一種微結(jié)構(gòu)陣列器件制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種微結(jié)構(gòu)陣列器件制造方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于精密制造技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種微結(jié)構(gòu)陣列器件制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微結(jié)構(gòu)一般是由大量微小單元的重復(fù)組合,微小單元一般分布在平面基底上。功 能性微結(jié)構(gòu)在先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,可借助周期性結(jié)構(gòu)縮減系統(tǒng)尺寸,并達(dá)到意想不 到的特殊功能。比如微透鏡陣列可以將手機(jī)鏡頭厚度從3毫米左右縮短到幾百微米,同時(shí) 可以裝配于普通鏡頭中極大地提高成像系統(tǒng)景深。微棱鏡陣列由一系列微小四面棱錐組 成,具有高效逆反射光性能,廣泛應(yīng)用于交通警示牌的制作。
[0003] 為了配合更大范圍的應(yīng)用,對(duì)于微結(jié)構(gòu)器件的尺寸需求越來(lái)越大,同時(shí)應(yīng)用中需 要每個(gè)微單元應(yīng)具有高度的面形一致性。但目前光刻或激光直寫(xiě)的方式受到工藝限制,不 僅加工成本高,并且實(shí)現(xiàn)微單元的一致性較難。而常見(jiàn)的單晶金剛石切削方法,要實(shí)現(xiàn)大范 圍器件的加工,需要靠較大范圍的直線(xiàn)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),受到環(huán)境穩(wěn)定性和刀具切削狀態(tài)的不穩(wěn) 定等限制,加工工藝很難保證長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離一致,因此,也比較難以實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)單元的高 面形一致性。根據(jù)目前的技術(shù)現(xiàn)狀,提出一種可以實(shí)現(xiàn)大范圍面形高一致性微結(jié)構(gòu)陣列器 件制造方法是具有極大的實(shí)用價(jià)值和意義的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明旨在設(shè)計(jì)一種新型的超精密加工方法,可以用以實(shí)現(xiàn)大范圍微結(jié)構(gòu)陣列器 件的高效低成本制造,同時(shí)保證切削狀態(tài)的穩(wěn)定性從而保證微結(jié)構(gòu)單元的面形高度一致 性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005] (1)準(zhǔn)備用于制備注塑模芯的金屬薄片1 ;
[0006] (2)準(zhǔn)備圓柱夾具22,根據(jù)根據(jù)加工機(jī)床可加工范圍選擇圓柱基底2 ;在圓柱基底 外表面沿軸向開(kāi)設(shè)有用于固定緊固金屬薄片1的部件的凹槽3 ;緊固金屬薄片1的部件為 兩個(gè)平板4,用于夾持金屬薄片1的兩端,平板4位于凹槽3內(nèi)并與圓柱基底2連接;圓柱 基底2的半徑R ;
[0007] (3)將圓柱夾具22安裝于加工機(jī)床上,圓柱夾具22的一端通過(guò)真空吸附固定于機(jī) 床主軸21,金剛石刀具23垂直圓柱基底軸線(xiàn)放置,使用金剛石刀具23對(duì)圓柱側(cè)面進(jìn)行超精 密切削,保證表面平整光滑,加工完畢后取下圓柱夾具22 ;
[0008] (4)將金屬薄片1包裹于圓柱基底2上,并緊固圓柱夾具22使金屬薄片壓緊圓柱 基底2的表面,并一起再次安裝于加工機(jī)床上;
[0009] (5)再次對(duì)包裹金屬薄片1的圓柱側(cè)面進(jìn)行切削,保證表面平整光滑;
[0010] (6)取下包裹金屬薄片的圓柱夾具22,測(cè)量圓柱半徑R,并再次將包裹金屬薄片的 圓柱夾具22固定于加工機(jī)床上;
[0011] (7)根據(jù)測(cè)試好的圓柱半徑R,并結(jié)合被加工微結(jié)構(gòu)輪廓進(jìn)行加工路徑設(shè)計(jì);
[0012] (8)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)單元加工;
