制造方法的流程图；
图2为本发明提供的基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法的流程图；
图3为本发明中微球气液界面自组装过程示意图；
图4为本发明中微球气液界面自组装形成的自组装微球膜的示意图；
图5为本发明中微球限域自组装过程示意图；
图6为本发明中镀层相邻单元尖部不平整时的结构示意图；
图7为本发明中单层微球阵列为正方形排布的阵列形式的示意图；
图8为本发明中单层微球阵列为六边形排布的阵列形式的示意图；
图9为本发明中微透镜阵列单元的深度和宽度的示意图；
图中：1-基底、2-单层微球阵列、3-模具基底、4-镀液、5-镀层、6-微透镜阵列模具、7-去离子水、8-容器、9-微球悬浮液、10-微球、11-注射器、12-自组装微球膜、13-阵列结构。
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基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，以解决现有技术存在的问题，能够实现极端尺寸微透镜阵列模具的制造，制作效率高，且微透镜阵列结构一致性高，精度高。
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。
如图2-图9所示，本实施例提供一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，包括以下步骤：
S1：在基底1上通过微球自组装的方法获得单层微球阵列2；
S2：将具有单层微球阵列2的基底1置于模具基底3的上平面上，使单层微球阵列2处于基底1和模具基底3之间，并使单层微球阵列2与模具基底3的上平面接触，然后将基底1与模具基底3夹持固定，使单层微球阵列2与模具基底3的相对位置保持不变；
S3：将基底1、单层微球阵列2和模具基底3置于镀液4中，采用化学镀方法在单层微球阵列2间的缝隙中实现镀层5沉积；
S4：揭去基底1和单层微球阵列2，得到表面具有微透镜阵列结构的微透镜阵列模具6；
S5：将步骤S4得到的微透镜阵列模具6的具有微透镜阵列结构的一面进行修整加工，使微透镜阵列结构顶端平齐。
其中，单层微球阵列2为正方形排布(图7所示)或六边形排布(图8所示)的阵列形式，分布均匀，无缺陷，通过微球自组装的方法(微球由于范德华力、引力等的作用，自发地紧密排布成阵列结构)即可实现。首先，本方法通过微球自组装方式获得单层微球阵列2，再利用化学镀方法将阵列结构直接转印到模具基底3上，微透镜阵列单元口径取决于微球10直径，目前自组装微球直径可以达到微米级，因此本方法可以实现极端尺寸(微米级)微透镜阵列模具的加工；其次，由于微透镜阵列结构是由单层微球阵列2转印得到的，其形貌精度取决于单层微球阵列2形貌精度，且自组装微球之间不存在相互影响，转印出的微透镜阵列结构一致性高，精度高；最后，自组装及化学镀工艺耗时短、效率高，加工时长受加工面积影响低，便于实现极端尺寸(超大面积)微透镜阵列模具的加工，突破加工面积限制。如图9所示，微透镜阵列单元的深宽比即微透镜阵列单元深度H与顶部的直径L的比值，微透镜阵列单元的深宽比取决于镀层沉积深度(镀层高度)和修整加工时的切削深度，通过对镀层沉积深度和切削深度进行调控，可以实现极端尺寸(大深宽比)微透镜阵列模具的加工。镀膜后，膜层5顶部(图6中顶部框选部分)相邻单元的尖部可能不平整，通过修整加工即将顶部切平，能够获得一致性较好的微透镜阵列模具6。
本实施例中，步骤S1中的微球自组装的方法为通过空气-水界面微球自组装的方法在平面界面上组装微球阵列或通过限域自组装的方法在带有阵列结构的图案化基底上获得微球阵列。空气-水界面微球自组装的方法如图3-图4所示，首先将基底1放置于盛有去离子水7的容器8中，然后将配置好的微球悬浮液9缓慢滴入容器8，直至微球10完全覆盖水面，利用水浴超声振动辅助促进微球自组装过程，并利用注射器11将容器8中的去离子水7抽出，使得空气-水界面上的自组装微球膜12“落”在基底1表面，依靠微球10与基底1粘附力组合在一起，即可获得表面附有单层微球阵列2的基底1；限域自组装的方法如图5所示，在基底1表面加工阵列结构13(可为三角形凹槽阵列结构)，然后将微球10平铺在带有阵列结构13的图案化基底1上，去除多余微球10，在阵列结构13的导向下，即可获得表面附有单层微球阵列2的基底1。
本实施例中，步骤S2中，采用超精密加工方式获得具有上平面的模具基底3，制作方便，制作精度高。
本实施例中，基底1为聚合物基底或Si平板基底，聚合物可选用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料，方便对微球进行剥离。
本实施例中，模具基底3为磷镍基基底，镀层5为磷镍基镀层，采用磷镍基基底方便进行镀膜和修整加工。
本发明提供的微透镜阵列模具制造方法，解决了极端尺寸微透镜阵列模具快速高效制造技术难题，在大幅提高微透镜阵列模具加工效率的同时，保证了模具加工精度。
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 (6)

1.一种基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在基底上通过微球自组装的方法获得单层微球阵列；
S2：将具有所述单层微球阵列的所述基底置于模具基底的上平面上，使所述单层微球阵列处于所述基底和所述模具基底之间，并使所述单层微球阵列与所述模具基底的上平面接触，然后将所述基底与所述模具基底夹持固定，使所述单层微球阵列与所述模具基底的相对位置保持不变；
S3：将所述基底、所述单层微球阵列和所述模具基底置于镀液中，采用化学镀方法在所述单层微球阵列间的缝隙中实现镀层沉积；
S4：揭去所述基底和所述单层微球阵列，得到表面具有微透镜阵列结构的所述微透镜阵列模具；
S5：将步骤S4得到的所述微透镜阵列模具的具有所述微透镜阵列结构的一面进行修整加工，使所述微透镜阵列结构顶端平齐。
2.根据权利要求1所述的基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，其特征在于：步骤S1中的所述微球自组装的方法为通过空气-水界面微球自组装的方法在平面界面上组装微球阵列。
3.根据权利要求1所述的基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，其特征在于：步骤S1中的所述微球自组装的方法为通过限域自组装的方法在带有阵列结构的图案化基底上组装微球阵列。
4.根据权利要求1所述的基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，其特征在于：步骤S2中，采用超精密加工方式获得具有上平面的所述模具基底。
5.根据权利要求1所述的基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，其特征在于：所述基底为聚合物基底或Si平板基底。
6.根据权利要求1所述的基于微球自组装的微透镜阵列模具制造方法，其特征在于：所述模具基底为磷镍基基底，所述镀层为磷镍基镀层。
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