微透镜阵列正弦过渡处理方法及微透镜阵列及电子装置与流程

本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种微透镜阵列正弦过渡处理方法、微透镜阵列加工路径生成方法、微透镜阵列及电子装置。

背景技术：

目前，智能手机发展非常迅速，研发出更薄、更轻的手机一直是各大手机公司竞争的热点。而在研发更薄、更轻手机过程中，手机摄像头的厚度和重量是制约其改进的主要因素。好多手机厂家都想到了用微透镜阵列来代替凸透镜作手机摄像头。因为其具有质量轻、焦距短、口径大、厚度薄、测距远、聚光强等诸多优点，但如何加工出高精度微透镜阵列一直是影响采用微透镜阵列作为摄像头的关键因素之一。

微透镜阵列由微小的透镜单元按照一定规则排布构成。微透镜阵列由于具有质量轻、焦距短、口径大、厚度薄、测距远、聚光强等诸多优点，在光束整形、信息探测和成像等领域有着广泛应用。譬如，幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。目前，已有很多企业的研发人员开始关注用微透镜阵列作为手机的摄像头。

为了得到高质量的微透镜阵列，许多研究者对其高效、高精度加工方式展开了深入研究。常见的加工方法有激光直写技术、光敏玻璃热成型法、影印技术、熔融光刻胶技术、聚焦离子束刻蚀技术、纳米压印光刻技术等。这些方法能被用来加工具有良好性能的微透镜阵列。但是由于加工时间长、成本高以及加工精度难以控制，只适用于加工单元面形简单、精度要求不高的微透镜阵列。

相对而言，微注塑成型是一种低成本、高效率的加工方法，其难点在于微透镜阵列模芯的有效加工。目前，微透镜阵列模芯一般采用超精密机械加工。其中，金刚石微铣削采用逐一加工的方式得到微透镜阵列模芯，加工效率低、成本较高。金刚石微磨削虽然可以获得高精度微透镜阵列模芯，但操作过于复杂，且加工周期长。

鉴于以上问题，超精密车削已成为加工微透镜阵列模芯的研究重点，它借助快刀伺服或慢刀伺服实现复杂器件的高效率、高精度的加工。传统的超精密车削加工路径对于曲面比较光滑的器件，具有较高的加工效率及加工精度，但对于不光滑，甚至存在突变的曲面，使用传统的超精密车削加工路径会引起机床抖动，导致加工误差增大，甚至引起刀具与工件的碰撞。

公告号为cn100533316c、发明名称为《一种金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法》的中国专利，其公开的金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法包括步骤：(1)建立工件加工表面的自由曲面模型坐标系，并根据把工件的旋转运动转换为刀具在加工表面上绕主轴做旋转运动的相对运动模型，建立模型坐标系与机床坐标系之间的换算关系；(2)把加工自由曲面上加工坐标点的模型坐标转换为机床坐标系下的坐标；(3)求解加工刀具切削面在加工该点时的法向量；(4)把曲面该点的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上进行刀具圆弧半径补偿，获得刀刃圆弧中心在机床坐标系下的坐标；(5)按照(2)到(4)的步骤，进行加工运动，遍历自由曲面上的加工坐标点，最终生成加工路径。由于微透镜阵列中透镜单元间的过渡区域存在突变曲面，该加工路径生成方法用于微透镜阵列加工，会引起机床抖动，导致加工误差大，加工精度难以保证。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种微透镜阵列正弦过渡处理方法、微透镜阵列加工路径生成方法、微透镜阵列及电子装置，可避免微透镜阵列加工路径中的路径突变，实现光滑加工，从而提高加工质量和精度。

本发明提供的技术方案如下：

一种微透镜阵列正弦过渡处理方法，包括步骤：s110、对微透镜阵列模型进行分区，获得微透镜阵列子模块；s120、对微透镜阵列子模块中两相邻透镜单元间的过渡区域进行正弦过渡，获得正弦过渡线，所述的正弦过渡线的两端曲线分别与相邻的两透镜单元曲面相切。

进一步地，步骤s110中所述的对微透镜阵列模型进行分区，具体为：将微透镜阵列模型中同时位于奇数行和奇数列、以及同时位于偶数行和偶数列的透镜单元分区为一微透镜阵列子模块，余下的透镜单元分区为另一微透镜阵列子模块。

