CN116947303A - 一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，包括步骤一、准备模具，所述模具有预设微特征；步骤二、将光学材料放置在模具的预设微特征上；步骤三、将光学材料加热至光学材料的玻璃化转变温度以上；步骤四、热成型，将模具的上模下压，在惰性气体的保护下压缩光学材料，使光学材料充填复制模具表面的预设微观特征；步骤五、冷却至室温后脱模，分离得到具有预设微特征的微透镜阵列。本发明可以实现批量生产制造无缺陷的、具有微特征的和功能性几何形状的微透镜阵列，适用于大多数光学材料，提升了生产率并降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，特别是涉及一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法。
背景技术
随着微光学和光电系统的快速发展，微透镜阵列已成为大多数光操纵和数字显示中应用最普遍的重要部件。其应用领域可以扩展到生物医学设备中，例如用于细胞成像和组织工程的内窥镜应用。然而，该阵列的小型化和合适的制造技术是现代应用的关键限制因素，包括超高分辨率显示技术、3D立体成像、电荷耦合器件(CCD)、Shack-Hartmann传感器(SHS)、高密度光学数据存储、光学神经网络和其他光电器件，如亚微米分辨率和分子检测。为了满足性能要求，快速直接的制造技术是生产具有多功能几何形状(例如球面、圆柱形、六边形等)的无缺陷精密微透镜阵列的主要挑战之一，无缺陷的微透镜阵列对于攻克微光学器件的制造障碍至关重要。
针对微透镜阵列不断增长的应用需求，现有技术中已经引入了各种制造技术，包括超精密金刚石车削，电子束光刻、紫外光刻、激光直写、飞秒激光辅助的湿法蚀刻、纳米级电化学微加工(EMM)、机械加工、反应湿冲压、热回流等。然而，上述微透镜阵列制造技术大多十分复杂昂贵，灵活性差且分辨率低，在微透镜阵列的形貌和精度方面不可控。此外，这样产生的微透镜表面通常具有随机缺陷，会显著降低透镜在调制入射波前相位和重建全息图像方面的性能。下面是采用现有工艺技术制造的微透镜阵列中存在缺陷的例子：(1)飞秒激光技术被认为是微透镜阵列独特加工的有前途的工具。然而，该技术效率低、消耗高，并且很难制造具有良好精度和分辨率的高数值孔径(NA)微透镜阵列；(2)光刻技术一种是利用电子束、激光直写和聚焦离子束等在光刻胶上生产高精度微透镜阵列的制造方法，其成本很高，生产效率低，表面质量差；(3)单点金刚石车削可以满足硬脆材料的加工要求，可用于制造各种亚微米曲面结构。然而，在大面积微透镜阵列的加工效率方面存在瓶颈。由于金刚石刀具表面会形成严重裂纹和微碎屑，加之设备成本高，因此不适用于大多数硅基光学玻璃材料；(4)微复制和UV固化技术的结合简单且具有成本效益，可以在一个步骤中生产微透镜阵列和其他光学组件。但是，该工艺仅适用于制备不能在恶劣环境中使用的聚合物微透镜阵列。
开发一种单步的、直接的技术来制造无缺陷的光学玻璃微透镜阵列是光学图像传感器系统领域的一个重大挑战。与传统的光学玻璃透镜相比，高分子材料透镜制造成本低，但却有很多劣势。如采用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸环己酯和聚甲基丙烯酸甲酯制成的透镜，硬度低，易划伤，保形性差，随时间出现浑浊和泛黄等。这类透镜的适用温度范围也有限，通常在60℃至80℃之间软化，其折射率可能会随时间变化。此外，由于高分子材料在压力下对冷流敏感且热膨胀系数高(大约是玻璃的十倍)，因此具有吸水倾向并可能发生尺寸变化。显着的热膨胀也会导致其折射率发生变化，严重影响该类透镜的光学性能。
因此，与高分子材料相比，光学玻璃是一种更好的透镜材料，其具有卓越的光学性能，包括高硬度、出色的透明度以及在各种环境条件下的稳定性。然而，由于光学玻璃的物理特性，使光学玻璃透镜的制造成本居高不下。
为了应对这些挑战，已经产生了与模具和玻璃透镜的制造相关的若干专利。例如，美国专利(专利号：2410616)描述了一种用于模制表面光洁度类似于眼镜的玻璃镜片的仪器。然而，模压后的透镜工件需要经过额外的研磨和抛光才可能达到所需的精度水平。美国专利(专利号：3833347)则介绍了一种用于压模玻璃镜片的设备，实现温度控制和使用惰性气体以防止氧化，但其具系类玻璃碳材料，成本高，并不适合摄影于高质量的透镜生产。美国专利4168961则概述了一种使用由碳化硅/玻璃碳混合物制成的模具来模制光学玻璃元件，但缺少实用价值和经济价值。
为此，提出一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，包括以下步骤：
步骤一、准备模具，所述模具有预设微特征；
步骤二、将光学材料放置在模具的预设微特征上；
步骤三、将光学材料加热至光学材料的玻璃化转变温度以上；
步骤四、热成型，将模具的上模下压，在惰性气体的保护下压缩光学材料，使光学材料充填复制模具表面的预设微观特征；
