本發(fā)明涉及一種微透鏡陣列模芯及其制作方法、微透鏡陣列及其制作方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，在光電子領(lǐng)域，微透鏡陣列的使用越來(lái)越普遍了。微透鏡陣列可用來(lái)改善光電裝置如太陽(yáng)板、光檢測(cè)器、發(fā)光裝置、成像系統(tǒng)等的性質(zhì)，目前關(guān)于微透鏡陣列的研究主要集中于成像技術(shù)，如攝影、3D圖像及顯示技術(shù)等。

傳統(tǒng)的微透鏡列陣的制作方法主要有以下幾種：利用注射、澆鑄、熱壓、車削等加工光學(xué)塑料制作微透鏡列陣。但是這些傳統(tǒng)方法存在下列缺陷：制作成本高，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，并且微透鏡的表面光滑度和一致性不夠高。

近年來(lái)，出現(xiàn)用超精密數(shù)控機(jī)床制作微透鏡列陣的方法，主要包括如下步驟：1)制作金屬模芯，金屬模芯上具有凹窩陣列；2)利用金屬模芯注射成型形成微透鏡陣列。

在制作金屬模芯時(shí)，將平板狀的金屬板安裝在主軸的端面上，根據(jù)微透鏡陣列形狀精確控制刀具路徑對(duì)平板狀的金屬板的一側(cè)面切削出與微透鏡陣列相吻合的凹窩陣列，從而制成金屬模芯。刀具對(duì)凹窩陣列中各個(gè)凹窩的加工順序?yàn)橛芍行南蛲庵芤来芜M(jìn)行切削加工，在XY平面上，刀具切削點(diǎn)路徑為螺旋形。

在光學(xué)三維微坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)中，檢查了經(jīng)上述傳統(tǒng)方法制作的金屬模芯， 發(fā)現(xiàn)金屬模芯表面至少存在如下缺陷：金屬模芯的各凹窩上具有由切割刀具等形成的刮傷，且刮傷位置無(wú)規(guī)律，故金屬模芯中各個(gè)凹窩的一致性差。通過(guò)該金屬模芯模制成型的微透鏡陣列同樣存在各個(gè)微透鏡的一致性差的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的其中一個(gè)主要目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種缺陷，提供一種微透鏡陣列模芯的制作方法，其能制作出各凹窩一致性好的微透鏡陣列模芯；

本發(fā)明的另一個(gè)主要目的在于提供一種微透鏡陣列的制作方法及微透鏡陣列。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種微透鏡陣列模芯的制作方法，包括以下步驟：

提供一圓柱形夾具，將該圓柱形夾具同軸安裝于一超精密機(jī)床的主軸上；

提供一金屬片，將該金屬片可拆卸地貼合固定于該圓柱形夾具的外圓柱面，形成一金屬筒，該金屬筒的中心線與所述主軸中軸線重合；

基于該微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)，使該超精密機(jī)床的刀具在該金屬筒外表面加工出凹窩陣列；將加工有凹窩陣列的金屬筒拆離所述主軸，形成所述微透鏡陣列模芯。

在一實(shí)施方式中，在將所述金屬筒拆離所述圓柱形夾具后，還包括將所述金屬筒整理成金屬片的步驟。

在一實(shí)施方式中，還包括如下步驟：在金屬片上選取合適區(qū)域的凹窩陣列，去除該合適區(qū)域外的部分。

在一實(shí)施方式中，在加工凹窩陣列過(guò)程中，所述刀具的進(jìn)給方向垂直于所述主軸中軸線。

在一實(shí)施方式中，在加工所述凹窩陣列的每一行凹窩過(guò)程中，控制超精 密機(jī)床的刀具切削點(diǎn)坐標(biāo)(C_c，X_c，Z_c)滿足式(1)：

其中(X_p,Y_p,Z_p)為所述切削點(diǎn)在平面坐標(biāo)系(X,Y,Z)的坐標(biāo)，滿足式(2)：

其中，L為微透鏡陣列的長(zhǎng)度，W為微透鏡陣列的寬度，p為微透鏡陣列中每個(gè)微透鏡的直徑；D為金屬筒外徑，R為刀具半徑，k為微透鏡陣列的行序號(hào)，且k＝0,1...；n為每行微透鏡陣列中各微透鏡的順序號(hào)，n＝0,1,2...；所述刀具逐行加工所述凹窩陣列的每一行凹窩。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種微透鏡陣列模芯，由本發(fā)明所述的微透鏡陣列模芯的制作方法制成。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種微透鏡陣列的制作方法，還包括以下步驟：