进一步地，步骤s120中所述的对微透镜阵列子模块中两相邻透镜单元间的过渡区域进行正弦曲线过渡，获得正弦过渡线具体为：s121、根据相邻两个透镜单元曲面的截面曲线方程、透镜单元的口径的半径以及透镜加工路径设计的单元口径的半径计算出正弦过渡线的振幅；s122、根据微透镜阵列子模块的两个透镜单元的截面曲线方程和正弦公式计算正弦过渡线的两端曲线与相邻透镜单元曲面相切的两个切点的斜率；s123、根据两个切点的斜率以及正弦过渡线的振幅计算正弦过渡线的波长；s124、根据正弦过渡线的振幅和波长得到正弦过渡线。

进一步地，进行步骤s120前，扩大微透镜阵列子模块中透镜单元的口径。

本发明还公开了一种微透镜阵列加工路径生成方法，包括步骤：s210、对微透镜阵列模型进行分区，获得微透镜阵列子模块；s220、对微透镜阵列子模块中两相邻透镜单元间的过渡区域逐一进行正弦过渡，获得正弦过渡线，所述的正弦过渡线的两端曲线分别与其相邻的两透镜单元曲面相切；s230、根据加工参数计算正弦过渡线上的过渡点，对过渡点进行加工路径补偿，获得过渡区域的加工坐标点；s240、对透镜单元区域的离散点进行加工补偿，获得透镜单元区域的加工坐标点；s250、遍历过渡区域和透镜单元区域的加工坐标点，生成加工路径。

进一步地，步骤s210中所述的对微透镜阵列模型进行分区，具体为：将微透镜阵列模型中同时位于奇数行和奇数列、以及同时位于偶数行和偶数列的透镜单元分区为一微透镜阵列子模块，余下的透镜单元分区为另一微透镜阵列子模块。

进一步地，步骤s220中所述的对微透镜阵列子模块中两相邻透镜单元间的过渡区域逐一进行正弦曲线过渡，具体为：s221、根据相邻两个透镜单元曲面的截面曲线方程、透镜单元的口径的半径以及透镜加工路径设计的单元口径的半径计算出正弦过渡线的振幅；s222、根据微透镜阵列子模块的两个透镜单元的截面曲线方程和正弦公式计算正弦过渡线的两端曲线与相邻透镜单元曲面相切的两个切点的斜率；s223、根据两切点的斜率以及正弦过渡线的振幅计算正弦过渡线的波长；s224、根据正弦过渡线的振幅和波长得到正弦过渡线。

进一步地，进行步骤s220前，扩大微透镜阵列子模块中透镜单元的口径。

本发明还公开了一种微透镜阵列，使用上述微透镜阵列加工路径生成方法进行加工。

本发明还公开了一种电子装置，包括微透镜阵列，所述的微透镜阵列使用上述微透镜阵列加工路径生成方法进行加工。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)对微透镜阵列中透镜单元间的过渡区域，采用正弦过渡处理，可避免加工路径中的路径突变，实现光滑加工，从而提高加工质量和精度。

(2)本发明可用于加工微透镜阵列和微透镜阵列模芯，利用加工后的微透镜阵列模芯进行注塑，可实现微透镜阵列批量生产，从而降低微透镜阵列的生产成本。

(3)所生产的高精度微透镜阵列可作为手机、平板电脑等电子产品的摄像头，也可用于光斑分析、波前检测、三维信息探测等设备。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本发明予以进一步说明。

图1为本发明一种微透镜阵列正弦过渡处理方法的流程图；

图2为本发明一种微透镜阵列正弦过渡处理方法的正弦过渡加工路径二维显示图；

图3为本发明一种微透镜阵列正弦过渡处理方法的正弦过渡加工路径三维显示图；

图4为本发明一种微透镜阵列正弦过渡处理方法的透镜单元截面曲线示意图；

图5(a)为阵列单元轮廓；

图5(b)为图5(a)中o1上圆弧段ab对应的圆周曲率变化图；

图6为本发明一种微透镜阵列加工路径生成方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

微透镜阵列，又称为复眼透镜或蝇眼透镜，是指由多个微小的透镜单元按照一定规则排布构成。由于微透镜阵列中透镜单元间的过渡区域存在突变曲面，采用超精密车削加工会引起机床抖动，导致加工误差增大。为避免加工过程中机床抖动，提高微透镜阵列的加工质量和加工精度，本发明考虑微透镜阵列的结构特点，基于超精密车削，提出了一种微透镜阵列正弦过渡处理方法及加工路径生成方法，避免了加工路径的突变，实现了微透镜阵列的光滑加工，解决了微透镜阵列应用于手机摄像头的关键性难题之一。

