CN201271984Y - 一种非球面微透镜阵列制作装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种非球面微透镜阵列制作装置，解决了现有微透镜及其阵列器件制作时无法操控透镜面形和实时检测透镜面光学性能的问题。该装置包括主体支架、注射器、上电极、横向检测光路、纵向检测光路和环形紫外光源等；注射器下方设有盛液盒；注射器的一侧设有上电极和样品台，样品台下表面和上电极上表面设有氧化铟锡镀层，可形成平板电容式电场。用注射器将液滴放置于样品台和上电极之间，由电场操控液滴透镜的面形，横向检测光路实时检测其面形，纵向检测光路检测聚焦光斑，根据面形和焦斑图像进行像差分析，当面形和焦斑合适时，环形紫外光源将液滴透镜固化，得到具有良好光学性能的固体非球面微透镜。本实用新型工艺简单、重复性高、成本低。

Description

一种非球面微透镜阵列制作装置

技术领域

本实用新型涉及一种微透镜阵列制作装置，特别涉及能够改变透镜面形并实时检测透镜光学参数的微透镜阵列制作装置。

背景技术

微透镜是微光学领域的重要器件之一，微透镜及其阵列器件在光束整形、光束耦合、复眼透镜、集成成像等领域有广泛的应用。

目前常见的微透镜制作方法主要有金刚石切削法、光刻胶热熔成型法、模压成型法、喷墨印刷式技术等。金刚石切削法是用机械加工的方法切削玻璃得到透镜折射面，该方法得到的透镜表面光洁度不高，且成本较高，工艺重复性较差。光刻胶热熔成型法是用光刻的方法获得块状的光刻胶，然后加热使光刻胶熔化自然形成透镜面形，该方法工艺复杂，成本很高，只能制作尺度很小的透镜，而且透镜面形是自然形成的球面。众所周知，球面透镜具有不可消除的球差，其成像性能较差。模压成型法是将液体倒入模具中，用加热或紫外固化的方法使液体固化得到透镜，透镜的形状取决于模具的形状和质量，该方法对模具的要求较高，而模具的加工困难，成本很高，而且容易磨损，使用多次后模具即报废。

喷墨印刷式技术是用类似于喷墨打印机的喷墨技术，将液滴喷出并弹落于基体上，自然形成透镜面形，用加热或紫外照射的方法使液滴固化得到固体透镜。例如中国专利号CN200510083332.1，公开日2006年01月18日，名称为“微透镜的制造方法以及微透镜的制造装置”的专利，该发明涉及一种微透镜的制造方法，是将含有微透镜的构成材料的液滴从液滴喷头喷出并弹落于基体上，在从喷出所述液滴后直到刚刚弹落后期间，至少向所述液滴照射一次紫外线。另外，该发明的微透镜的制造装置具有：喷出含有微透镜的构成材料的液滴喷头、载置需要形成微透镜的基体的工作台、和对从所述液滴喷头朝向所述基体飞行中的所述液滴或在所述基体上弹落后的所述液滴照射紫外线的紫外线照射机构。该发明所设计的微透镜制作方法就属于喷墨印刷式技术。

该发明的不足之处在于：所制作的透镜形状是液滴由表面张力作用自然形成的面形，为球面，具有不可消除的球差，成像性能较差；不能根据需要操控所制作的透镜的面形；而且在透镜制作过程中不能实时检测透镜的面形和光学性能。

发明内容

为了解决现有微透镜及其阵列器件制作时无法操控透镜面形，无法实时检测所制作透镜面形和光学性能的问题，本实用新型提供一种工艺简单、重复性高、制造成本低的非球面微透镜阵列制作装置。

实现上述目的的结构设计方案是这样的：

一种非球面微透镜阵列制作装置包括主体支架9、注射器19、上电极11、横向检测光路、纵向检测光路、环形紫外光源8和整体式二维平移台4；

所述主体支架9下部为工作台状，工作台中部向上为门字形垂直立臂，垂直立臂上端设有一悬臂；

垂直立臂一侧的主体支架9的工作台上设有注射器横向平移台21，注射器横向平移台21上垂直设有注射器纵向平移台20，注射器19通过注射器支架18设于注射器纵向平移台20上；注射器19下方的主体支架9上设有盛液盒22；

