一种微结构阵列器件模芯制造方法
【专利说明】一种微结构阵列器件模芯制造方法 所属技术领域
[0001] 本发明属于精密制造技术领域，涉及一种微结构阵列器件制造方法。
【背景技术】
[0002] 微结构一般是由大量微小单元的重复组合，微小单元一般分布在平面基底上。功 能性微结构在先进光学系统中应用广泛，可借助周期性结构缩减系统尺寸，并达到意想不 到的特殊功能。比如微透镜阵列可以将手机镜头厚度从3毫米左右缩短到几百微米，同时 可以装配于普通镜头中极大地提高成像系统景深。微棱镜阵列由一系列微小四面棱锥组 成，具有高效逆反射光性能，广泛应用于交通警示牌的制作。
[0003] 为了配合更大范围的应用，对于微结构器件的尺寸需求越来越大，同时应用中需 要每个微单元应具有高度的面形一致性。但目前光刻或激光直写的方式受到工艺限制，不 仅加工成本高，并且实现微单元的一致性较难。而常见的单晶金刚石切削方法，要实现大范 围器件的加工，需要靠较大范围的直线导轨运动，受到环境稳定性和刀具切削状态的不稳 定等限制，加工工艺很难保证长时间和长距离一致，因此，也比较难以实现微结构单元的高 面形一致性。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在提供一种微结构阵列器件模芯制造方法，在微结构阵列器件制造中， 采用本发明的模芯制造方法制备模芯后再进行注塑加工，可以实现大范围微结构阵列器件 的高效低成本制造，同时保证切削状态的稳定性从而保证微结构单元的面形高度一致性。 本发明的技术方案如下：
[0005] (1)准备用于制备注塑模芯的金属薄片1 ;
[0006] (2)准备圆柱夹具22,根据根据加工机床可加工范围选择圆柱基底2 ;在圆柱基底 外表面沿轴向开设有用于固定紧固金属薄片1的部件的凹槽3 ;紧固金属薄片1的部件为 两个平板4,用于夹持金属薄片1的两端，平板4位于凹槽3内并与圆柱基底2连接；圆柱 基底2的半径R ;
[0007] (3)将圆柱夹具22安装于加工机床上，圆柱夹具22的一端通过真空吸附固定于机 床主轴21，金刚石刀具23垂直圆柱基底轴线放置，使用金刚石刀具23对圆柱侧面进行超精 密切削，保证表面平整光滑，加工完毕后取下圆柱夹具22 ;
[0008] (4)将金属薄片1包裹于圆柱基底2上，并紧固圆柱夹具22使金属薄片压紧圆柱 基底2的表面，并一起再次安装于加工机床上；
[0009] (5)再次对包裹金属薄片1的圆柱侧面进行切削，保证表面平整光滑；
[0010] (6)取下包裹金属薄片的圆柱夹具22,测量圆柱半径R，并再次将包裹金属薄片的 圆柱夹具22固定于加工机床上；
[0011] (7)根据测试好的圆柱半径R，并结合被加工微结构轮廓进行加工路径设计；
[0012] (8)进行微结构单元加工；
[0013] (9)加工完微结构后，松卸圆柱夹具，将加工后的金属薄片从圆柱夹具上剥离，对 加工微结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯7。
[0014] 在微结构阵列器件制造中，采用本发明的模芯制造方法制备模芯后再进行注塑加 工，可实现大范围面形高一致性微结构阵列器件的批量制造。制造方法具有加工成本低，加 工效率高，加工状态和稳定性高，因此，保证了高一致性单元微结构器件。
【附图说明】
[0015] 图1 :本发明的工艺流程图，图中：
[0016] 步骤1 :包裹固定金属薄片；
[0017] 步骤2 :微结构加工；
[0018] 步骤3 :剥离金属薄片；
[0019] 步骤4 :剪裁压平为金属薄片模芯；
[0020] 步骤5 :模芯装配；
[0021] 步骤6 :受压力曲面变平整；
[0022] 步骤7 :注塑工艺生产微结构器件
[0023] 图2圆柱夹具及金属薄片固定示意图