图1是本发明一种微透镜阵列正弦过渡处理方法的流程图。如图1所示，一种微透镜阵列正弦过渡处理方法，包括步骤：

s110、对微透镜阵列模型进行分区，获得微透镜阵列子模块；

在工件加工表面建立微透镜阵列曲面的模型，记为微透镜阵列模型，见图2中(a)和图3(a)，其曲面方程记为f(x)。根据透镜单元的位置对微透镜阵列模型进行分区，获得分区模型，即微透镜阵列子模型，见图2中(b)和图3(b)。本实施例获得两个微透镜阵列子模型，其曲面方程分别记为f1(x)和f2(x)。分区是为了使微透镜阵列模型中相邻透镜单元间不相互衔接，以增大透镜单元间的过渡区域，便于后续的正弦过渡步骤的实施。

更具体的，下面将提供本分区步骤的一种具体实施方式：

按照从上向下、从左向右的顺序，对微透镜阵列中透镜单元依次编号，编号记为lij，lij表示微透镜阵列中第i行第j列的透镜单元，其中，i＝1,2...m，j＝1,2,...n，m和n分别表示微透镜阵列中透镜单元的行数和列数，m和n相等或不相等。i、j均为奇数以及i、j均为偶数的lij所代表的透镜单元分区为一微透镜阵列子模型，余下的透镜单元分区为另一微透镜阵列子模型。

s120、对微透镜阵列子模块中两相邻透镜单元间的过渡区域进行正弦过渡，获得正弦过渡线，所述的正弦过渡线的两端曲线分别与相邻的两透镜单元曲面相切。

所述的过渡区域即透镜单元间的区域，透镜单元所在区域记为透镜单元区域。为避免透镜单元间过渡区域存在的突变曲面引起机床抖动，导致加工误差增大，本发明对各微透镜阵列子模块中两相邻透镜单元间的过渡区域逐一进行正弦过渡处理，保证过渡区域和透镜单元区域的平滑连续。

具体的，本发明中正弦过渡线获得步骤进一步包括：

s121、根据相邻两个透镜单元曲面的截面曲线方程、透镜单元的口径的半径以及透镜加工路径设计的单元口径的半径计算出正弦过渡线的振幅；

s122、根据正弦过渡线的两端曲线与相邻透镜单元曲面相切的两个切点的位置，结合微透镜阵列子模块的曲面方程，计算出正弦过渡线与相邻透镜单元曲面相切的两个切点的位置，结合微透镜阵列子模块的曲面方程，分别计算两个切点的斜率；

s123、根据两个切点的斜率以及正弦过渡线的振幅，计算正弦过渡线的波长；

s124、根据正弦过渡线的振幅和波长得到正弦过渡线。

为便于理解，下面结合图4进一步描述本发明正弦过渡线获取步骤。

一、正弦过渡线的振幅a

如图4所示，g(x)为透镜单元曲面的截面曲线方程，r1、r2分别为透镜单元口径的半径和透镜加工路径设计的单元口径的半径，其中(r2>r1)。

z1＝g(r1)(1)

路径设计单元口径的最大sag值为：

z2＝g(r2)(2)

为了在正弦过渡段不进行该部分加工，需要保证刀具在该部分不与工件接触，设正弦过渡线的振幅为a，则

a＜z2-z1(3)

(注：透镜单元为凹面，r2>r1，则z2>z1)

二、正弦过渡线的波长

根据微透镜阵列子模块的两个透镜单元的截面曲线方程和正弦公式计算正弦过渡线的两端曲线与相邻透镜单元曲面相切的两个切点的斜率h’；

设正弦波长为w，则正弦公式为：

h＝asin(2πx/w)(4)

对h求一阶导数，得斜率h′公式为：

h′＝2πacos(2πx/w)/w(5)

由于cos(2πx/w)∈[-1，1]，所以h′∈[-2πa/w，2πa/w]