盛液盒22一侧的主体支架9下部通过白光光源支架24设有白光光源23，且白光光源23与样品台6对应；主体支架9另一侧下部通过反光镜支架29设有反光镜5，反光镜5的下方对应设有低像差镜头2，低像差镜头2连接着面形检测摄像头1；所述横向检测光路由所述的白光光源23、反光镜5、低像差镜头2和面形检测摄像头1组成；

所述主体支架9的悬臂端部连接着一维调整台17，一维调整台17上设有长工作距离物镜14，长工作距离物镜14连接着观察摄像头16，观察摄像头16一侧设有半导体激光器13；

长工作距离物镜14下方设有上电极11，上电极11通过上电极支架12设于上电极纵向平移台15上，上电极纵向平移台15立设于上电极横向平移台10上，上电极横向平移台10设于主体支架9的门字形垂直立臂中部工作台面上；

与上电极11对应，整体式二维平移台4下方设有连续变倍镜头25，连续变倍镜头25连接着焦斑检测摄像头28，连续变倍镜头25通过二维调整台26设于光斑寻找平移台27上，光斑寻找平移台27垂直设于主体支架9下部；所述纵向检测光路由所述的半导体激光器13、连续变倍镜头25和焦斑检测摄像头28组成；

悬臂下方通过平移台支架3设有整体式二维平移台4，整体式二维平移台4为回字形，其顶面设有样品台6，其中部上方设有环形紫外光源8。

所述样品台6和上电极11材料均为玻璃，样品台6下表面和上电极11上表面设有氧化铟锡镀层；样品台6接地，上电极11接0-5500V电压。

所述长工作距离物镜14的工作距离为270—300mm。

所述低像差镜头2失真率小于0.2％。

所述连续变倍镜头25为倍数3X-30X连续可调的物镜。

所述环形紫外光源8由4—8个紫外发光二极管组成，发光波长365nm。

该装置工作时，用注射器19吸取液滴并将液滴放置于样品台6上，利用样品台6和上电极11形成的平板电容式电场操控液滴透镜7的面形，使液滴透镜7的面形由球面变为非球面，并由横向检测光路实时检测液滴透镜7的面形，纵向检测光路实时检测液滴透镜7的聚焦光斑，根据面形和焦斑图像进行像差分析，在检测到合适的透镜面形和焦斑时，开启环形紫外光源8将液滴透镜7固化，得到具有良好光学性能的固体非球面微透镜；在完成一个透镜的制作后，由整体式二维平移台4带动样品台6在水平面上移动一定的位移制作下一个透镜，从而完成非球面微透镜阵列的制作。

本实用新型与现有的技术相比的有益效果是：

1、采用电场操控液滴面形技术，利用样品台和上电极形成的平板电容式电场，使液滴透镜的面形能够随电场作用而改变，从自然状态下的球面变化为非球面，从而制作非球面透镜。

2、采用实时检测技术，在电场操控液滴透镜面形的同时，利用横向检测光路实时检测液滴透镜的面形图像，纵向检测光路实时检测液滴透镜的聚焦光斑图像，并经过一系列图像处理进行分析，从而得到透镜的像差参数，评价透镜的聚焦和成像性能。

3、采用紫外光固化技术，在实时检测到合适的面形和聚焦光斑图像时，开启环形紫外光源照射液滴透镜，使其固化成固体，从而得到具有良好聚焦和成像性能的固体非球面透镜。

4、采用阵列化制作技术，在完成一个透镜的制作时，用整体式二维平移台使样品台在水平面上移动一定的位移，其他部件的位置保持不动，可以用相同的工艺制作下一个透镜，从而完成透镜阵列的制作。

5、采用自动化技术，利用主控计算机和单片机控制各平移台的移动，并利用光栅尺和光电限位传感器反馈各平移台的移动信息，利用采集卡收集并处理透镜的面形和聚焦光斑图像，使制作工艺简单、可靠、重复性高。