提供由本發(fā)明所述的微透鏡陣列模芯的制作方法制成微透鏡陣列模芯；

提供一模具，該模具包括相互配合工作的兩個(gè)型模，其中一型模內(nèi)具有模槽；將所述微透鏡陣列模芯放入所述模槽內(nèi)，在該微透鏡陣列模芯曲面的情況下，使微透鏡陣列模芯朝向另一個(gè)型模方向凸出；

注塑加工：將該模具的兩個(gè)型模合模，并向該模槽內(nèi)注射成型料，獲得所述微透鏡陣列。

在一實(shí)施方式中，所述注塑加工的工藝參數(shù)為：模具溫度為100～110℃，注塑溫度為225～235℃，保壓壓力為1100～1300MPa，保壓時(shí)間為15～25秒， 冷卻時(shí)間為25～35秒。進(jìn)一步地，所述注塑加工的工藝參數(shù)為：模具溫度為105℃，注塑溫度為229℃，保壓壓力為1200MPa，保壓時(shí)間為20秒，冷卻時(shí)間為30秒。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種微透鏡陣列，由本發(fā)明所述的微透鏡陣列的制作方法制成。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：本發(fā)明微透鏡陣列模芯的制作方法中，將金屬片可拆卸地貼合固定在一圓柱形夾具的外圓柱面上，形成一金屬筒，刀具在金屬筒外表面逐行加工出凹窩陣列，形成微透鏡陣列模芯，從而可以減少刀具在凹窩表面的劃傷，因此制成的微透鏡陣列模芯中各凹窩的一致性好，微透鏡陣列模芯的質(zhì)量大幅提升。進(jìn)一步地，由該微透鏡陣列模芯加工出的微透鏡陣列的質(zhì)量也隨之大幅提升。

附圖說(shuō)明

通過(guò)結(jié)合附圖考慮以下對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的各種目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見(jiàn)。附圖僅為本發(fā)明的示范性圖解，并非一定是按比例繪制。在附圖中，同樣的附圖標(biāo)記始終表示相同或類似的部件。其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施方式示出的微透鏡陣列的制作方法的流程示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施方式示出的微透鏡陣列模芯的制作方法中主軸、刀具與金屬筒位置關(guān)系的示意圖。

圖3A是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施方式示出的微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3B是圖3A的側(cè)視圖。

圖4表示根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的一種微透鏡陣列模芯的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面將參考附圖更全面地描述示例實(shí)施方式。然而，示例實(shí)施方式能夠以多種形式實(shí)施，且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的實(shí)施方式；相反，提供這些實(shí)施方式使得本發(fā)明將全面和完整，并將示例實(shí)施方式的構(gòu)思全面地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的結(jié)構(gòu)，因而將省略它們的詳細(xì)描述。

微透鏡陣列模芯的制作方法

參見(jiàn)圖1，圖1是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施方式示出的微透鏡陣列的制作方法的流程示意圖，該流程示意圖中包含了微透鏡陣列模芯的制作流程。根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施方式示出的微透鏡陣列模芯的制作方法，包括以下步驟：

提供一圓柱形夾具100，將該圓柱形夾具100安裝于一超精密機(jī)床的主軸端部，并使該圓柱形夾具100的中心線與機(jī)床主軸的中軸線同軸。圓柱形夾具100可以是一圓柱體，但是本發(fā)明不限制于此。本發(fā)明中，圓柱形夾具100還可以是其他任何結(jié)構(gòu)，只要具有一圓柱形外表面即可。

提供一金屬片10，該金屬片10可以是一銅片或鋁片或其他金屬片。將該金屬片10可拆卸地貼合固定于圓柱形夾具100的外圓柱面上，形成一金屬筒，該金屬筒的中心線與主軸中軸線重合。該金屬片10可以通過(guò)粘結(jié)、卡扣連接或任何其他可拆卸的連接方式固定于圓柱形夾具100上，并且金屬片10平整地貼合于圓柱形夾具100外表面從而形成一與主軸同軸的金屬筒。

基于該微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)，使該超精密機(jī)床的刀具200在該金屬筒外表面加工出凹窩陣列20。其中，該超精密機(jī)床的刀具200可以選用具有一具有圓弧切削刃的單點(diǎn)金剛石刀具。由于使用本發(fā)明的微透鏡陣列模芯的制作方法制造的微透鏡陣列模芯，是為了加工微透鏡陣列，因此微透鏡陣列模芯與微透鏡陣列在結(jié)構(gòu)上具有一致性和互補(bǔ)性。具體來(lái)說(shuō)，微透鏡陣列模芯上凹 窩陣列20中各個(gè)凹窩的排列形式與微透鏡陣列中各個(gè)微透鏡的排列形式一致，微透鏡陣列模芯上凹窩的形狀與微透鏡陣列中微透鏡形狀相吻合，二者為凹凸配合關(guān)系。