根据正弦过渡线和相应透镜单元在连接点的斜率相等,计算得到正弦波长为w。

单个透镜单元与透镜上表面相连接部分是一个圆形，该圆形线上的点的圆周曲率是连续变化的。图5(a)所示为阵列单元轮廓，图5(b)所示为o1上圆弧段ab对应的圆周曲率变化图。由于不同连接点处的斜率是不同的，为了确保每一段正弦过渡线与相应单元节点处连续，需要调整每一段正弦波的波长，即路径中每一段正弦波的波长都不相同。本发明通过使正弦过渡线和相应透镜单元在连接点的斜率相等来实现正弦过渡线波长的计算。

优选的，对上述实施例进行改进，其中经正弦过渡处理后的微透镜阵列子模块，可直接用于生成微透镜阵列加工路径，根据加工路径，利用超精密车削进行微透镜阵列加工。为避免加工过程中刀具与工件的碰撞，本发明还提供了扩大微透镜阵列子模块中透镜单元口径的优选步骤。该优选步骤在步骤s110之后、步骤s120之前实施。该优选步骤中，仅扩大透镜单元口径，不扩大微透镜阵列口径，图2中(c)和图3中(c)分别表示扩大口径后的一微透镜阵列子模型的局部二维显示图和局部三维显示图。

本实施例中，扩大微透镜阵列子模块中透镜单元口径后，过渡区域和透镜单元区域会发生变化。见图3(c)，图中圆圈表示扩大口径后的透镜单元，圆圈内为透镜单元区域，圆圈外为过渡区域。透镜单元口径的扩大程度需考虑微透镜阵列子模型中相邻透镜单元间距、加工参数及实际需求，透镜单元口径一般扩大10％～30％，但不限于该范围，可根据实际情况调整。

图6为本发明一种微透镜阵列加工路径生成方法。如图6所示，一种微透镜阵列加工路径生成方法，包括步骤：

s210、对微透镜阵列模型进行分区，获得微透镜阵列子模块。

s220、对微透镜阵列子模块中两相邻透镜单元间的过渡区域逐一进行正弦过渡，获得正弦过渡线，所述的正弦过渡线的两端曲线分别与其相邻的两透镜单元曲面相切。

s230、根据加工参数计算正弦过渡线上的过渡点，对过渡点进行加工路径补偿，获得过渡区域的加工坐标点。

s240、对透镜单元区域的离散点进行加工补偿，获得透镜单元区域的加工坐标点。

s250、遍历过渡区域和透镜单元区域的加工坐标点，生成加工路径。

具体的，步骤s210对微透镜阵列模型进行分区，获得微透镜阵列子模块”参见上述描述，此处不再赘述。

具体的，对过渡点进行加工路径补偿具体为：

采用传统的超精密车削加工路径补偿算法进行加工路径补偿，根据加工参数对过渡点进行加工路径补偿，获得过渡区域的加工坐标点。

本步骤可采用传统的超精密车削加工路径生成算法，计算每个加工坐标点对应的刀尖圆弧中心坐标，从而生成加工路径。根据加工路径控制超精密车削机床主轴的转动角度和刀具的进给量、切深，进行微透镜阵列的车削加工。

本发明通过对过渡区域和透镜单元区域连接处进行正弦过渡处理，以避免加工路径中出现突变，从而提高加工质量和加工精度。

利用该微透镜阵列加工路径生成方法生成加工微透镜阵列、微透镜阵列的模芯，和利用加工后的微透镜阵列模芯进行注塑实现微透镜阵列批量生产，促进了微透镜阵列的批量生产，降低了其生产成本，使其得到更为广泛的应用。

优选的，为避免加工过程中刀具与工件的碰撞，本实施例在实施例三的基础上，还提供了扩大微透镜阵列子模块中透镜单元口径的优选步骤。该优选步骤在步骤s210之后、步骤s220之前实施。该优选步骤中，仅扩大透镜单元口径，不扩大微透镜阵列口径。

本发明还提供了一种电子装置，包括微透镜阵列，所述的微透镜阵列使用上述微透镜阵列加工路径生成方法进行加工。具体的，所述的微透镜阵列可作为手机、平板等电子产品的摄像头，还可应用于光斑分析、波前检测、三维信息探测等设备上。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。