[0013] (9)加工完微結(jié)構(gòu)后,松卸圓柱夾具,將加工后的金屬薄片從圓柱夾具上剝離,對(duì) 加工微結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行剪裁并適當(dāng)壓平作為注塑模芯7 ;
[0014] (10)將注塑模芯7安裝于注塑模架8上,進(jìn)行微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的注塑加工。
[0015] 本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)大范圍面形高一致性微結(jié)構(gòu)陣列器件的批量制造。制造方法具有加 工成本低,加工效率高,加工狀態(tài)和穩(wěn)定性高,因此,保證了高一致性單元微結(jié)構(gòu)器件。
【附圖說(shuō)明】:
[0016] 圖1 :本發(fā)明的工藝流程圖,圖中:
[0017] 步驟1 :包裹固定金屬薄片;
[0018] 步驟2 :微結(jié)構(gòu)加工;
[0019] 步驟3 :剝離金屬薄片;
[0020] 步驟4 :剪裁壓平為金屬薄片模芯;
[0021] 步驟5:模芯裝配;
[0022] 步驟6 :受壓力曲面變平整;
[0023] 步驟7 :注塑工藝生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)器件
[0024] 圖2圓柱夾具及金屬薄片固定示意圖
[0025] 圖3圓柱夾具安裝于機(jī)床并進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工示意圖
[0026] 圖4微透鏡陣列加工路徑設(shè)計(jì)
[0027] 圖5微透鏡部分單元輪廓測(cè)試數(shù)據(jù)
[0028] 附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0029] 1金屬薄片;2圓柱基底;3凹槽;4平板;5螺絲;6圓柱端面壓圓盤(pán);7注塑模芯; 注塑模架8 ;21主軸;22夾有金屬薄片的圓柱夾具;23金剛石刀具
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明的技術(shù)流程如圖1所示。將金屬薄片1包裹在一個(gè)表面平整光滑的圓柱基 底2上,以圓柱加工方式在圓柱包裹的金屬薄片特定區(qū)域加工微結(jié)構(gòu),將加工后的金屬薄 片1從圓柱基底2上剝離,對(duì)加工微結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行剪裁并適當(dāng)壓平作為注塑模芯。將模芯 安裝于注塑模架上,在注塑過(guò)程中由于受到注塑機(jī)內(nèi)部壓力,金屬薄片會(huì)自然展平,從而進(jìn) 行微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的注塑。
[0031] 金屬薄片1固定于圓柱基底2上需要對(duì)其進(jìn)行緊固,因此需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的夾具。圖 2是夾具的示意圖。在圓柱基底2上有一個(gè)凹槽3用于固定緊固金屬薄片1的部件。緊固 金屬薄片1的部件為兩個(gè)平板4,用于夾持金屬薄片1的兩端,平板4通過(guò)螺絲5固定于圓 柱基底2上,通過(guò)松緊螺絲可以使平板升降,從而達(dá)到金屬薄片壓緊或離開(kāi)圓柱表面的目 的。同時(shí),圓柱兩端有兩個(gè)帶有凹槽的平板用于壓緊金屬薄片的外邊緣,保證邊緣部分的緊 固。
[0032] 圓柱固定夾具22安裝于加工機(jī)床上實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)加工,示意圖如圖3所示。加工機(jī) 床使用三軸超精密車(chē)床,包含一個(gè)可以精確控制角度的機(jī)床主軸C軸,和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸X軸及 Z軸。圓柱夾具的一端通過(guò)真空吸附固定于機(jī)床主軸21,金剛石刀具23在三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的慢 刀伺服控制下在圓柱表面上加工微結(jié)構(gòu),具體加工路徑設(shè)計(jì)需要根據(jù)被加工微結(jié)構(gòu)類(lèi)型確 定。由于將微結(jié)構(gòu)加工到圓柱表面,主軸每轉(zhuǎn)一圈就能實(shí)現(xiàn)一列微結(jié)構(gòu)單元加工,因此,加 工效率得到明顯提高;另外,由于圓柱加工方式,刀具的運(yùn)動(dòng)距離極大縮短,因此,加工穩(wěn)定 性得到很好提高。同時(shí),加工每個(gè)單元刀具和工件的位置關(guān)系都是一樣的,從而保證了切削 狀態(tài)的一致性,因此,可得到面形高一致的單元微結(jié)構(gòu)器件。