將加工有凹窩陣列20的金屬筒拆離圓柱形夾具100，形成微透鏡陣列模芯。

在上述微透鏡陣列模芯的制作方法中，進(jìn)一步地，在將金屬筒拆離圓柱形夾具100后，還包括如下步驟：將金屬筒展開(kāi)、壓平而形成具有凹窩陣列20的金屬片。特別是還可包括靜置步驟，即將平整的金屬片靜置一段時(shí)間，例如5-20小時(shí)，以消除在加工凹窩陣列20過(guò)程中形成的應(yīng)力。

在上述微透鏡陣列模芯的制作方法中，進(jìn)一步地，在將金屬筒整理平整之后，還包括如下步驟：根據(jù)需要選取合適區(qū)域的凹窩陣列20，去除該合適區(qū)域外的部分，從而形成所需形狀的凹窩陣列。

本發(fā)明中，如前面所述，圓柱形夾具100是直接安裝于一超精密機(jī)床的主軸端部，但本發(fā)明并不限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，圓柱形夾具100也可以間接安裝于主軸。舉例來(lái)說(shuō)，在超精密機(jī)床的主軸設(shè)有真空吸盤(pán)情況下，則可將圓柱形夾具100安裝到真空吸盤(pán)上。無(wú)論圓柱形夾具100直接安裝于主軸還是間接安裝于主軸，都需要保證圓柱形夾具100與主軸的同軸度。

參見(jiàn)圖2，圖2是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施方式示出的微透鏡陣列模芯的制作方法中主軸、刀具200與金屬筒位置關(guān)系的示意圖。在上述微透鏡陣列模芯的制作方法中，金屬筒中心線與主軸中軸線重合，刀具200的進(jìn)給方向垂直于主軸中軸線。刀具200在X方向上往復(fù)逐行加工凹窩陣列20中每一行凹窩。舉例來(lái)說(shuō)，刀具200在X方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)圓柱形夾具100以及金屬筒順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)然在其他實(shí)施方式中主軸也可以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。每一行凹窩的對(duì)應(yīng)的圓心角范圍為-θ～+θ，θ角例如 可以在5°～180°之間，圖2所示的θ角約為45°；當(dāng)加工完一行中最后一個(gè)凹窩之后，退刀，待主軸旋轉(zhuǎn)到-θ角位置，進(jìn)刀并加工下一行凹窩，直至所有的凹窩加工完成。

參見(jiàn)圖3，圖3是根據(jù)本發(fā)明一示例性實(shí)施方式示出的微透鏡陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。如前面所述，微透鏡陣列模芯與微透鏡陣列在結(jié)構(gòu)上具有一致性和互補(bǔ)性。下面以圖3所示以微透鏡陣列為最終加工的目標(biāo)物為例說(shuō)明加工微透鏡陣列模芯中的一行凹窩的刀具切削路徑。所述刀具切削點(diǎn)在平面坐標(biāo)系(X,Y,Z)的坐標(biāo)(X_P,Y_p,Z_p)滿足下式：

在實(shí)際加工中，微透鏡陣列模芯中的凹窩陣列是通過(guò)控制超精密機(jī)床的C,X,Z軸在圓柱面上進(jìn)行加工的，在圓柱坐標(biāo)系(C',X',Z')中，刀具切削點(diǎn)(C_c,X_c,Z_c)可以由其平面坐標(biāo)系坐標(biāo)(X_P,Y_p,Z_p)通過(guò)以下坐標(biāo)變換求得：

其中，L為微透鏡陣列的長(zhǎng)度，W為微透鏡陣列的寬度，p為微透鏡陣列中每個(gè)微透鏡的直徑；D為金屬筒外徑，R為刀具切削頭半徑，k為 微透鏡陣列的行序號(hào)，且k＝0,1...；n為每行微透鏡陣列中各微透鏡的順序號(hào)，n＝0,1,2...；所述刀具逐行加工所述凹窩陣列的每一行凹窩，最終獲得凹窩陣列。

