CN111830606B - 超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置及方法，装置包括移动平台、筛网、旋转球体、喷射装置和旋转驱动装置，移动平台能在竖直及水平面上移动，筛网固定于移动平台上方并开设有直径不大于旋转球体直径的通孔，喷射装置用于喷洒磨削颗粒悬浮液，旋转驱动装置用于驱动旋转球体旋转。方法包括步骤一：旋转球体与超硬材料基体的上表面接触；步骤二：旋转球体旋转带动磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体表面；步骤三：水平移动移动平台，旋转球体与超硬材料基体的上表面其他位置接触；步骤四：重复步骤二和步骤三，得到高密度微透镜阵列。本发明能够在超硬材料表面制造高密度、小间距的微透镜阵列，并且成本低，制作效率高。

Description

超硬材料的高密度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制造技术领域，特别是涉及一种超硬材料的高密度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。通常的透镜体积比较大，人眼能看得到，遵循折射定律，用几何光学的知识就能很好地研究它们的光学性质。

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。

然而，随着科学技术的进步，当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展趋势。利用传统方法制造出来的光学元件不仅制造工艺复杂，而且制造出来的光学元件尺寸大、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。目前，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，但其加工设备成本高，效率低，且只适合二维或简单的三维结构；采用离子交换法、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，但同样存在着加工设备成本高、加工效率低、均一性差的缺点，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，但是加工车床或铣床设备成本高，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，若加工高密度微纳阵列，由于刀具的磨损严重，需要反复更换刀具，加工成本高，加工效率低，同时也无法保证高质量、高均匀微纳阵列的切削加工。

因此，采用何种低成本、高效率的加工装置及其加工方法来对超硬材料模具的表面进行高密度微透镜阵列制造加工，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超硬材料的高密度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，能够在超硬材料表面制造高密度、小间距的微透镜阵列，并且成本低，制作效率高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，包括移动平台、筛网、旋转球体、喷射装置和旋转驱动装置，所述移动平台用于安装超硬材料基体，所述移动平台能够在竖直方向及水平面上移动，所述筛网固定设置于所述移动平台上方，所述筛网上开设有通孔，所述通孔直径不大于所述旋转球体直径，所述旋转球体能够进入至所述通孔中，所述喷射装置用于在超硬材料基体表面喷洒磨削颗粒悬浮液，所述旋转驱动装置用于驱动所述旋转球体在所述通孔中旋转，所述旋转球体旋转带动所述磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体表面从而得到高密度微透镜阵列。

优选的，所述旋转驱动装置包括传送带、带轮和电机，所述传送带设置在所述筛网及所述旋转球体上方并与所述旋转球体接触，所述带轮用于张紧所述传送带，所述带轮由所述电机驱动。

优选的，所述旋转球体为钢球，所述磨削颗粒悬浮液为金刚石颗粒悬浮液。

优选的，所述通孔在所述筛网上成阵列分布。

优选的，所述喷射装置为喷嘴，所述喷嘴设置在所述超硬材料基体上方。

本发明还提供一种超硬材料的高密度微透镜阵列制造方法，使用所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，包括以下步骤：

步骤一：将超硬材料基体固定安装在所述移动平台的台面上，竖直方向移动所述移动平台，并在所述通孔中放入所述旋转球体，使得所述旋转球体与超硬材料基体的一个加工位置的上表面接触；

步骤二：向超硬材料基体表面喷洒磨削颗粒悬浮液，开启所述旋转驱动装置驱动所述旋转球体在所述通孔中旋转，所述旋转球体旋转带动所述磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体表面；