[0033] 在一個(gè)具體實(shí)施過(guò)程中,對(duì)微透鏡陣列進(jìn)行加工,該類(lèi)器件應(yīng)用于光場(chǎng)相機(jī)搭 建,配合常見(jiàn)單反APS-C傳感器使用,尺寸約為25mmX 18mm,為國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品(Lytro公司 ilium系列為1/1.2")尺寸的4倍多。微透鏡陣列單元尺寸為60um,單元矢高差850nm, 共計(jì)415X291個(gè)單元。加工設(shè)備為Moore Nanotech公司的三軸超精密車(chē)床250UPL,金屬 薄片采用黃銅材料,圓柱直徑為60mm,刀具采用刀鼻半徑為0. 5mm的圓弧刃金剛石刀具。
[0034] 圖4顯示了加工該器件的加工路徑設(shè)計(jì)方法。計(jì)劃加工器件為平面基底,理想模 型如圖4左側(cè)所示,如按照該圖形進(jìn)行加工,金剛石刀具21按照所需加工輪廓切削相應(yīng)路 徑即可,該模型的坐標(biāo)系標(biāo)注為t Z'。當(dāng)進(jìn)行圓柱方式加工時(shí),就需要將模型坐標(biāo)系 Z'轉(zhuǎn)為加工坐標(biāo)系XYZ,即圖4右側(cè)所示示意圖。變換方式如下式,
[0036] 上式中R為圓柱半徑。將其轉(zhuǎn)為三軸超精密機(jī)床所需的XZC加工坐標(biāo)為,
[0038] 按照所需加工輪廓分別按照以上公式逐點(diǎn)計(jì)算即可得到加工路徑。同時(shí),為了避 免加工過(guò)程中加工路徑的不平滑問(wèn)題,采用了兩次加工的方式。如圖4所示,加工一條陣列 單元分別采用兩條平滑加工路徑,如圖中標(biāo)注的路徑1和路徑2。其中每條加工路徑加工 單元均間隔一個(gè)單元,而每條路徑上的不加工單元補(bǔ)充一個(gè)高于加工表面的圓弧路徑,該 段路徑由于高于加工表面而不對(duì)表面進(jìn)行加工,而補(bǔ)充的圓弧路徑和相鄰切削路徑平滑鏈 接,保證了整條加工路徑的平滑和加工過(guò)程的穩(wěn)定。
[0039] 對(duì)加工后的黃銅薄片進(jìn)行相應(yīng)剪裁后,固定于模架中在Fanuc公司的微注塑機(jī)進(jìn) 行相應(yīng)產(chǎn)品的制造,產(chǎn)品材料為PMMA。對(duì)PMM材料的產(chǎn)品表面進(jìn)行相關(guān)測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)加工 方法的有效性。圖5是采用ZygoNexview白光干涉儀對(duì)其中21X21個(gè)單元測(cè)試的輪廓 圖,截取了輪廓最高峰一條截線(xiàn),測(cè)量距離為1. 26_。經(jīng)測(cè)量和評(píng)價(jià),單元尺寸的平均值為 60. 189 μm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0. 123 μm ;對(duì)測(cè)量輪廓的峰谷區(qū)域進(jìn)行最大最小范圍的標(biāo)注,來(lái)評(píng) 價(jià)單元輪廓的矢高差,平均值為860. 18nm,標(biāo)準(zhǔn)偏差為為20. 77nm。同時(shí)對(duì)其中的3X3單 元的面形誤差進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià),面形誤差的結(jié)果如表1所示,平均值為72. 89nm,標(biāo)準(zhǔn)偏差 為13. 85nm。相對(duì)較小的標(biāo)準(zhǔn)偏差驗(yàn)證了加工器件的具有很好的一致性。
[0040] 表1 3 X 3單元面形誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
[0041]