步骤五、冷却至室温后脱模，分离得到具有预设微特征的微透镜阵列。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述步骤三中，通过加热室对光学材料进行加热，使用惰性气体填充加热室，加热室保持光学材料的预定设定温度高于光学材料的玻璃化转变温度。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述加热室电性连接有控制系统，所述控制系统用于控制所述加热室的加热速率。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述步骤五中，微透镜阵列包括若干透镜元件，若干所述透镜元件呈矩形阵列排布。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述透镜元件为圆形凸起结构。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述步骤五中，微透镜阵列的整体形状包括但不限于球面、圆柱形、六边形。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述透镜元件的数量为三十六个，所述矩形阵列的长度方向和宽度方向均设有六个所述透镜元件。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述步骤三中的惰性气体和所述步骤四中的惰性气体均采用氮气。
根据本发明提供的一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，所述步骤二中，在室温空气中将光学材料放置在模具的预设微特征上。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过热成形工艺和预设微特征的模具的组合，直接实现快速制造微透镜阵列，可通过调整模具的预设微特征，实现定制具有所需光学特征的多功能几何形状的微透镜阵列，通过工艺优化可以实现批量生产制造无缺陷光学玻璃微透镜阵列，提升了生产率并降低了生产成本；
本发明通过模压光学材料经受高于其玻璃化转变温度的加热和压缩来生产无缺陷的、具有微特征的和功能性几何形状的微透镜阵列；本发明将光学材料加热至玻璃化转变温度以上，压入预制的具有所需微特征的模具，生成所需光学特征的微透镜阵列；将高效的热成形工艺在制造用于先进光电子学的高可靠性微透镜阵列，适用于大多数光学材料，具有玻璃化转变温度以上的软化性和流动性，模具可以多次使用，产出的微透镜阵列无需作二次表面加工。
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为本发明中光学材料放置在模具上时的示意图；
图2为本发明中模具上制备出微透镜阵列时的示意图；
图3为本发明中透镜元件的结构示意图；
图4为本发明中微透镜阵列的剖面图；
其中，1、模具；2、光学材料；3、微透镜阵列；4、透镜元件。
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。
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。
精密玻璃成型(PGM)技术在生产各种基于光学玻璃的微透镜阵列(MLA)方面具有众多优势。这些优点包括简单性、高工艺效率、低运营成本、结构复制精度高、周期时间短以及模具可重复使用。
参照图1-4，本发明提供一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，包括以下步骤：
步骤一、准备模具1，模具1有预设微特征；
步骤二、将光学材料2放置在模具1的预设微特征上；通过调整模具1的预设微特征，可以用于制造包括球面、圆柱形、六边形或其他的多功能几何形状和尺寸的微透镜阵列3，具有特定应用所需的光学特性；微透镜阵列3的表面质量取决于模具1表面质量以及热成型加工的工艺参数；
步骤三、将光学材料2加热至光学材料2的玻璃化转变温度(Tg)以上；
步骤四、热成型，将模具1的上模下压，在惰性气体的保护下压缩光学材料2，使光学材料2充填复制模具1表面的预设微观特征；本发明中采用加压室(图中未示出)将模具1的上模下压，加压室电性连接有模压控制系统(图中未示出)；通过模压控制系统对不同模压阶段的成型力进行调控，根据不同的光学材料特性给出最优的模压工艺参数，适用于各种非晶材料，包括不同类型的光学玻璃，从而能够复制所需的不同尺度的结构；
步骤五、冷却至室温后脱模，分离得到具有预设微特征的微透镜阵列3；微透镜阵列3的尺寸可以根据具体要求修改预定的模具特征来定制；
如此设置，本发明通过热成形工艺和预设微特征的模具1的组合，直接实现快速制造微透镜阵列3，可通过调整模具1的预设微特征，实现定制具有所需光学特征的多功能几何形状的微透镜阵列3，产生的微透镜阵列3的均匀性和表面质量高；通过工艺优化可以实现批量生产制造无缺陷光学玻璃微透镜阵列，提升了生产率并降低了生产成本，工艺方法简约易操作，不再需要昂贵的加工工艺与高技能的操作人员；
本发明通过模压光学材料2经受高于其玻璃化转变温度的加热和压缩来生产无缺陷的、具有微特征的和功能性几何形状的微透镜阵列3；本发明将光学材料2加热至玻璃化转变温度以上，压入预制的具有所需微特征的模具1，生成所需光学特征的微透镜阵列3；将高效的热成形工艺在制造用于先进光电子学的高可靠性微透镜阵列3，适用于大多数具有热塑性能的光学材料2，具有玻璃化转变温度以上的软化性和流动性，模具1可以多次使用，产出的微透镜阵列3无需作二次表面加工。
进一步优化方案，步骤三中，通过加热室对光学材料2进行加热，使用惰性气体填充加热室，加热室保持光学材料2的预定设定温度高于光学材料2的玻璃化转变温度；光学材料2的热稳定性(如：Tg)和流动性对微透镜阵列3的表面质量有影响，单个光学材料2(光学玻璃或聚合物光学材料)的软化性质和流动性高于其Tg，在压缩力下填充模具1的微特征并冷却到室温以控制微透镜阵列3的尺寸和几何形状，在单一制造布置中只需设置为加热至Tg以上。
