阅读说明：本技术 一种超硬材料的微透镜阵列制造方法 (Method for manufacturing microlens array of superhard material ) 是由 周天丰 刘晓华 艺苑 阮本帅 梁志强 焦黎 王西彬 于 2019-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超硬材料微透镜阵列的制造方法,包括如下步骤：根据微透镜的曲率半径选择对应直径的多个球头棒材；所述球头棒材的球头为微透镜阵列制造中的塑形模具；调整所述球头棒材和所述待加工工件的相对位置,使所述球头棒材的球头与所述待加工工件接触,并进行位置固定；按设定路径移动待加工工件的同时,驱动多个所述球头棒材转动,且不断向所述待加工表面喷洒金刚石颗粒悬浮液,同时逐渐将所述待加工工件沿z轴方向上升距离h。与现有技术相比,本发明采用球头为微透镜阵列制造中塑形模具的球头棒材,按照设定路径对被加工工件进行加工,这就能够灵活制造出任意曲面的微透镜阵列。(The invention discloses a method for manufacturing a superhard material micro-lens array, which comprises the following steps: selecting a plurality of ball head rods with corresponding diameters according to the curvature radius of the micro lens; the ball head of the ball head bar is a shaping die in the manufacturing of the micro-lens array; adjusting the relative positions of the ball head bar and the workpiece to be processed to enable the ball head of the ball head bar to be in contact with the workpiece to be processed and fix the position of the ball head bar and the workpiece to be processed; and driving the plurality of ball head rods to rotate while moving the workpiece to be processed according to a set path, continuously spraying diamond particle suspension to the surface to be processed, and gradually increasing the distance h of the workpiece to be processed along the z-axis direction. Compared with the prior art, the invention adopts the ball head as the ball head bar of the shaping die in the micro-lens array manufacturing, and the processed workpiece is processed according to the set path, so that the micro-lens array with any curved surface can be flexibly manufactured.)

一种超硬材料的微透镜阵列制造方法

技术领域

本发明涉及微透镜阵列制造技术领域，特别是涉及一种超硬材料微透镜阵列的制造方法。

背景技术

目前，用于制作微透镜阵列的方法，有光刻胶热熔法、光敏玻璃热成形法、离子交换法、飞秒激光法、车削方法、铣削方法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法和化学气象沉积法等方法。但是上述方法普遍存在效率低、成本高以及操作复杂的缺点。

为了克服现有技术中存在的上述方法，目前有一种最新提出的筛网辅助钢球磨削法，装置三维示意图如图1所示。该方法具有效率高、成本低及操作简单的特点。但该方法有两个缺点，一是该方法的本质是以钢球为本体，通过磨削的方法将球冠的形状复制到超硬材料表面，得到与球冠形状相同的微透镜凹坑，但筛网装置本身复杂笨重，筛网与钢球之间的配合也容易造成误差；二是由于受到钢球本身的形状限制，只能将球冠的形状复制到超硬材料上，即使通过换不同直径的球，也只能得到球面的微透镜凹坑。因此，提供一种能够灵活制造任意曲面微透镜阵列的制造方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种超硬材料微透镜阵列的制造方法，能够灵活制造出任意曲面的微透镜阵列。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种超硬材料微透镜阵列的制造方法，包括如下步骤：

根据微透镜的曲率半径选择对应直径的多个球头棒材；所述球头棒材的球头为微透镜阵列制造中的塑形模具；

调整所述球头棒材和所述待加工工件的相对位置，使所述球头棒材的球头与所述待加工工件接触，并进行位置固定；所述待加工工件的待加工表面位于x-y轴构成的平面上；所述球头棒材设置在上述待加工表面的上方，且所述球头棒材的轴线沿Z轴方向设置；

按设定路径移动待加工工件的同时，驱动多个所述球头棒材转动，且不断向所述待加工表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，同时逐渐将所述待加工工件沿z轴方向上升距离h；所述距离h为微透镜阵列的加工深度。

可选的，所述待加工工件固定于三维电动平移台上。

可选的，所述球头棒材为棒状钢材；所述球头棒材的球头为球冠形状。

可选的，采用夹具固定所述球头棒材。

可选的，采用电机驱动多个所述球头棒材转动；所述电机设置在所述夹具的上方。

可选的，在所述按设定路径移动待加工工件的同时，转动多个所述球头棒材，且不断向所述待加工工件表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，同时逐渐将所述待加工工件沿z轴方向上升距离h这一步骤之后，还包括：将加工完成的工件清洗后干燥。

可选的，所述将加工完成的工件清洗后干燥，具体包括：将加工完成的工件置于丙酮中清洗后干燥。

本发明公开的超硬材料的微透镜阵列制造方法主要有以下优点：本发明提供的超硬材料微透镜阵列的制造方法中，采用球头为微透镜阵列制造中塑形模具的球头棒材对待加工工件进行加工，且在加工的过程中，不断向所述待加工表面喷洒金刚石颗粒悬浮液的同时，按设定路径移动待加工工件，这就能够根据球头上的塑形模具以及待加工工件的加工路径，灵活加工出任意曲面的微透镜阵列。