6、采用液滴作为透镜材料并最终固化为固体透镜的技术，透镜表面由液滴表面张力形成，表面光洁度高，成本低。

附图说明

图1为本实用新型的等轴测视图；

图2为本实用新型的主视图；

图3为本实用新型的左视图；

图4为本实用新型的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例：

参见图1、图2和图3，一种非球面微透镜阵列的制作装置包括主体支架9、注射器19、上电极11、横向检测光路、纵向检测光路、环形紫外光源8和整体式二维平移台4。

主体支架9下部为工作台状，工作台中部向上为门字形垂直立臂，垂直立臂上端为一悬臂；

注射器19通过注射器支架18固定在注射器纵向平移台20上，注射器纵向平移台20固定在注射器横向平移台21上，由注射器横向平移台21和注射器纵向平移台20带动注射器19横向、纵向二维移动，注射器横向平移台21固定在垂直立臂一侧的主体支架9上。注射器19下方的主体支架9上置有盛液盒22，注射器19在盛液盒22中吸取液体，并经过二维移动将液体注射在样品台6上形成液滴透镜7，液滴透镜7的直径为0.5—5mm。

盛液盒22一侧的主体支架9下部设有横向检测光路，横向检测光路由白光光源23、反光镜5、低像差镜头2和面形检测摄像头1组成，低像差镜头2连接着面形检测摄像头1；白光光源23通过白光光源支架24固定在主体支架9一侧下部，且白光光源23与样品台6对应；反光镜5和低像差镜头2通过反光镜支架29固定在主体支架9另一侧下部，低像差镜头2连接着面形检测摄像头1。横向检测光路由白光光源23照明，经俯仰角可调整的反光镜5，用低像差镜头2将液滴透镜7的侧面轮廓在面形检测摄像头1上成像；低像差镜头2为Navitar公司的Precise Eye系列低像差镜头，失真率保持在0.14％以下，可以实现对图像的高精度测量。

主体支架9的悬臂端安装有一维调整台17，一维调整台17上安装有长工作距离物镜14，长工作距离物镜14连接有观察摄像头16，观察摄像头16一侧设有半导体激光器13；利用半导体激光器13作为同轴照明光源，并通过一维调整台17可以调整长工作距离物镜14的纵向位置，使长工作距离物镜14通过观察摄像头16可以清晰地观察样品台6上微透镜阵列中各透镜的位置，长工作距离物镜14的工作距离为293mm，可调整的工作距离范围为270—300mm，避开注射器19和上电极11。

长工作距离物镜14下方设有上电极11，上电极11通过上电极支架12固定在上电极纵向平移台15上，上电极纵向平移台15固定在上电极横向平移台10上，由上电极横向平移台10和上电极纵向平移台15带动上电极11横向、纵向二维移动，上电极横向平移台10固定在主体支架9的门字形垂直立臂中部的工作台面上。

样品台6和上电极11的材料为相对应面镀有氧化铟锡(ITO)导电薄膜的透明玻璃，样品台6接地，上电极11接高电压，用样品台6和上电极11形成的平板电容式电场操控液滴透镜7的面形；上电极的电压范围为0-5500V可调。

与上电极11对应，整体式二维平移台4下方设有纵向检测光路，纵向检测光路由半导体激光器13、连续变倍镜头25和焦斑检测摄像头28组成，连续变倍镜头25固定在二维调整台26上，二维调整台26固定在光斑寻找平移台27上，光斑寻找平移台27垂直安装于主体支架9下部。纵向检测光路由半导体激光器13发出的准直平行光束，经液滴透镜7聚焦后，由二维调整台26调整连续变倍镜头25水平面上的位置，由光斑寻找平移台27调整连续变倍镜头25的纵向位置，使连续变倍镜头25将液滴透镜7的聚焦光斑在焦斑检测摄像头28上成像；连续变倍镜头25为倍数3X-30X连续可调的物镜，低倍数便于寻找光斑位置，高倍数使测量更加准确。

