CN116500709A - 一种邻接式微透镜阵列制造方法 - Google Patents

一种邻接式微透镜阵列制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种邻接式微透镜阵列制造方法，涉及微透镜阵列制造领域，包括以下步骤：步骤一、在平面模具基底上加工得到金字塔阵列微结构模具；步骤二、将第一玻璃预形体设置于下模具的上部，进行加热；步骤三、对金字塔阵列微结构模具和下模具进行加压，使得金字塔阵列微结构模具在第一玻璃预形体的表面加工得到凹金字塔微结构玻璃；步骤四、将第二玻璃预形体设置于下模具的上部，进行加热；步骤五、对上模具和下模具进行加压，利用玻璃材料表面张力对第二玻璃预形体进行成形，得到邻接式微透镜阵列。该邻接式微透镜阵列制造方法解决了原有非接触成形法无法加工邻接式微透镜阵列以及结构模具制造周期长、成本高的问题。

Description

一种邻接式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领域，特别是涉及一种邻接式微透镜阵列制造方法。
背景技术
邻接式微透镜阵列是由透镜单元邻接排布而成的，因其独特的排布方式，具有高填充率、高集成度、高光能利用率等特点，被广泛应用于光学***中。模压成形法是常见的微透镜阵列加工方法，其流程如图1所示。首先采用超精密加工方法在模具上加工微透镜阵列结构，结构形状与所制造的微透镜阵列相同，进而得到结构模具12；随后将下平面模具9、外套筒10、内套筒11、结构模具12及玻璃预形体13组装，在高于玻璃材料玻璃态转化温度(Tg)的温度下对结构模具12和下平面模具9施加压力，使玻璃预形体形13变至与结构模具12形状相同，降温后即可得到玻璃微透镜阵列14。
非接触成形工艺与模压成形法类似，常用于加工分布式微透镜阵列，其流程如图2所示，首先在模具上加工出孔阵列，然后对玻璃预形体进行加热加压，利用玻璃材料高温下的表面张力，实现分布式微透镜阵列15的成形，分布式微透镜阵列15的结构如图9和图10所示，分布式微透镜阵列15的透镜之间存在空隙，空隙处为平面。这种方法对模具的加工精度要求较低，但受到原理限制，无法制造邻接式微透镜阵列。
在微透镜阵列制造技术中，对于模压成形法，其局限性在于需要高表面精度的结构模具，模压成形过程中，玻璃预形体表面形貌最终会与结构模具相同，几乎完全复制结构模具的形状，因此要求结构模具形貌精度高，加工质量好，使得结构模具加工时间长，成本高。对于现有的非接触成形工艺，其缺点在于无法加工邻接式微透镜阵列，填充率低。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种邻接式微透镜阵列制造方法，解决了原有非接触成形法无法加工邻接式微透镜阵列以及结构模具制造周期长、成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种邻接式微透镜阵列制造方法，包括以下步骤：
步骤一、在平面模具基底上加工得到金字塔阵列微结构模具；
步骤二、将第一玻璃预形体设置于下模具的上部，并将所述金字塔阵列微结构模具设置于所述第一玻璃预形体的上方，对所述金字塔阵列微结构模具、所述第一玻璃预形体和所述下模具进行加热，达到模压温度T1，所述第一玻璃预形体的玻璃态转化温度为Tg1，T1＞Tg1；
步骤三、对所述金字塔阵列微结构模具和所述下模具进行加压，使得所述金字塔阵列微结构模具在所述第一玻璃预形体的表面加工得到凹金字塔微结构玻璃；
步骤四、将所述凹金字塔微结构玻璃由所述下模具上取下并设置于上模具的底部，将第二玻璃预形体设置于下模具的上部，并将所述上模具和所述凹金字塔微结构玻璃设置于所述第二玻璃预形体的上方，对所述上模具、所述凹金字塔微结构玻璃、所述第二玻璃预形体和所述下模具进行加热，达到模压温度T2，所述第二玻璃预形体的玻璃态转化温度为Tg2，Tg1＞Tg2，Tg2＜T2＜Tg1；
