一種具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面的壓痕制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微小型精密制造加工技術領域，具體涉及一種具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面的壓痕制造方法。
【背景技術】
[0002]隨著現(xiàn)代光學電子技術的飛速發(fā)展，應用于航空航天、光學電子、激光及通信等行業(yè)的各種小型光電產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如相機、數(shù)碼投影機、光碟機、影像掃描機、激光印表機、傳真機、影印機、光通訊元件及顯示器等，豐富了人們的日常生活的同時，也為教育傳授、歷史資料記錄、信息通訊、經(jīng)濟發(fā)展、國防監(jiān)測等提供了便利。而透鏡在這當中起著決定性的地位，高精度的透鏡，將光信息以一定的方式傳送，或聚集或發(fā)散，進行信息輸送或者是顯示成像。其中，用于顯示器的背光板和激光打印機及掃描機等微透鏡陣列，作為新型光學器件得到了廣泛的應用于發(fā)展。
[0003]微透鏡與微透鏡陣列是最為重要的光學器件，微透鏡直徑范圍從ΙΟμπι到10mm，由這些微透鏡在底材上以一定的形狀規(guī)律排列而成，具有一定光學性能特性的陣列稱為微透鏡陣列，因此微透鏡陣列是由通光孔徑和浮雕深度在微米級別的透鏡組成的陣列，具有傳統(tǒng)透鏡的聚焦、成像等基本功能，而且尺寸小、集成度高的特點，能夠完成傳統(tǒng)光學元器件無法完成的功能，并且能夠構(gòu)成很多新型的光學系統(tǒng)。
[0004]然而，隨著高精度的微小形狀光學零部件的需求量不斷增大，其制造的精度要求也不斷提高。微透鏡、微透鏡陣列、微透鏡模具和微透鏡陣列模具都是表面具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，該功能表面可以通過相同的加工方法進行加工制造?，F(xiàn)有的具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面的加工方法，根據(jù)被加工件的不同的應用有不同的加工方法。
[0005]目前，用于制作微透鏡陣列的方法，有光刻膠熱熔法、光敏玻璃熱成形法、離子交換法、飛秒激光法、光電反應刻蝕法、聚焦離子束刻蝕與沉積法和化學氣象沉積法等方法。
[0006]光刻膠熱熔法是在基片上涂上一定厚度的光刻膠，在圓形陣列的掩模下進行紫外曝光，顯影后便得到圓柱陣列光刻膠結(jié)構(gòu)，將光刻膠加熱至熔融狀態(tài)，其表面張力將圓柱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成光滑的球冠狀結(jié)構(gòu)，這樣便得到了光刻膠構(gòu)成的微透鏡陣列。這種加工方法的優(yōu)點是成本低、工藝簡單;缺點是透鏡材料選擇有限，工藝參數(shù)難以把握。
[0007]飛秒激光酸刻蝕法加工微透鏡陣列，飛秒激光脈沖持續(xù)時間只有飛秒量級，遠小于材料中受激電子通過聲子將能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等形式的放時間，從而避免了熱擴散的影響。在加工過程中限制了熱影響區(qū)，避免了熱熔化的存在，實現(xiàn)了相對意義上的“冷”加工，因此飛秒激光光刻孔周圍的區(qū)域不會將受到熱影響，而且孔的邊緣不會出現(xiàn)大量的熔化物質(zhì)。飛秒激光打孔后，利用酸對光學玻璃的刻蝕的特點，在多種光學玻璃表面制作了凹微透鏡陣列，因此通過飛秒激光酸刻蝕法加工的微透鏡表面品質(zhì)很高。而且，飛秒激光加工還具有可成型材料廣、加工周期短、透鏡結(jié)構(gòu)可調(diào)以及可加工異形微透鏡等優(yōu)點。
[0008]微透鏡的生產(chǎn)方法主要是注塑法(塑料透鏡)和模壓成形法(玻璃透鏡)，成形模具的精度決定了透鏡的加工精度。傳統(tǒng)的加工透鏡模具的方法是車削、銑削和磨削等材料去除類機械加工方法，及特種加工方法，如LIGA法等。
[0009]車削加工方法，利用金剛石車刀對工件進行精密車削，形成需要的透鏡形狀。光學透鏡精度要求高，對車削加工提出了很大的挑戰(zhàn)，金剛石車刀的加工精度需要高于透鏡對精度的要求。復雜形狀透鏡的需要，使車削刀具軌跡更加復雜，車床控制更困難，加工自由度要求更高。
[0010]銑削加工方法，在透鏡毛坯件表面鉆削錐形孔，然后利用球頭銑刀將錐形孔銑削成凹球面，得到球面透鏡凹痕模具，再利用球模對凹痕面進行熱壓，從而對凹球面進行修形得到最終的半球透鏡模具。這種加工方法需要用到三種加工“刀具”，分別是鉆頭、球頭銑刀、球模，分為了三步加工過程，每一次加工都需要對刀，這樣嚴重降低了加工的精度；同時銑刀和球模需要根據(jù)需要的透鏡尺寸進行加工，增加了加工成本。