进一步优化方案，加热室电性连接有控制系统(图中未示出)，控制系统用于控制加热室的加热速率；通过控制系统调控加热室的加热速率，以使得加热室保持光学材料2的预定设定温度高于光学材料2的玻璃化转变温度，进而实现高效的热成型工艺，提高成品质量。
进一步优化方案，步骤五中，微透镜阵列3包括若干透镜元件4；每个透镜元件4的形状可根据实际应用的要求预先设计，比如可以为球面、柱面、抛物面、圆锥/台面、棱柱面、棱锥面、椭球/柱面等；若干透镜元件4的分布和透镜间距均可按实际需要排列，如：M行×N列均匀分布等。
进一步优化方案，单个透镜元件4的尺寸和几何形状可通过预设的模具1来控制微特征的几何形状，例如凹凸、以及形状例如方形、六边形、圆柱形等具有多个所需的光学特征，以针对特定应用所需的光学特性；可以通过改变模具1的预设微观特征来实现各种几何形状和尺寸的微透镜阵列3的制备；
本实施例中，透镜元件4为圆形凸起结构。
进一步优化方案，步骤五中，微透镜阵列3的整体形状包括但不限于球面、圆柱形、六边形。
进一步优化方案，透镜元件4的数量为三十六个，矩形阵列的长度方向和宽度方向均设有六个透镜元件4；每个透镜元件4可以将入射光引导至焦点，使得微透镜阵列3可以单独将36(6×6)个不同的光投影聚焦到36个不同的焦点上；微透镜阵列3的尺寸和形状可根据实际应用要求设计制造，如M行N列椭球面、柱面、抛物面、锥面、棱柱面等微透镜阵列。
进一步优化方案，步骤三中的惰性气体和步骤四中的惰性气体均采用氮气。
进一步优化方案，步骤二中，在室温空气中将光学材料2放置在模具1的预设微特征上。
本发明制备出的微透镜阵列3可以在各种图像传感器装置中得到实际应用，例如CMOS或CCD成像装置。具体地，当与图像传感器的各个像素相关联时，可以实现提高灵敏度并减少像素之间的干扰。此外，微透镜阵列3可用于Shack-Hartmann波前图像传感器，以有效分析广阔区域的波前方向；当用于LCD面板时，则可增强像素对比度性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、准备模具(1)，所述模具(1)有预设微特征；
步骤二、将光学材料(2)放置在模具(1)的预设微特征上；
步骤三、将光学材料(2)加热至光学材料(2)的玻璃化转变温度以上；
步骤四、热成型，将模具(1)的上模下压，在惰性气体的保护下压缩光学材料(2)，使光学材料(2)充填复制模具(1)表面的预设微观特征；
步骤五、冷却至室温后脱模，分离得到具有预设微特征的微透镜阵列(3)。
2.根据权利要求1所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述步骤三中，通过加热室对光学材料(2)进行加热，使用惰性气体填充加热室，加热室保持光学材料(2)的预定设定温度高于光学材料(2)的玻璃化转变温度。
3.根据权利要求2所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述加热室电性连接有控制系统，所述控制系统用于控制所述加热室的加热速率。
4.根据权利要求1所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述步骤五中，微透镜阵列(3)包括若干透镜元件(4)，若干所述透镜元件(4)呈矩形阵列排布。
5.根据权利要求4所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述透镜元件(4)为圆形凸起结构。
6.根据权利要求1所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述步骤五中，微透镜阵列(3)的整体形状包括但不限于球面、圆柱形、六边形。
7.根据权利要求4所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述透镜元件(4)的数量为三十六个，所述矩形阵列的长度方向和宽度方向均设有六个所述透镜元件(4)。
8.根据权利要求2所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述步骤三中的惰性气体和所述步骤四中的惰性气体均采用氮气。
9.根据权利要求1所述的光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法，其特征在于：所述步骤二中，在室温空气中将光学材料(2)放置在模具(1)的预设微特征上。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311149750.0A Pending CN116947303A (zh) | 2023-09-06 | 2023-09-06 | 一种光学玻璃微透镜阵列的精密成型方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116947303A (zh) |
-
2023
- 2023-09-06 CN CN202311149750.0A patent/CN116947303A/zh active Pending
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