CN115185024A - 微透镜阵列、微透镜阵列的制备方法和制备装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种微透镜阵列、微透镜阵列的制备方法和制备装置，所述微透镜阵列包括光学玻璃基底；光学玻璃球冠，所述光学玻璃球冠设置于所述光学玻璃基底上；折射率匹配胶，设置于所述光学玻璃基底和所述光学玻璃球冠之间，以将所述光学玻璃球冠固定在所述光学玻璃基底上；其中，所述光学玻璃基底、所述光学玻璃球冠和所述折射率匹配胶的折射率相同；所述光学玻璃球冠和所述光学玻璃基底采用同一种光学玻璃制成。根据本申请的示例实施例，在保证透镜球面的光洁度的同时，可实现低成本批量化生产。
Description
技术领域
本申请涉及微型激光雷达领域，具体而言，涉及一种微透镜阵列、微透镜阵列的制备方法和制备装置。
背景技术
基于几何光学的折射原理，光在两种透明介质交界处(如空气和玻璃)，将向折射率高的区域弯折。材料的折射率越高，入射光发生折射的能力越强。利用该原理制作的微透镜阵列，可以对激光束精确整形。目前，微透镜阵列被广泛应用于光束整形以及照明领域。
当微透镜阵列的特征尺寸比较小时，例如，特征尺寸小于100微米时，微透镜阵列可以通过采用微光学加工工艺实现。当微透镜阵列的特征尺寸较大时，例如，特征尺寸大于10mm以上时，微透镜阵列可以通过采用机械加工方式实现。
传统的透镜加工工艺主要包括微光学加工工艺和机械加工工艺，本发明人发现，受激光聚焦焦深限制，微光学加工工艺难以加工矢高超过100微米的结构，因此，利用微光学加工工艺无法加工特征尺寸在毫米量级的微透镜阵列。对于机械加工工艺，开模成本高昂，且无法保证透镜的加工精度及光学透镜表面的光洁度。
发明内容
本申请提出一种微透镜阵列、微透镜阵列的制备方法和制备装置，以解决上述至少一种问题。
根据本申请的一方面，提出一种微透镜阵列，所述微透镜阵列包括光学玻璃基底；光学玻璃球冠，所述光学玻璃球冠设置于所述光学玻璃基底上；折射率匹配胶，设置于所述光学玻璃基底和所述光学玻璃球冠之间，以将所述光学玻璃球冠固定在所述光学玻璃基底上；其中，所述光学玻璃基底、所述光学玻璃球冠和所述折射率匹配胶的折射率相同；所述光学玻璃球冠和所述光学玻璃基底采用同一种光学玻璃制成。
根据一些实施例，所述光学玻璃能够使波长范围在700nm～1100nm内的近红外线透过。
根据一些实施例，所述微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm。
根据本申请的一方面，提出一种微透镜阵列的制备方法，所述制备方法包括将光学玻璃基底的表面打磨抛光；利用不同颗粒度的金刚砂制备光学玻璃球冠；将折射率匹配胶在所述光学玻璃基底上进行点胶；将制备好的光学玻璃球冠粘合在所述光学玻璃基底的点胶处，以得到微透镜阵列。
根据一些实施例，所述利用不同颗粒度的金刚砂制备光学玻璃球冠，包括制备光学玻璃立方体，其中，所述光学玻璃立方体的边长大于所述光学玻璃球冠曲率半径的两倍；利用不同颗粒度的金刚砂滚动研磨所述光学玻璃立方体，以得到半径等于所述光学玻璃球冠曲率半径的光学玻璃圆球；激光切割所述光学玻璃圆球，以得到所述光学玻璃球冠。
根据一些实施例，所述光学玻璃基底、所述光学玻璃球冠和所述折射率匹配胶的折射率相同。
根据一些实施例，所述光学玻璃球冠和所述光学玻璃基底采用同一种光学玻璃制成。
根据一些实施例，所述将折射率匹配胶在所述光学玻璃基底上进行点胶，包括利用微组装机在所述光学玻璃基底上进行点胶。
根据一些实施例，所述激光切割所述光学玻璃圆球，包括根据透镜矢高激光切割所述光学玻璃圆球。
根据一些实施例，在将制备好的光学玻璃球冠粘合在所述光学玻璃基底的点胶处之后，所述制备方法还包括自然干燥所述微透镜阵列。
根据一些实施例，所述微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm。
根据本申请的一方面，提出一种微透镜阵列的制备装置，所述微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm，所述制备装置包括打磨抛光单元，用于将光学玻璃基底的表面打磨抛光；球冠制备单元，用于制备光学玻璃球冠；点胶单元，用于将折射率匹配胶在所述光学玻璃基底上进行点胶；粘合单元，用于将制备好的光学玻璃球冠粘合在所述光学玻璃基底的点胶处。
根据本申请的示例实施例，解决了单元特征尺寸在毫米量级的球面微透镜阵列的加工制备问题。在保证透镜球面的光洁度的同时，实现低成本批量化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的结构框图。
图2示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的制备方法流程图。
图3示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的制备方法示意图。
图4示出根据本申请示例实施例的一种制备光学玻璃球冠的方法流程图。