附图说明

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1为现有技术中筛网辅助钢球磨削法装置的三维结构示意图；

图2为本发明实施例超硬材料微透镜阵列制造方法的流程图；

图3为本发明实施例实施超硬材料微透镜阵列制造方法的装置结构示意图；

图4为本发明实施例采用具有X轴、Z轴和C轴的高精度机床进行自由曲面微透镜凹坑加工的工作示意图；

图5为本发明实施例采用具有X轴、Z轴和C轴的高精度机床进行一个微透镜凹坑加工的工作示意图。

附图标记说明：1-钢球；2-筛网；3-硅片；4-xyz三自由度平移台；5-球头棒材；6-待加工工件；7-三维电动平移台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超硬材料微透镜阵列的制造方法，能够灵活制造出任意曲面的微透镜阵列。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2为本发明实施例超硬材料微透镜阵列制造方法的流程图，如图2所示，一种超硬材料微透镜阵列的制造方法，包括如下步骤：

S110，根据微透镜的曲率半径选择对应直径的多个球头棒材5；球头棒材5的球头为微透镜阵列制造中的塑形模具；

S120，调整球头棒材5和待加工工件6的相对位置，使球头棒材5的球头与待加工工件6接触，并进行位置固定；待加工工件6的待加工表面位于x-y轴构成的平面上；球头棒材5设置在上述待加工表面的上方，且球头棒材5的轴线沿Z轴方向设置；

S130，对待加工工件6进行加工，具体为：按设定路径移动待加工工件6的同时，驱动多个球头棒材5转动，且不断向待加工表面喷洒金刚石颗粒悬浮液，同时逐渐将待加工工件6沿z轴方向上升距离h；距离h为微透镜阵列的加工深度。

S140，将加工完成的工件置于丙酮中清洗后干燥。

其中，在S110步骤中，所采用的球头棒材5为棒状钢材，其球头为球冠形状。

在S120步骤中，如图3所示，球头棒材5设置在上述待加工表面的上方，具体是采用夹具将球头棒材5固定在待加工表面的上方。并且可以在夹具的上方位置处设置电机，以用于驱动球头棒材5进行转动。

且在S120步骤中，为了提高移动待加工工件6的便捷性，可以将待加工工件6固定在三维电动平移台7上。在加工的过程中，能够通过控制三维电动平移台7的移动路径来实现对待加工工件路径的控制，且三维电动平移台7的上升距离就是待加工工件6上透镜阵列凹坑的深度。

在本发明中所采用的三维电动平移台，可以是具有X轴、Z轴和C轴的高精度机床。因X轴、Z轴和C轴组成了空间柱坐标系，因此可以通过这三个轴的联动来实现微透镜凹坑三维非回转对称曲面的加工，如图4和图5所示。

在加工的过程中，需要对待加工工件的移动路径进行规划，通常加工的移动路径轨迹点的生成是按如下步骤进行：

首先，计算得出在笛卡尔坐标系中微透镜阵列的方程表达式为z＝f(x,y)；

其次，将其化成柱坐标系下的表达式为z＝f(x,y)；

再者，在(ri,i)平面离散化出轨迹点，得到加工点的坐标(ri,i)，再带入方程z＝f(ri,i)计算得到坐标zi；

最后，机床通过X轴、Z轴和C轴三轴联动使球头棒材沿着轨迹点运动，加工出微透镜阵列。

按照上述方法进行轨迹点的计算是一项很繁重任务，但通过DIFFSYS汇编软件来计算上述加工路径轨迹点会方便很多。DIFFSYS是一个专门针对数控机床(CNC)设计应用的编程软件，用于生成各种复杂曲面的CNC加工程序。在DIFFSYS软件中可以将需要的微透镜阵列的形状设计出来，然后由软件自动生成加工程序。

此外，待加工工件6的材料为单晶硅、碳化硅和碳化钨等超硬材料中的任意一种。

本发明公开的超硬材料的微透镜阵列制造方法主要有以下优点：本发明提供的超硬材料微透镜阵列的制造方法中，采用球头为微透镜阵列制造中塑形模具的球头棒材对待加工工件进行加工，且在加工的过程中，不断向所述待加工表面喷洒金刚石颗粒悬浮液的同时，按设定路径移动待加工工件，这就能够根据球头上的塑形模具以及待加工工件的加工路径，能够灵活加工出任意曲面的微透镜阵列。

且本发明所公开的超硬材料的微透镜阵列制造方法中直接采用球头为微透镜阵列制造中塑形模具的球头棒材对待加工工件进行加工，这就能够摒弃原筛网辅助微透镜阵列制造方法中的复杂装置，简化制造超硬材料微透镜阵列的装置结构，降低制造难度。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。