步骤五、对所述上模具和所述下模具进行加压，通过控制上模具的成形压力和所述凹金字塔微结构玻璃的位移，利用玻璃材料表面张力对所述第二玻璃预形体进行成形，得到邻接式微透镜阵列。
优选地，在步骤一中，在平面模具基底上以固定周期加工第一V形槽微结构阵列，将所述平面模具旋转90°，在垂直于所述第一V形槽微结构阵列的方向上以同样的周期加工第二V形槽微结构阵列，从而得到所述金字塔阵列微结构模具。
优选地，在步骤四中，Tg1>Tg2+200℃。
优选地，在步骤二中，Tg1为400℃～700℃，T1为500℃～800℃；在步骤四中，Tg2为200℃～350℃，T2为300℃～450℃。
优选地，在步骤三中，加压的压力为0.01MPa～0.9MPa，加压的时间为30s～10min。
优选地，在步骤五中，加压的压力为0.01MPa～0.9MPa，加压的时间为30s～10min。
优选地，在步骤五中，所述凹金字塔微结构玻璃与所述第二玻璃预形体接触之后的下移距离为0.01mm～0.5mm。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的邻接式微透镜阵列制造方法，利用具有不同玻璃态转化温度的第一玻璃预形体和第二玻璃预形体，通过金字塔阵列微结构模具在第一玻璃预形体的表面加工得到凹金字塔微结构玻璃，凹金字塔微结构玻璃作为中间模具设置于上模具上，对第二玻璃预形体进行加工得到邻接式微透镜阵列。本发明中利用凹金字塔微结构玻璃的空腔，采用非接触模压的方式，通过调控玻璃材料表面张力，得到邻接式微透镜阵列。本发明中的方法能够解决原有非接触成形法由于填充率低无法加工邻接式微透镜阵列的问题；同时，采用非接触成形法加工出的微透镜阵列形貌精度只与中间模具的框架接触，而与中间模具的微结构表面不接触，相对于依赖模具精度的模压成形法，解决了结构模具制造周期长和成本高的问题。
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为现有技术中采用模压成形法制造邻接式微透镜阵列的流程图；
图2为现有技术中采用非接触成形工艺制造分布式微透镜阵列的流程图；
图3为本发明提供的邻接式微透镜阵列制造方法的流程图；
图4为本发明提供的邻接式微透镜阵列制造方法中金字塔阵列微结构模具的立体结构图；
图5为本发明提供的邻接式微透镜阵列制造方法中凹金字塔微结构玻璃的立体结构图；
图6为本发明提供的邻接式微透镜阵列制造方法中凹金字塔微结构玻璃的主视图；
图7为本发明提供的邻接式微透镜阵列制造方法中凹金字塔微结构玻璃的俯视图；
图8为采用本发明提供的邻接式微透镜阵列制造方法制得的邻接式微透镜阵列的立体结构图；
图9为现有技术中采用非接触成形工艺制造得到的分布式微透镜阵列的立体结构图；
图10为现有技术中采用非接触成形工艺制造得到的分布式微透镜阵列的主视图。
附图标记说明：1、平面模具；2、金字塔阵列微结构模具；3、下模具；4、第一玻璃预形体；5、凹金字塔微结构玻璃；6、上模具；7、第二玻璃预形体；8、邻接式微透镜阵列；9、下平面模具；10、外套筒；11、内套筒；12、结构模具；13、玻璃预形体；14、玻璃微透镜阵列；15、分布式微透镜阵列。
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邻接式微透镜阵列制造方法，解决了原有非接触成形法无法加工邻接式微透镜阵列以及结构模具制造周期长、成本高的问题。
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。
如图3-图8所示，本发明提供一种邻接式微透镜阵列制造方法，包括以下步骤：
