CN1218196C - 一种毫米量级微透镜列阵的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种毫米量级微透镜列阵的制作方法。该方法克服了现有传统透镜和微透镜加工方法制作毫米量级微透镜列阵的缺陷，通过机械加工制作微透镜列阵的母板，再用硅橡胶、光敏胶等复制母板，最终得到毫米量级微透镜列阵元件。由于机械加工具有较高的加工精度，故该方法可以制作低粗糙度、面形优良的毫米量级微透镜列阵，并且周期短，成本低，可用于大批量生产毫米量级微透镜列阵。
Description
技术领域
本发明涉及一种毫米量级微透镜列阵的制作方法。
背景技术
毫米量级微透镜列阵(口径从几个毫米到几个厘米、浮雕深度从几百个微米到几个毫米)的口径、浮雕深度的尺度界于微透镜列阵和传统透镜之间。因此，采用一般的微透镜列阵制作方法制作毫米量级微透镜列阵，具有加工周期长、工艺复杂等缺陷，很难实现。采用传统透镜的加工方法制作毫米量级微透镜列阵，需要分别加工单个微透镜，然后拼接成微透镜列阵，由于光学加工方法具有的特性，因此存在较难保证微透镜的一致性，影响微透镜列阵质量的缺陷。
现有技术中，主要有以下几种毫米量级微透镜列阵的制作方法：利用注射、浇铸、热压、车削等加工光学塑料制作微透镜列阵。但该方法存在下列缺陷：热膨胀系数高、软化温度低，吸水性强，表面硬度低、容易擦伤，内应力不易消除，易产生裂纹。
光刻热熔法也可用于制作毫米量级微透镜列阵。该方法采用二元掩模在光刻胶上曝光后，再通过烘烤，使光刻胶处于熔融状态，利用流体自身的表面张力成近似球冠，最终形成微透镜列阵。存在具有大量的死区、填充因子小、面形较难精确控制的缺陷。
用超精密的单点金刚石切削设备，在材料表面直接刻划，形成微浮雕结构，也是加工毫米量级微透镜列阵的方法之一。此方法可以在光学材料表面直接刻划，但存在下列缺陷：对所加工元件的对称性有较严格的要求，一般只能加工直线对称和旋转对称的光学元件，不能加工任意面形和二维阵列结构的元件。
《仪器仪表学报》第16卷第1期的文章“二元微光学元件复制技术的研究”(《仪器仪表学报》1995，Vol.16，No.1：361-365)中公开了一种二元光学元件的复制方法，其工艺流程为：在光学基底上制造一个高质量的二元光学元件作为母板，然后由母板通过化学电镀的方法制成金属模压模板，再通过转印复制，完成二元微光学元件的复制。由该文公开的复制方法可以看到，其工艺流程比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种成本低、适于批量生产毫米量级微透镜列阵的制作方法。
本发明的目的通过以下技术措施实现：制作毫米量级微透镜列阵的方法包括制作母板，对母板进行复制，并具有下列工艺步骤：
①、确定所述微透镜列阵参数：列阵数；确定组成所述微透镜列阵的微透镜参数：子孔径、透镜矢高；
②、用机械方法制作母板：
——制作支撑平板；
——在支撑平板上钻通孔；
——制作圆柱；
——将圆柱和支撑平板装配在一起制成母板，母板上具有所述微透镜列阵浮雕结构的模型；
③、用硅橡胶对所述母板进行复制，得到中间板；
④、用光敏胶对中间板进行复制，在光学基底上形成所述微透镜列阵的浮雕模型，完成毫米量级微透镜列阵的制作。
本发明的目的也通过以下技术措施实现：用45钢制作所述支撑平板；支撑平板上的通孔的数量等于所述微透镜列阵的微透镜数量，所述通孔之间的中心间距等于所述微透镜之间的中心间距，通孔的直径等于所述微透镜子孔径。所述圆柱的直径等于所述微透镜子孔径，圆柱的一端端部按照所述微透镜的子孔径和透镜矢高加工成微透镜面形。所述母板由支撑平板和圆柱构成；圆柱插入支撑平板上的通孔中，支撑平板的平面之上只有圆柱的微透镜面形部份。
本发明的目的还通过以下技术措施实现：毫米量级微透镜列阵的制作方法包括制作母板，对母板进行复制，并具有下列工艺步骤：
①、确定所述微透镜列阵的浮雕面形；
②、利用机械方法制作母板：
根据所述微透镜列阵的浮雕面形，通过数控精密铣床对不锈钢进行加工制成母板，母板上具有所述微透镜列阵浮雕结构的模型；
③、用硅橡胶对所述母板进行复制，得到中间板；
④、用光敏胶对中间板进行复制，在光学基底上形成所述微透镜列阵的浮雕模型，完成毫米量级微透镜列阵的制作。
本发明与现有技术相比有以下优点：本发明通过机械加工的方法制作母板。因为机械加工的方法多种多样，容易实现，而且具有较高的加工精度，因此能够得到任意形状、多种尺寸、面形优良的母板，从而得到任意形状、面形优良的微光学元件，而且一次成型，不需要拼接，尤其适合毫米量级微光学元件的制作。
由于本发明的工艺流程中所选用的复制材料——加成硫化型硅橡胶粘度低、硫化过程可控，收缩率为1‰，可深度固化，具有良好的复制仿真性和脱模性；以及光敏胶透明性好，在400nm～900nm范围内平均透过率为90％，吸收率低，吸收曲线平滑，因此通过复制得到的最终元件面形好，表面粗糙度低，光学性能良好。