微透鏡陣列模芯

本發(fā)明微透鏡陣列模芯，由本發(fā)明上述的微透鏡陣列模芯制作方法制成。

參見(jiàn)圖4，圖4是根據(jù)一示例性實(shí)施方式示出的一種微透鏡陣列模芯的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果圖。將本發(fā)明微透鏡陣列模芯在Zygo激光檢測(cè)儀上的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。在微透鏡陣列模芯的不同位置，隨機(jī)選取了9個(gè)凹窩，測(cè)量每個(gè)凹窩的面形誤差(P-V)和球面半徑(R)，如表1所示，面形誤差的均值為0.150μm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.017μm；球面半徑的均值為540.469μm，標(biāo)準(zhǔn)差為8.052μm。由此可以看出該微透鏡陣列模芯中各凹窩具有較好的一致性和較高的質(zhì)量。通過(guò)該微透鏡陣列模芯制成的微透鏡陣列同樣具有較好的一致性和較高的質(zhì)量。

表1凹窩面形誤差(P-V)和球面半徑(R)

微透鏡陣列的制作方法

參見(jiàn)圖1。本發(fā)明微透鏡陣列的制作方法，包括如下步驟：

首先提供由本發(fā)明前述的微透鏡陣列模芯的制作方法制成的微透鏡陣列模芯。

提供一模具，該模具包括相互配合工作的上型模30和下型模40，其中下型模40內(nèi)具有模槽；將微透鏡陣列模芯10放入模槽內(nèi)，在該微透鏡陣列 模芯10彎曲的情況下，使微透鏡陣列模芯10朝向上型模30方向凸出，以通過(guò)注塑的壓力將透鏡陣列模芯10壓平。當(dāng)然也可以事先將微透鏡陣列模芯10整理平整后再放入模槽內(nèi)。在其他實(shí)施方式中模槽也可以設(shè)置于上型模30內(nèi)。當(dāng)微透鏡陣列模芯10的尺寸不合適例如太大時(shí)，也可以先將微透鏡陣列模芯10裁切至合適的尺寸再放入模槽內(nèi)。

注塑加工：將該模具的兩個(gè)型模合模，并向該模槽內(nèi)注射成型料，獲得所述微透鏡陣列300。

在本發(fā)明微透鏡陣列的制作方法中，進(jìn)一步地，注塑加工的工藝參數(shù)設(shè)置為：模具溫度為105℃，注塑溫度為229℃，保壓壓力為1200MPa，保壓時(shí)間為20秒，冷卻時(shí)間為30秒。當(dāng)然本發(fā)明的注塑加工的工藝參數(shù)并不限于以上數(shù)值，在其他實(shí)施方式中設(shè)置如下參數(shù)范圍值均是可行的：模具溫度為100～110℃，注塑溫度為225～235℃，保壓壓力為1100～1300MPa，保壓時(shí)間為15～25秒，冷卻時(shí)間為25～35秒。

微透鏡陣列

本發(fā)明微透鏡陣列，由本發(fā)明上述的微透鏡陣列制作方法制成。

本發(fā)明上述的微透鏡陣列具有較高的質(zhì)量和較好的一致性，與傳統(tǒng)玻璃光刻的方法相比，具有更高的性價(jià)比，可用于光場(chǎng)相機(jī)的研制、開(kāi)發(fā)以及生產(chǎn)。使用本發(fā)明的微透鏡陣列，可以方便地將普通的單反相機(jī)改裝成具有光場(chǎng)成像功能的光場(chǎng)相機(jī)，實(shí)現(xiàn)增加景深，“先拍照，后聚焦”等功能。另外使用本發(fā)明微透鏡陣列還可以對(duì)光場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步拓展，譬如將光場(chǎng)成像應(yīng)用于3D渲染、視頻監(jiān)控、光場(chǎng)顯微等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)成像更加強(qiáng)大的功能。

這里詳細(xì)地描述和/或圖示了示例性實(shí)施例。但本發(fā)明的實(shí)施例不限于這里所描述的特定實(shí)施例，相反，每個(gè)實(shí)施例的組成部分和/或步驟可與這里所描述的其它組成部分和/或步驟獨(dú)立和分開(kāi)使用。一個(gè)實(shí)施例的每個(gè)組成部分 和/或每個(gè)步驟也可與其它實(shí)施例的其它組成部分和/或步驟結(jié)合使用。在介紹這里所描述和/或圖示的要素/組成部分/等時(shí)，用語(yǔ)“一個(gè)”、“一”、“該”、“所述”和“至少一個(gè)”用以表示存在一個(gè)或多個(gè)要素/組成部分/等。術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”和“具有”用以表示開(kāi)放式的包括在內(nèi)的意思并且是指除了列出的要素/組成部分/等之外還可存在另外的要素/組成部分/等。