[0024] 图3圆柱夹具安装于机床并进彳丁微结构加工不意图
[0025] 图4微透镜阵列加工路径设计
[0026] 图5微透镜部分单元轮廓测试数据
[0027] 附图标记说明如下：
[0028] 1金属薄片；2圆柱基底；3凹槽；4平板；5螺丝；6圆柱端面压圆盘；7注塑模芯； 注塑模架8 ;21主轴；22夹有金属薄片的圆柱夹具；23金刚石刀具
【具体实施方式】
[0029] 本发明的技术流程如图1所示。将金属薄片1包裹在一个表面平整光滑的圆柱基 底2上，以圆柱加工方式在圆柱包裹的金属薄片特定区域加工微结构，将加工后的金属薄 片1从圆柱基底2上剥离，对加工微结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯。将模芯 安装于注塑模架上，在注塑过程中由于受到注塑机内部压力，金属薄片会自然展平，从而进 行微结构产品的注塑。
[0030] 金属薄片1固定于圆柱基底2上需要对其进行紧固，因此需要设计专用的夹具。图 2是夹具的示意图。在圆柱基底2上有一个凹槽3用于固定紧固金属薄片1的部件。紧固 金属薄片1的部件为两个平板4,用于夹持金属薄片1的两端，平板4通过螺丝5固定于圆 柱基底2上，通过松紧螺丝可以使平板升降，从而达到金属薄片压紧或离开圆柱表面的目 的。同时，圆柱两端有两个带有凹槽的平板用于压紧金属薄片的外边缘，保证边缘部分的紧 固。
[0031] 圆柱固定夹具22安装于加工机床上实现微结构加工，示意图如图3所示。加工机 床使用三轴超精密车床，包含一个可以精确控制角度的机床主轴C轴，和直线运动轴X轴及 Z轴。圆柱夹具的一端通过真空吸附固定于机床主轴21，金刚石刀具23在三个运动轴的慢 刀伺服控制下在圆柱表面上加工微结构，具体加工路径设计需要根据被加工微结构类型确 定。由于将微结构加工到圆柱表面，主轴每转一圈就能实现一列微结构单元加工，因此，加 工效率得到明显提高；另外，由于圆柱加工方式，刀具的运动距离极大缩短，因此，加工稳定 性得到很好提高。同时，加工每个单元刀具和工件的位置关系都是一样的，从而保证了切削 状态的一致性，因此，可得到面形高一致的单元微结构器件。
[0032] 在一个具体实施过程中，对微透镜阵列进行加工，该类器件应用于光场相机搭 建，配合常见单反APS-C传感器使用，尺寸约为25mmX 18mm，为国际同类产品（Lytro公司 ilium系列为1/1.2")尺寸的4倍多。微透镜阵列单元尺寸为60um，单元矢高差850nm， 共计415X291个单元。加工设备为Moore Nanotech公司的三轴超精密车床250UPL，金属 薄片采用黄铜材料，圆柱直径为60mm，刀具采用刀鼻半径为0. 5mm的圆弧刃金刚石刀具。
[0033] 图4显示了加工该器件的加工路径设计方法。计划加工器件为平面基底，理想模 型如图4左侧所示，如按照该图形进行加工，金刚石刀具21按照所需加工轮廓切削相应路 径即可，该模型的坐标系标注为t Z'。当进行圆柱方式加工时，就需要将模型坐标系 Z'转为加工坐标系XYZ，即图4右侧所示示意图。变换方式如下式，
[0035] 上式中R为圆柱半径。将其转为三轴超精密机床所需的XZC加工坐标为，
[0037] 按照所需加工轮廓分别按照以上公式逐点计算即可得到加工路径。同时，为了避 免加工过程中加工路径的不平滑问题，采用了两次加工的方式。如图4所示，加工一条阵列 单元分别采用两条平滑加工路径，如图中标注的路径1和路径2。其中每条加工路径加工 单元均间隔一个单元，而每条路径上的不加工单元补充一个高于加工表面的圆弧路径，该 段路径由于高于加工表面而不对表面进行加工，而补充的圆弧路径和相邻切削路径平滑链 接，保证了整条加工路径的平滑和加工过程的稳定。