[0011]特種加工方法，首先采用UV-LIGA法制成表面具有柱狀微細孔陣列結(jié)構(gòu)的金屬鎳模具;然后在真空環(huán)境下將UV固化膠涂覆于模具的柱狀微細孔陣列之內(nèi)，旋轉(zhuǎn)上述加工工件，使得一部分UV固化膠均勻地旋轉(zhuǎn)出微細孔，形成穩(wěn)定凹面形狀，之后利用紫外線光源固化UV固化膠來獲得所需要的微透鏡陣列。該種加工方法環(huán)境條件要求真空，通過改變UV膠的粘度與旋轉(zhuǎn)速度控制透鏡矢量與曲率的方法不易控制，影響因素較多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面的壓痕制造方法，能夠克服現(xiàn)有技術的不足，簡化具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面批量化生產(chǎn)處理工藝步驟。
[0013]實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案如下:
[0014]步驟一，制備端部具有微透鏡形狀的壓頭；
[0015]步驟二，平整加工待成形微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面；
[0016]步驟三，在成形壓力機上，所述步驟一中的壓頭以速度為s與壓力為m在待成形表面上利用壓痕法加工出透鏡狀凹痕；
[0017]步驟四，卸載壓頭壓力，待已壓印成形的凹痕完全彈性回復后，測量并計算步驟三所述凹痕形狀與步驟一中的壓頭端部所述微透鏡形狀之間的誤差，將該誤差補償在壓頭的形狀上或修整壓頭，使新壓頭的形狀等于微透鏡形狀與誤差之和或差，補償或修形所述壓頭形狀；
[0018]步驟五，利用所述補償或修形后的壓頭再次進行步驟三中的凹痕成形，若成形微透鏡陣列結(jié)構(gòu)，則基于微透鏡的工作性能設定縱橫間距，并以所述縱橫間距為緊鄰微透鏡中心距在模具平面上加工出其他凹痕，形成微透鏡陣列結(jié)構(gòu)；
[0019]步驟六，將凹痕擠壓過程中產(chǎn)生的材料隆起部分切除，再對成形表面進行鍍膜，獲得具有微透鏡或微透鏡陣列的表面結(jié)構(gòu)。
[0020]進一步地，微透鏡或微透鏡陣列中的每個微透鏡單元的直徑范圍為ΙΟμπι?10mm，微透鏡陣列中相鄰微透鏡間的中心距大于微透鏡的直徑。
[0021]進一步地，所述的微透鏡為球面透鏡、非球面透鏡或菲涅爾透鏡。
[0022]進一步地，在所述步驟一中，壓頭的材料為硬質(zhì)合金、碳化娃、藍寶石、紅寶石或金剛石O
[0023]進一步地，在所述步驟五中，工件裝夾平臺以與微透鏡陣列相同的單元縱橫間距移動，壓頭與裝夾平臺的移動同頻率進行往復運動，對待成形表面進行壓痕法加工，形成微透鏡凹痕陣列結(jié)構(gòu)。
[0024]進一步地，在所述步驟六中，壓痕法加工后的表面隆起切除的方法，首先在凹痕成形表面涂覆樹脂膠，保證樹脂膠充滿凹痕，待其凝固后對隆起部分進行車削，控制凹痕邊緣毛刺的生成，最后利用丙酮軟化凹痕內(nèi)部樹脂膠，清除膠體，清洗微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)表面。
[0025]進一步地，s為0.01mm/s?1 Pm/ s，mSl0N?10kN。
[0026]有益效果:
[0027]1、該種加工方法具有加工精度更易控制，工藝過程更簡單，透鏡形狀更靈活，成本更低等優(yōu)點。是一種實現(xiàn)具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面精密高效生產(chǎn)的新的途徑。
[0028]2、相對傳統(tǒng)的加工制造方法要求嚴格，加工效率較低，微透鏡單元形狀不易控制；本專利提出的新型具有微透鏡或微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面的壓痕制造方法，可能加工微透鏡、微透鏡陣列、微透鏡模具和微透鏡陣列模具，工藝過程簡單，能夠克服現(xiàn)有技術的不足，具有良好的應用前景。
[0029]3、使用同一個壓頭以壓痕法加工凹痕陣列，不同凹痕之間的形狀誤差少，壓頭磨損少，加工精度更易控制，加工路徑簡單，工藝過程更便捷，透鏡形狀更靈活，成本更低;本加工方法能夠制加工各種復雜的表面微結(jié)構(gòu)，是一種實現(xiàn)微透鏡陣列及其模具精密高效生產(chǎn)的新途徑，具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0030]圖1壓頭形狀示意圖(需根據(jù)透鏡形狀設計)。
[0031]圖2待成形表面毛坯示意圖。
[0032]圖