本发明通过机械加工方法制作的母板可多次使用；加成硫化型硅橡胶对底材无腐蚀，具有优异的耐老化、耐紫外光性能，故硅橡胶中间模具可反复使用，因此降低了生产成本。
本发明的方法对设备要求不高，且制作步骤少，加工周期短，故可用于大批量生产毫米量级微透镜列阵。
随着机械加工方法的不断改进和日益完善，使本发明制作母板的加工方法能够得到更多技术手段的支持，因此本发明的制作方法具有发展潜力。
附图说明
图1是本发明实施例一的工艺流程图。
图2是本发明实施例一制作的微透镜列阵的母板的零件支撑平板1的俯视图。
图3是实施例一母板的零件支撑平板1的剖视图。
图4是实施例一母板的零件圆柱3的示意图。
图5是实施例一制作的母板的剖视图。
图6是实施例一的母板的照片。
图7是实施例一制作的微透镜列阵的硅橡胶中间板的照片。
图8是实施例一制作的微透镜列阵的照片。
图9是本发明实施例二的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一是制作子孔径φ2mm，数值孔径0.2，列阵数8×8，透镜矢高为0.2mm的连续浮雕微透镜列阵。
实施例一制作方法的工艺流程如图1所示：
1、确定微透镜浮雕面形：根据实施例一的参数确定所作微透镜列阵的透镜为凸透镜，其曲线面形为抛物面；
2、通过机械加工的方法制作母板4：
①、采用45号钢制作一个支撑平板1。如图3所示，在支撑平板1上钻通孔2，通孔2的直径等于微透镜子孔径φ2mm。如图2所示，支撑平板1上有8×8个通孔2，通孔2的间距为微透镜列阵的中心间距；
②、制作8×8个圆柱3。如图4所示，圆柱3的直径等于微透镜子孔径φ2mm，其一端端部为微透镜面形。按照微透镜子孔径φ2mm、透镜矢高0.2mm加工微透镜面形；
③、将8×8个圆柱3分别插入支撑平板1的通孔2内，使支撑平板1之上只有圆柱3的微透镜面形部份，构成微透镜列阵的母板4，(如图5所示)。图6为母板4的照片。
3、用硅橡胶作模具复制母板4，得到硅橡胶中间板(如图7所示)；
4、用光敏胶复制硅橡胶中间板，在石英基底上形成连续浮雕微透镜列阵，完成实施例一的微透镜列阵的制作。图8所示为实施例一制作的连续浮雕微透镜列阵的照片。
实施例二是制作子孔径φ3m，列阵数16×16，透镜矢高0.5mm的连续浮雕微透镜列阵。
实施例二的工艺流程如图9所示：
1、确定微透镜浮雕面形：
根据实施例二制作参数确定所复制透镜为凹透镜，曲线面形为双曲面；
2、通过机械加工的方法制作母板：
根据确定的微透镜浮雕面形，通过数控精密铣床对不锈钢进行加工，制作母板；
3、用光敏胶复制母板，得到实施例二所需的微透镜浮雕面形，完成微透镜列阵的制作。
Claims (5)
1、一种毫米量级微透镜列阵的制作方法，包括制作母板(4)，对母板(4)进行复制，其特征在于具有下列工艺步骤：
①、确定所述微透镜列阵参数：列阵数；确定组成所述微透镜列阵的微透镜参数：子孔径、透镜矢高；
②、用机械方法制作母板(4)：
——制作支撑平板(1)；
——在支撑平板(1)上钻通孔(2)；
——制作圆柱(3)；
——将圆柱(3)和支撑平板(1)装配在一起制成母板(4)，母板(4)上具有所述微透镜列阵浮雕结构的模型；
③、用硅橡胶对所述母板(4)进行复制，得到中间板；
④、用光敏胶对中间板进行复制，在光学基底上形成所述微透镜列阵的浮雕模型，完成毫米量级微透镜列阵的制作。
2、根据权利要求1所述的毫米量级微透镜列阵的制作方法，其特征在于：所述支撑平板(1)用45钢制作；支撑平板(1)上的通孔(2)的数量等于所述微透镜列阵的微透镜数量，所述通孔(2)之间的中心间距等于所述微透镜之间的中心间距，通孔(2)的直径等于所述微透镜子孔径。
3、根据权利要求1所述的毫米量级微透镜列阵的制作方法，其特征在于：所述圆柱(3)的直径等于所述微透镜子孔径，圆柱(3)的一端端部按照所述微透镜的子孔径和透镜矢高加工成微透镜面形。
4、根据权利要求1所述的毫米量级微透镜列阵的制作方法，其特征在于：所述母板(4)由支撑平板(1)和圆柱(3)构成；圆柱(3)插入支撑平板(1)上的通孔(2)中，支撑平板(1)的平面之上只有圆柱(3)的微透镜面形部份。
5、一种毫米量级微透镜列阵的制作方法，包括制作母板，对母板进行复制，其特征在于具有下列工艺步骤：
①、确定所述微透镜列阵的浮雕面形；
②、利用机械方法制作母板：
根据所述微透镜列阵的浮雕面形，通过数控精密铣床对不锈钢进行加工制成母板，母板上具有所述微透镜列阵浮雕结构的模型；
③、用硅橡胶对所述母板进行复制，得到中间板；
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