图5示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的制备装置框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或操作等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在激光照明、切割、光束整形及焊接加工等应用领域，往往对出射激光的能量均匀性具有一定的要求。目前激光匀化主要分为衍射性和折射性两种方式。相比于衍射性元件，折射性元件具有通用性更强、能量损耗较少及工作波段较长等优点。微透镜属于折射型光学元件。
在微型激光雷达领域，需要用到特征尺寸范围为1mm～10mm微透镜阵列。而在加工该微透镜阵列时，现有的微光学加工工艺难以加工矢高超过100微米的结构，机械加工工艺的开模成本高，且无法保证透镜的加工精度及光学透镜表面的光洁度。
根据本申请的示例实施例，在加工微透镜阵列前，光学玻璃基底和光学玻璃球冠选用同一种光学玻璃，且和折射率匹配胶的折射率相同。在制备玻璃球冠时，利用不同颗粒度的金刚砂滚动研磨光学玻璃立方体，并根据透镜矢高利用激光切割该光学玻璃立方体，得到平凸透镜，也即光学玻璃球冠。最后利用折射率匹配胶将光学玻璃球冠固定在所述光学玻璃基底上，并利用自然干燥，形成微透镜阵列。根据本申请的实施例，既解决了单元特征尺寸在毫米量级的球面微透镜阵列的加工制备问题，又能在保证透镜球面光洁度的同时，实现低成本批量化生产。
下面结合附图，对根据本申请的具体实施例进行详细说明。
图1示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的结构框图。下面根据图1，对根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列进行详细说明。
如图1所示的微透镜阵列包括光学玻璃基底101、光学玻璃球冠105和折射率匹配胶103。其中，光学玻璃球冠105设置于光学玻璃基底101上；折射率匹配胶103设置在光学玻璃基底101和光学玻璃球冠105之间，以将光学玻璃球冠105固定在光学玻璃基底101上。
根据本申请的示例实施例，光学玻璃球冠105和所述光学玻璃基底101采用同一种光学玻璃制成。
例如，选择的光学玻璃，例如N-BK7光学玻璃，能够使波长范围在700～1100nm内的近红外线透过。
根据一些实施例，光学玻璃基底101、光学玻璃球冠105和折射率匹配胶103的折射率相同，从而避免光经过折射率不同的界面时发生发射，影响透射效率。
根据本申请的实施例，图1所示的微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm，且在保证透镜球面的光洁度的同时，可实现低成本批量化生产。
图2示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的制备方法流程图。图3示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的制备方法示意图。下面结合图2和图3，对根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的制备方法进行详细说明。
如图2所示，在步骤S201，将光学玻璃基底的表面打磨抛光，得到如图3所示的光学玻璃基底4。
根据一些实施例，在步骤S201，将光学玻璃基底的上下表面打磨抛光，使得光学玻璃基底的表面更光滑，以满足微透镜阵列的需要。
在步骤S203，制备光学玻璃球冠。
图4示出根据本申请示例实施例的一种制备光学玻璃球冠的方法流程图，如图4所示，在步骤S2031，制备光学玻璃立方体，如图3所示的光学玻璃立方体1。其中，光学玻璃立方体1的边长大于光学玻璃球冠曲率半径的两倍，为步骤S2033的滚动研磨预留研磨损耗余量。
根据一些实施例，光学玻璃球冠和光学玻璃基底采用同一种光学玻璃制成。
在步骤S2033，滚动研磨在步骤S2031得到的光学玻璃立方体1，以得到半径等于光学玻璃球冠曲率半径的光学玻璃圆球，如图3所示的光学玻璃球2。
例如，分别使用不同颗粒度的金刚砂滚动研磨光学玻璃立方体1，以得到半径等于光学玻璃球冠曲率半径的光学玻璃圆球，在提高研磨速度的同时保证玻璃球面的光滑度。
在步骤S2035，激光切割在步骤2033得到的光学玻璃圆球2，以得到光学玻璃球冠，如图3所示的光学玻璃球冠3。
根据一些实施例，根据透镜矢高激光切割光学玻璃圆球。
在步骤S205，将折射率匹配胶在光学玻璃基底上进行点胶，如图3所示的折射率匹配胶5。
根据一些实施例，利用微组装机在光学玻璃基底上利用折射率匹配胶进行点胶，且点胶之间的距离根据微透镜阵列的参数确定。例如，光学玻璃球冠切割面的直径。
根据另一些实施例，光学玻璃基底、光学玻璃球冠和折射率匹配胶的折射率相同。
在步骤S207，将步骤S203制备好的光学玻璃球冠粘合在光学玻璃基底的点胶处，以得到微透镜阵列，如图3所示。
根据一些实施例，利用微组装机专用吸嘴将步骤S203制备好的光学玻璃球冠固定在光学玻璃基底的点胶处。
根据本申请的另一些实施例，在步骤S207之后，自然干燥步骤S207得到微透镜阵列。