步骤一、在平面模具1基底上加工得到金字塔阵列微结构模具2；
步骤二、将第一玻璃预形体4设置于下模具3的上部，并将金字塔阵列微结构模具2设置于第一玻璃预形体4的上方，对金字塔阵列微结构模具2、第一玻璃预形体4和下模具3进行加热，达到模压温度T1，第一玻璃预形体4的玻璃态转化温度为Tg1，T1＞Tg1；
步骤三、对金字塔阵列微结构模具2和下模具3进行加压，使得金字塔阵列微结构模具2在第一玻璃预形体4的表面加工得到凹金字塔微结构玻璃5；
步骤四、将凹金字塔微结构玻璃5由下模具3上取下并设置于上模具6的底部，具体地，将凹金字塔微结构玻璃5由下模具3上取下并翻转180°，之后将其设置于上模具6的底部；将第二玻璃预形体7设置于下模具3的上部，并将上模具6和凹金字塔微结构玻璃5设置于第二玻璃预形体7的上方，对上模具6、凹金字塔微结构玻璃5、第二玻璃预形体7和下模具3进行加热，达到模压温度T2，第二玻璃预形体7的玻璃态转化温度为Tg2，Tg1＞Tg2，进而使得具有较高玻璃态转化温度的凹金字塔微结构玻璃5能够对具有较低玻璃态转化温度的第二玻璃预形体7进行加工；同时模压温度T2还需满足以下要求，Tg2＜T2＜Tg1；
步骤五、对上模具6和下模具3进行加压，上模具6能够带动凹金字塔微结构玻璃5一同运动，通过控制上模具6的成形压力和凹金字塔微结构玻璃5的位移，利用玻璃材料表面张力对第二玻璃预形体7进行成形，得到邻接式微透镜阵列8。
具体地，在步骤一中，在平面模具1基底上以固定周期加工第一V形槽微结构阵列，将平面模具1旋转90°，在垂直于第一V形槽微结构阵列的方向上以同样的周期加工第二V形槽微结构阵列，从而得到金字塔阵列微结构模具2，可以根据金字塔阵列微结构模具2的具体需求，对第一V形槽微结构阵列和第二V形槽微结构阵列的V形槽的形状和周期进行调整。
本实施例中的通过第一V形槽微结构阵列和第二V形槽微结构阵列的加工使得金字塔阵列微结构模具2具有多个四棱锥，通过金字塔阵列微结构模具2加工得出具有多个倒四棱锥腔体的凹金字塔微结构玻璃5，此时倒四棱锥腔体开口朝上设置，将凹金字塔微结构玻璃5由下模具3上取下并翻转180°，之后将其设置于上模具6的底部，此时倒四棱锥腔体开口朝下设置；凹金字塔微结构玻璃5下移对第二玻璃预形体7进行加工时，第二玻璃预形体7与凹金字塔微结构玻璃5的底部框架接触，第二玻璃预形体7不与凹金字塔微结构玻璃5的整个倒四棱锥腔体接触，降低了对凹金字塔微结构玻璃5形貌精度的要求，进而加工得出了矩形孔径的邻接式微透镜阵列8。
具体地，在步骤四中，Tg1>Tg2+200℃。
于本具体实施中，在步骤二中，Tg1为400℃～700℃，T1为500℃～800℃，T1一般为Tg1+100℃左右；在步骤四中，Tg2为200℃～350℃，T2为300℃～450℃，T2一般为Tg2+100℃左右。
于本具体实施中，在步骤三中，加压压力和加压时间根据金字塔阵列微结构模具2、第一玻璃预形体4和下模具3的情况来确定，具体地，加压的压力为0.01MPa～0.9MPa，加压的时间为30s～10min。
于本具体实施中，在步骤五中，加压压力和加压时间根据上模具6、凹金字塔微结构玻璃5、第二玻璃预形体7和下模具3的情况来确定，具体地，加压的压力为0.01MPa～0.9MPa，加压的时间为30s～10min。
于本具体实施中，在步骤五中，凹金字塔微结构玻璃5与第二玻璃预形体7接触之后的下移距离由凹金字塔微结构玻璃5的结构以及所设计的邻接式微透镜阵列8的形貌来决定。具体地，凹金字塔微结构玻璃5与第二玻璃预形体7接触之后的下移距离为0.01mm～0.5mm。
本实施例中利用具有不同玻璃态转化温度的第一玻璃预形体4和第二玻璃预形体7，通过金字塔阵列微结构模具2在第一玻璃预形体4的表面加工得到凹金字塔微结构玻璃5，凹金字塔微结构玻璃5作为中间模具设置于上模具6上，对第二玻璃预形体7加工得到邻接式微透镜阵列8。具体地，本实施例中利用凹金字塔微结构玻璃5的空腔，采用非接触模压的方式，通过调控玻璃材料表面张力，得到邻接式微透镜阵列8。