[0038] 对加工后的黄铜薄片进行相应剪裁后，固定于模架中在Fanuc公司的微注塑机进 行相应产品的制造，产品材料为PMMA。对PMM材料的产品表面进行相关测试来评价加工 方法的有效性。图5是采用Zygo Nexview白光干涉仪对其中21X21个单元测试的轮廓 图，截取了轮廓最高峰一条截线，测量距离为1. 26_。经测量和评价，单元尺寸的平均值为 60. 189 μm，标准偏差为0. 123 μm ;对测量轮廓的峰谷区域进行最大最小范围的标注，来评 价单元轮廓的矢高差，平均值为860. 18nm，标准偏差为为20. 77nm。同时对其中的3X3单 元的面形误差进行测量和评价，面形误差的结果如表1所示，平均值为72. 89nm，标准偏差 为13. 85nm。相对较小的标准偏差验证了加工器件的具有很好的一致性。
[0039] 表13 X 3单元面形误差统计数据
[0040]
[0041] 一般IOmmX IOmm范围的微透镜阵列器件多采用传统光刻技术加工，而该加工实 例中的器件尺寸一般受到工艺限制不能加工或加工成本高昂。本发明中采用超精密加工的 方法进行加工，得到了一致性和表面质量良好的器件模具。借助注塑技术批量制造的器件 成功安装于Canon 700D单反相机进行光场图像的拍摄。为微透镜阵列器件批量用于常见 单反相机实现光场功能提供了强有力的技术保障。
【主权项】
1. 一种微结构阵列器件模芯制造方法，包括下列的步骤： (1) 准备用于制备注塑模芯的金属薄片（1); (2) 准备圆柱夹具（22)，根据根据加工机床可加工范围选择圆柱基底（2);在圆柱基底 上沿轴向开设有用于固定紧固金属薄片（1)的部件的凹槽（3);紧固金属薄片（1)的部件 为两个平板（4)，用于夹持金属薄片（1)的两端，平板（4)位于凹槽（3)内并与圆柱基底（2) 连接；圆柱基底⑵的半径R。 (3) 将圆柱夹具（22)安装于加工机床上，圆柱夹具（22)的一端通过真空吸附固定于机 床主轴（21)，金刚石刀具（23)垂直圆柱基底轴线放置，使用金刚石刀具（23)对圆柱侧面进 行超精密切削，保证表面平整光滑，加工完毕后取下圆柱夹具（22); (4) 将金属薄片（1)包裹于圆柱基底（2)上，并紧固圆柱夹具（22)使金属薄片压紧圆 柱基底（2)的表面，并一起再次安装于加工机床上； (5) 再次对包裹金属薄片（1)的圆柱侧面进行切削，保证表面平整光滑； (6) 取下包裹金属薄片的圆柱夹具（22)，测量圆柱半径R，并再次将包裹金属薄片的圆 柱夹具（22)固定于加工机床上； (7) 根据测试好的圆柱半径R，并结合被加工微结构轮廓进行加工路径设计； (8) 进行微结构单元加工； (9) 加工完微结构后，松卸圆柱夹具，将加工后的金属薄片从圆柱夹具上剥离，对加工 微结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯（7)。
【专利摘要】本发明提供一种微结构阵列器件模芯制造方法，包括：(1)准备用于制备注塑模芯的金属薄片；(2)准备圆柱夹具；(3)将圆柱夹具安装于加工机床上，对圆柱侧面进行超精密切削；(4)将金属薄片包裹于圆柱基底上，并紧固圆柱夹具；(5)再次对包裹金属薄片的圆柱侧面进行切削；(6)取下圆柱夹具，测量圆柱半径R；(7)根据测试好的圆柱半径R，并结合被加工微结构轮廓进行加工路径设计；(8)进行微结构单元加工；(9)对加工微结构区域进行剪裁并适当压平作为注塑模芯。在微结构阵列器件制造中，采用本发明的模芯制造方法及并进行注塑加工，可以实现保证切削状态的稳定性从而保证微结构单元的面形一致性。
【IPC分类】B23Q3/12, B23P15/00
【公开号】CN104972271
【申请号】CN201510193828
【发明人】张效栋, 房丰洲
【申请人】天津大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年4月22日