根据本申请的实施例，图2所示的制备方法可用于制备特征尺寸范围在1mm～10mm范围内的微透镜阵列。
根据图2所示的微透镜阵列的制备方法，在加工微透镜阵列前，光学玻璃基底和光学玻璃球冠选用同一种光学玻璃，且和折射率匹配胶的折射率相同。在制备玻璃球冠时，利用不同颗粒度的金刚砂滚动研磨光学玻璃立方体，并根据透镜矢高利用激光切割该光学玻璃立方体，得到平凸透镜，也即光学玻璃球冠。最后利用折射率匹配胶将光学玻璃球冠固定在所述光学玻璃基底上，并通过自然干燥，形成微透镜阵列。根据图2所示的实施例，既解决了单元特征尺寸在毫米量级的球面微透镜阵列的加工制备问题，又能在保证透镜球面光洁度的同时，实现低成本批量化生产。
图5示出根据本申请示例实施例的一种微透镜阵列的制备装置框图，如图5所示的微透镜阵列的制备装置包括打磨抛光单元501、球冠制备单元503、点胶单元505和粘合单元507。其中，打磨抛光单元501用于将光学玻璃基底的表面打磨抛光，球冠制备单元503用于制备光学玻璃球冠，点胶单元505用于将折射率匹配胶在光学玻璃基底上进行点胶，粘合单元507用于将制备好的光学玻璃球冠粘合在光学玻璃基底的点胶处。
根据本申请的实施例，利用图5所示的制备装置制备的微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm。
根据另一些实施例，光学玻璃基底、光学玻璃球冠和折射率匹配胶的折射率相同，且光学玻璃球冠和光学玻璃基底采用同一种光学玻璃制成。
本领域技术人员可以理解上述各模块可以按照实施例的描述分布于装置中，也可以进行相应变化唯一不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (12)
1.一种微透镜阵列，其特征在于，所述微透镜阵列包括：
光学玻璃基底；
光学玻璃球冠，所述光学玻璃球冠设置于所述光学玻璃基底上；
折射率匹配胶，设置于所述光学玻璃基底和所述光学玻璃球冠之间；
其中，
所述光学玻璃基底、所述光学玻璃球冠和所述折射率匹配胶的折射率相同；
所述光学玻璃球冠和所述光学玻璃基底采用同一种光学玻璃制成。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其特征在于，所述光学玻璃能够使波长范围在700nm～1100nm内的近红外线透过。
3.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其特征在于，所述微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm。
4.一种微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将光学玻璃基底的表面打磨抛光；
利用不同颗粒度的金刚砂制备光学玻璃球冠；
将折射率匹配胶在所述光学玻璃基底上进行点胶；
将制备好的光学玻璃球冠粘合在所述光学玻璃基底的点胶处，以得到微透镜阵列。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述利用不同颗粒度的金刚砂制备光学玻璃球冠，包括：
制备光学玻璃立方体，其中，所述光学玻璃立方体的边长大于所述光学玻璃球冠曲率半径的两倍；
利用不同颗粒度的金刚砂滚动研磨所述光学玻璃立方体，以得到半径等于所述光学玻璃球冠曲率半径的光学玻璃圆球；
激光切割所述光学玻璃圆球，以得到所述光学玻璃球冠。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述光学玻璃基底、所述光学玻璃球冠和所述折射率匹配胶的折射率相同。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述光学玻璃球冠和所述光学玻璃基底采用同一种光学玻璃制成。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述将折射率匹配胶在所述光学玻璃基底上进行点胶，包括：
利用微组装机在所述光学玻璃基底上进行点胶。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述激光切割所述光学玻璃圆球，包括：
根据透镜矢高激光切割所述光学玻璃圆球。
10.根据权利4所述的制备方法，其特征在于，在将制备好的光学玻璃球冠粘合在所述光学玻璃基底的点胶处之后，所述制备方法还包括：
自然干燥所述微透镜阵列。
11.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm。
12.一种微透镜阵列的制备装置，其特征在于，所述微透镜阵列的特征尺寸范围为1mm～10mm，所述制备系统包括：
打磨抛光单元，用于将光学玻璃基底的表面打磨抛光；
球冠制备单元，用于制备光学玻璃球冠；
点胶单元，用于将折射率匹配胶在所述光学玻璃基底上进行点胶；
粘合单元，用于将制备好的光学玻璃球冠粘合在所述光学玻璃基底的点胶处。
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