可见，本实施例中的方法能够解决原有非接触成形法由于填充率低无法加工邻接式微透镜阵列8的问题；同时，采用非接触成形法加工出的微透镜阵列形貌精度只与中间模具的框架接触，而与中间模具的微结构表面不接触，降低了对中间模具形貌精度的要求，相对于依赖模具精度的模压成形法，解决了结构模具制造周期长和成本高的问题，即提高了工作效率，降低了成本，同时，模压成形法中每次加工微透镜阵列都需要使用结构模具12，而本实施例的方法中每次加工微透镜阵列使用的是凹金字塔微结构玻璃5，金字塔阵列微结构模具2加工出一个凹金字塔微结构玻璃5即可加工多个微透镜阵列，相较于模压成形法中的结构模具12，本实施例中的金字塔阵列微结构模具2使用频率低，使得损耗降低，使用寿命更长。
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。

Claims (7)

1.一种邻接式微透镜阵列制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在平面模具基底上加工得到金字塔阵列微结构模具；
步骤二、将第一玻璃预形体设置于下模具的上部，并将所述金字塔阵列微结构模具设置于所述第一玻璃预形体的上方，对所述金字塔阵列微结构模具、所述第一玻璃预形体和所述下模具进行加热，达到模压温度T1，所述第一玻璃预形体的玻璃态转化温度为Tg1，T1＞Tg1；
步骤三、对所述金字塔阵列微结构模具和所述下模具进行加压，使得所述金字塔阵列微结构模具在所述第一玻璃预形体的表面加工得到凹金字塔微结构玻璃；
步骤四、将所述凹金字塔微结构玻璃由所述下模具上取下并设置于上模具的底部，将第二玻璃预形体设置于下模具的上部，并将所述上模具和所述凹金字塔微结构玻璃设置于所述第二玻璃预形体的上方，对所述上模具、所述凹金字塔微结构玻璃、所述第二玻璃预形体和所述下模具进行加热，达到模压温度T2，所述第二玻璃预形体的玻璃态转化温度为Tg2，Tg1＞Tg2，Tg2＜T2＜Tg1；
步骤五、对所述上模具和所述下模具进行加压，通过控制上模具的成形压力和所述凹金字塔微结构玻璃的位移，利用玻璃材料表面张力对所述第二玻璃预形体进行成形，得到邻接式微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的邻接式微透镜阵列制造方法，其特征在于，在步骤一中，在平面模具基底上以固定周期加工第一V形槽微结构阵列，将所述平面模具旋转90°，在垂直于所述第一V形槽微结构阵列的方向上以同样的周期加工第二V形槽微结构阵列，从而得到所述金字塔阵列微结构模具。
3.根据权利要求1所述的邻接式微透镜阵列制造方法，其特征在于，在步骤四中，Tg1>Tg2+200℃。
4.根据权利要求3所述的邻接式微透镜阵列制造方法，其特征在于，在步骤二中，Tg1为400℃～700℃，T1为500℃～800℃；在步骤四中，Tg2为200℃～350℃，T2为300℃～450℃。
5.根据权利要求1所述的邻接式微透镜阵列制造方法，其特征在于，在步骤三中，加压的压力为0.01MPa～0.9MPa，加压的时间为30s～10min。
6.根据权利要求1所述的邻接式微透镜阵列制造方法，其特征在于，在步骤五中，加压的压力为0.01MPa～0.9MPa，加压的时间为30s～10min。
7.根据权利要求1所述的邻接式微透镜阵列制造方法，其特征在于，在步骤五中，所述凹金字塔微结构玻璃与所述第二玻璃预形体接触之后的下移距离为0.01mm～0.5mm。
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