主体支架9的悬臂下方通过平移台支架3安装有整体式二维平移台4，整体式二维平移台4为回字形，其顶面为样品台6，整体式二维平移台4带动样品台6进行水平面上的二维移动，使装置可以在样品台的其他位置制作透镜，从而完成透镜阵列的制作。

样品台6上方安装有环形紫外光源8。环形紫外光源8固定在主体支架9上；环形紫外光源8由四个高功率的紫外发光二极管组成，发光波长365nm，可以调整每个紫外发光二极管的俯仰角，使其发出的光束集中照射在液滴透镜7上，环形紫外光源8开启时可以将液滴透镜7固化成为固体透镜。液滴透镜7所使用的液体为对紫外光敏感的材料，在波长365nm的紫外光照射下能固化成为固体。四个紫外发光二极管为圆周均匀分布，可以使液滴透镜7均匀固化。紫外发光二极管的数量范围为4-8个，可以根据液滴透镜7固化的均匀情况来选择。

参见图4，图4是本实用新型的电路原理示意图。图4中：4是整体式二维平移台，100是光栅尺，15是上电极纵向平移台，10是上电极横向平移台，20是注射器纵向平移台，21是注射器横向平移台，200是光电限位传感器，300是AT89S52单片机，1是面形检测摄像头，16是观察摄像头，28是焦斑检测摄像头，400是图像采集卡，11是上电极，500是高压电源，600是主控计算机，700是终端显示器。

由主控计算机600控制整套装置的运行。AT89S52单片机300向整体式二维平移台4和上电极纵向平移台15、上电极横向平移台10、注射器纵向平移台20、注射器横向平移台21发出驱动信号，控制各平移台的移动。整体式二维平移台4上安装有光栅尺100，在整体式二维平移台4移动时，光栅尺100将整体式二维平移台4的移动信息发给AT89S52单片机300，避免步进马达运行时可能发生的丢步现象，将整体式二维平移台4的移动精度提高至2um，使微透镜阵列中的每个透镜能够准确排布，提高了微透镜阵列的光学成像性能。光电限位传感器200安装在上电极纵向平移台15、上电极横向平移台10、注射器纵向平移台20、注射器横向平移台21上，作为各平移台移动的零点和终点，由AT89S52单片机300处理光电限位传感器200的信号，防止各平移台碰撞。由图像采集卡400实时采集面形检测摄像头1、观察摄像头16和焦斑检测摄像头28的图像信息，传给主控计算机600进行图像处理，并在终端显示器700上显示图像。由主控计算机600控制高压电源500，向上电极11施加高电压，操控液滴透镜7的面形。

其操作过程是，用注射器19将液滴透镜7放置于样品台6上，由上电极11和样品台6形成的电场操控液滴透镜7的面形，使液滴透镜7的面形由初始状态的球面变为非球面，并由横向检测光路实时检测液滴透镜7的面形，纵向检测光路实时检测液滴透镜7的聚焦光斑，根据面形图像和聚焦光斑图像进行像差分析，在检测到合适的面形和聚焦光斑时，开启环形紫外光源8将液滴透镜7固化，得到一个具有良好光学聚焦和成像性能的固体非球面微透镜；在完成一个透镜的制作时，由整体式二维平移台4带动样品台6在水平面上移动一定的位移，在样品台的另一个位置制作下一个透镜，从而完成非球面微透镜阵列的制作。

当要制作一个非球面微透镜阵列时，微透镜阵列制作装置上电进入工作状态，输入所要制作的微透镜阵列的数量、透镜间距、单个透镜体积、电极间距等参数；首先，开始制作第一个透镜，注射器19向下移动至盛液盒22，为了准确控制单个透镜的体积，注射器19先挤出残留液体，再从盛液盒22里吸取液体；为了不与其他部件发生碰撞，注射器19先向上移动至初始位置，再向左移动至样品台6上方，再向下移动至样品台6的位置，将液体注射在样品台6上形成液滴透镜7；注射完液体后，为了不与上电极11发生碰撞，并为长工作距离物镜14的观察光路让出位置，注射器19先向上移动，再向右移动至初始位置；接着，上电极11先向前移动至样品台6上方，再向下移动至指定位置，此时高压电源500向上电极11施加电压操控透镜面形，并由横向检测光路和纵向检测光路实时检测液滴透镜7的面形图像和聚焦光斑图像，经图像采集卡400将图像传送至主控计算机600，，在终端显示器700上显示图像，并进行像差分析，判断透镜是否满足要求，如果不满足要求，则调整上电极11的电压或者调整上电极11与样品台6的间距，继续改变透镜面形，如果满足要求，则开启环形紫外光源8固化透镜；然后，上电极11先向上移动，再向后移动至初始位置，并判断透镜阵列是否已经制作完成，如果否，则整体式二维平移台4在带动样品台6在水平面上根据透镜间距移动一定的位移，并重复以上的步骤开始制作下一个透镜，如果是，则完成整个非球面微透镜阵列的制作，结束。