[0042] 一般IOmmX IOmm范圍的微透鏡陣列器件多采用傳統(tǒng)光刻技術(shù)加工,而該加工實(shí) 例中的器件尺寸一般受到工藝限制不能加工或加工成本高昂。本發(fā)明中采用超精密加工的 方法進(jìn)行加工,得到了一致性和表面質(zhì)量良好的器件模具。借助注塑技術(shù)批量制造的器件 成功安裝于Canon 700D單反相機(jī)進(jìn)行光場(chǎng)圖像的拍攝。為微透鏡陣列器件批量用于常見(jiàn) 單反相機(jī)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)功能提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微結(jié)構(gòu)陣列器件制造方法,包括下列的步驟: (1) 準(zhǔn)備用于制備注塑模芯的金屬薄片(1); (2) 準(zhǔn)備圓柱夾具(22),根據(jù)根據(jù)加工機(jī)床可加工范圍選擇圓柱基底(2);在圓柱基底 上沿軸向開(kāi)設(shè)有用于固定緊固金屬薄片(1)的部件的凹槽(3);緊固金屬薄片(1)的部件 為兩個(gè)平板(4),用于夾持金屬薄片(1)的兩端,平板(4)位于凹槽(3)內(nèi)并與圓柱基底(2) 連接;圓柱基底⑵的半徑R。 (3) 將圓柱夾具(22)安裝于加工機(jī)床上,圓柱夾具(22)的一端通過(guò)真空吸附固定于機(jī) 床主軸(21),金剛石刀具(23)垂直圓柱基底軸線(xiàn)放置,使用金剛石刀具(23)對(duì)圓柱側(cè)面進(jìn) 行超精密切削,保證表面平整光滑,加工完畢后取下圓柱夾具(22); (4) 將金屬薄片(1)包裹于圓柱基底(2)上,并緊固圓柱夾具(22)使金屬薄片壓緊圓 柱基底(2)的表面,并一起再次安裝于加工機(jī)床上; (5) 再次對(duì)包裹金屬薄片(1)的圓柱側(cè)面進(jìn)行切削,保證表面平整光滑; (6) 取下包裹金屬薄片的圓柱夾具(22),測(cè)量圓柱半徑R,并再次將包裹金屬薄片的圓 柱夾具(22)固定于加工機(jī)床上; (7) 根據(jù)測(cè)試好的圓柱半徑R,并結(jié)合被加工微結(jié)構(gòu)輪廓進(jìn)行加工路徑設(shè)計(jì); (8) 進(jìn)行微結(jié)構(gòu)單元加工; (9) 加工完微結(jié)構(gòu)后,松卸圓柱夾具,將加工后的金屬薄片從圓柱夾具上剝離,對(duì)加工 微結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行剪裁并適當(dāng)壓平作為注塑模芯(7); (10) 將注塑模芯(7)安裝于注塑模架(8)上,進(jìn)行微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的注塑加工。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種微結(jié)構(gòu)陣列器件制造方法,包括:(1)準(zhǔn)備用于制備注塑模芯的金屬薄片;(2)準(zhǔn)備圓柱夾具;(3)將圓柱夾具安裝于加工機(jī)床上,對(duì)圓柱側(cè)面進(jìn)行超精密切削;(4)將金屬薄片包裹于圓柱基底上,并緊固圓柱夾具;(5)再次對(duì)包裹金屬薄片的圓柱側(cè)面進(jìn)行切削;(6)取下圓柱夾具,測(cè)量圓柱半徑R;(7)根據(jù)測(cè)試好的圓柱半徑R,并結(jié)合被加工微結(jié)構(gòu)輪廓進(jìn)行加工路徑設(shè)計(jì);(8)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)單元加工;(9)對(duì)加工微結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行剪裁并適當(dāng)壓平作為注塑模芯;(10)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的注塑加工。本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)大范圍微結(jié)構(gòu)陣列器件的高效低成本制造,同時(shí)保證切削狀態(tài)的穩(wěn)定性從而保證微結(jié)構(gòu)單元的面形高度一致性。
【IPC分類(lèi)】B81B7/00, B81C1/00
【公開(kāi)號(hào)】CN104973559
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510194046
【發(fā)明人】張效棟, 房豐洲
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年10月14日
【申請(qǐng)日】2015年4月22日