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