Claims (6)

1、一种非球面微透镜阵列制作装置，其特征在于：包括主体支架(9)、注射器(19)、上电极(11)、横向检测光路、纵向检测光路、环形紫外光源(8)和整体式二维平移台(4)；

所述主体支架(9)下部为工作台状，工作台中部向上为门字形垂直立臂，垂直立臂上端设有一悬臂；

垂直立臂一侧的主体支架(9)的工作台上设有注射器横向平移台(21)，注射器横向平移台(21)上垂直设有注射器纵向平移台(20)，注射器(19)通过注射器支架(18)设于注射器纵向平移台(20)上；注射器(19)下方的主体支架(9)上设有盛液盒(22)；

盛液盒(22)一侧的主体支架(9)下部通过白光光源支架(24)设有白光光源(23)，且白光光源(23)与样品台(6)对应；主体支架(9)另一侧下部通过反光镜支架(29)设有反光镜(5)，反光镜(5)的下方对应设有低像差镜头(2)，低像差镜头(2)连接着面形检测摄像头(1)；所述横向检测光路由所述的白光光源(23)、反光镜(5)、低像差镜头(2)和面形检测摄像头(1)组成；

所述主体支架(9)的悬臂端部连接着一维调整台(17)，一维调整台(17)上设有长工作距离物镜(14)，长工作距离物镜(14)连接着观察摄像头(16)，观察摄像头(16)一侧设有半导体激光器(13)；

长工作距离物镜(14)下方设有上电极(11)，上电极(11)通过上电极支架(12)设于上电极纵向平移台(15)上，上电极纵向平移台(15)立设于上电极横向平移台(10)上，上电极横向平移台(10)设于主体支架(9)的门字形垂直立臂中部工作台面上；

与上电极(11)对应，整体式二维平移台(4)下方设有连续变倍镜头(25)，连续变倍镜头(25)连接着焦斑检测摄像头(28)，连续变倍镜头(25)通过二维调整台(26)设于光斑寻找平移台(27)上，光斑寻找平移台(27)垂直设于主体支架(9)下部；所述纵向检测光路由所述的半导体激光器(13)、连续变倍镜头(25)和焦斑检测摄像头(28)组成；

悬臂下方通过平移台支架(3)设有整体式二维平移台(4)，整体式二维平移台(4)为回字形，其顶面设有样品台(6)，其中部上方设有环形紫外光源(8)。

2、根据权利要求1所述的一种非球面微透镜阵列制作装置，其特征在于：所述样品台(6)和上电极(11)材料均为玻璃，样品台(6)下表面和上电极(11)上表面设有氧化铟锡镀层；样品台(6)接地，上电极(11)接0-5500V电压。

3、根据权利要求1所述的一种非球面微透镜阵列制作装置，其特征在于：所述长工作距离物镜(14)的工作距离为270—300mm。

4、根据权利要求1所述的一种非球面微透镜阵列制作装置，其特征在于：所述低像差镜头(2)失真率小于0.2％。

5、根据权利要求1所述的一种非球面微透镜阵列制作装置，其特征在于：所述连续变倍镜头(25)为倍数3X-30X连续可调的物镜。

6、根据权利要求1所述的一种非球面微透镜阵列制作装置，其特征在于：所述环形紫外光源(8)由4—8个紫外发光二极管组成，发光波长365nm。

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