步骤三：水平移动所述移动平台，使得所述旋转球体与超硬材料基体的另一个加工位置的上表面接触；

步骤四：重复步骤二和步骤三，直至得到高密度微透镜阵列。

优选的，还包括步骤五：对加工好的高密度微透镜阵列进行清洗，清洗完成后进行干燥处理。

优选的，通过调节所述移动平台竖直方向的移动距离来控制所述微透镜的加工深度。

优选的，步骤五中，将加工好的高密度微透镜阵列置于丙酮中进行清洗。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过旋转球体旋转带动磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体表面，磨削悬浮液可重复利用，成本低，旋转球体破损后进行更换即可，旋转球体更换成本低，更换方便，并且对旋转球体及时更换能够保证微透镜的加工质量，提高了制作效率；通过移动平台的水平移动，能够在超硬材料基体的表面制作高密度、小间距的微透镜阵列。

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为为本发明超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置的部分结构的非加工状态示意图；

图2为为本发明超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置的加工状态示意图；

图中：1-移动平台、2-筛网、3-旋转球体、4-喷射装置、5-旋转驱动装置、6-传送带、7-带轮、8-超硬材料基体。

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高密度微透镜阵列制造装置及方法，以解决现有技术存在的问题，能够在超硬材料表面制造高密度、小间距的微透镜阵列，并且成本低，制作效率高。

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。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例提供了一种超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，包括移动平台1、筛网2、旋转球体3、喷射装置4和旋转驱动装置5，移动平台1用于安装超硬材料基体8，移动平台1能够在竖直方向及水平面上移动，筛网2固定设置于移动平台1上方，筛网2上开设有通孔，通孔直径不大于旋转球体3直径，旋转球体3能够进入至通孔中，喷射装置4用于在超硬材料基体8表面喷洒磨削颗粒悬浮液，旋转驱动装置5用于驱动旋转球体3在通孔中旋转，旋转球体3旋转带动磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体8表面从而得到高密度微透镜阵列。

采用本实施例装置，通过旋转球体3旋转带动磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体8表面，磨削悬浮液可重复利用，成本低，旋转球体3在转动并通过磨削颗粒悬浮液对超硬材料基体8表面进行磨削时，若旋转球体3造成磨损不可用后，将破损的旋转球体3进行更换，将完好的旋转球体3重新放入筛网2中的通孔中继续加工即可，旋转球体3更换成本低，更换方便，并且对旋转球体3的及时更换能够保证微透镜的加工质量，提高了制作效率；通过移动平台1的水平移动，在对超硬材料基体8表面一个加工位置加工完成后，可以移动到任意下一个加工位置，能够在超硬材料基体8的表面制作高密度、小间距的微透镜阵列。

在选取旋转球体3时，旋转球体3的直径与微透镜的曲率半径相对应，以便加工得到所需规格的高密度微透镜阵列。

在对超硬材料基体8的表面进行加工时，旋转球体3被筛网2上的通孔约束住只能在通孔内绕旋转球体3的球心转动，使得旋转球体3加工时更加稳定，以保证微透镜的加工质量。

如图2所示，旋转驱动装置5包括传送带6、带轮7和电机，传送带6设置在筛网2及旋转球体3上方并与旋转球体3接触，带轮7用于张紧传送带6，带轮7由电机驱动。

旋转球体3为钢球，磨削颗粒悬浮液为金刚石颗粒悬浮液。旋转球体3选择为钢球，使得旋转球体3既有一定的硬度与耐磨性，同时成本较低，选择磨削颗粒悬浮液为金刚石颗粒悬浮液，能够对超硬材料基体8的表面进行磨削加工。但是本发明并不限于旋转球体3和磨削颗粒悬浮液的上述选择的材料，可以根据实际需要选择其他相应的材料。

通孔在筛网2上成阵列分布，在通孔内放入旋转球体3加工微透镜时，通过一次加工就可以得到成阵列分布的微透镜，提高了加工效率。但是在本发明中也可以根据实际需要来对通孔的数量及分布方式进行设置，并不局限于阵列分布方式。

喷射装置4为喷嘴，喷嘴设置在超硬材料基体8上方，通过喷嘴向超硬材料基体8表面喷洒磨削颗粒悬浮液。

实施例二

本实施例提供了一种超硬材料的高密度微透镜阵列制造方法，使用实施例一中的超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，包括以下步骤：

步骤一：将超硬材料基体8固定安装在移动平台1的台面上，竖直方向移动移动平台1，并在通孔中放入旋转球体3，使得旋转球体3与超硬材料基体8的一个加工位置的上表面接触；

步骤二：向超硬材料基体8表面喷洒磨削颗粒悬浮液，开启旋转驱动装置5驱动旋转球体3在通孔中旋转，旋转球体3旋转带动磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体8表面；

步骤三：水平移动移动平台1，使得旋转球体3与超硬材料基体8的另一个加工位置的上表面接触；

步骤四：重复步骤二和步骤三，直至得到高密度微透镜阵列；

步骤五：对加工好的高密度微透镜阵列进行清洗，清洗完成后进行干燥处理。

在加工微透镜时，通过调节移动平台1竖直方向的移动距离来控制微透镜的加工深度，并可以根据微透镜加工精度要求选择相应精度的移动平台1。

步骤五中，将加工好的高密度微透镜阵列置于丙酮中进行清洗，也可以选择其他有机溶剂清洗加工好的高密度微透镜阵列。

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 (8)

1.一种超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，其特征在于：包括移动平台、筛网、旋转球体、喷射装置和旋转驱动装置，所述移动平台用于安装超硬材料基体，所述移动平台能够在竖直方向及水平面上移动，所述筛网固定设置于所述移动平台上方，所述筛网上开设有通孔，所述通孔直径不大于所述旋转球体直径，所述旋转球体能够进入至所述通孔中，所述喷射装置用于在超硬材料基体表面喷洒磨削颗粒悬浮液，所述旋转驱动装置用于驱动所述旋转球体在所述通孔中旋转，所述旋转球体旋转带动所述磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体表面从而得到高密度微透镜阵列，所述旋转驱动装置包括传送带、带轮和电机，所述传送带设置在所述筛网及所述旋转球体上方并与所述旋转球体接触，所述带轮用于张紧所述传送带，所述带轮由所述电机驱动。

2.根据权利要求1所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，其特征在于：所述旋转球体为钢球，所述磨削颗粒悬浮液为金刚石颗粒悬浮液。

3.根据权利要求1所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，其特征在于：所述通孔在所述筛网上成阵列分布。

4.根据权利要求1所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，其特征在于：所述喷射装置为喷嘴，所述喷嘴设置在所述超硬材料基体上方。

5.一种超硬材料的高密度微透镜阵列制造方法，其特征在于：使用权利要求1～4中任一项所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造装置，包括以下步骤：

步骤一：将超硬材料基体固定安装在所述移动平台的台面上，竖直方向移动所述移动平台，并在所述通孔中放入所述旋转球体，使得所述旋转球体与超硬材料基体的一个加工位置的上表面接触；

步骤二：向超硬材料基体表面喷洒磨削颗粒悬浮液，开启所述旋转驱动装置驱动所述旋转球体在所述通孔中旋转，所述旋转球体旋转带动所述磨削颗粒悬浮液磨削超硬材料基体表面；

步骤三：水平移动所述移动平台，使得所述旋转球体与超硬材料基体的另一个加工位置的上表面接触；

步骤四：重复步骤二和步骤三，直至得到高密度微透镜阵列。

6.根据权利要求5所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造方法，其特征在于：还包括步骤五：对加工好的高密度微透镜阵列进行清洗，清洗完成后进行干燥处理。

7.根据权利要求5所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造方法，其特征在于：通过调节所述移动平台竖直方向的移动距离来控制所述微透镜的加工深度。

8.根据权利要求6所述的超硬材料的高密度微透镜阵列制造方法，其特征在于：步骤五中，将加工好的高密度微透镜阵列置于丙酮中进行清洗。

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