一種微透鏡陣列模具和其製造方法與流程
2023-06-10 20:28:26 2
本發明涉及一種微透鏡陣列模具和其製造方法。
背景技術：
目前，微透鏡陣列的一般採用機械加工方法或者採用光刻、三束直寫加工技術等與刻蝕相結合的方法。採用機械加工(如切削、銑削、磨削等)方法加工模具上的微陣列結構時，模具材料通常為模具鋼、鎳單質、碳化鎢(WC)、碳化矽(SiC)等，利用機械加工的方式在模具上加工微透鏡陣列。採用機械加工微陣列能夠得到多種微結構形貌，但在模具材料的選擇上主要存在以下缺點：模具鋼或鎳單質在高溫下硬度急劇下降，模具壽命短，不能滿足高溫模壓成形的硬度要求；採用耐高溫超硬材料碳化鎢(WC)、碳化矽(SiC)等材料時，對金剛石刀具磨損嚴重，難以完成大面積微納陣列加工。
採用光刻、三束直寫加工技術等與刻蝕相結合的方法加工模具上的微陣列結構時，首先利用光刻、三束直寫加工等方式在掩膜上形成微陣列結構，再通過刻蝕技術將掩膜上的圖案轉移到基底模具表面。該方法能夠滿足較大規模的生產，通過一定的加工工藝能夠達到較高的解析度，但不足之處在於加工工藝步驟複雜、周期長，在加工連續平滑的複雜三維結構方面以及精度控制方面具有較大困難。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種微透鏡陣列模具和其製造方法，以力圖解決或者至少緩解上面存在的問題。
第一方面，本發明提供一種微透鏡陣列模具的製造方法，包括：
在硬質材料的基底模具上形成軟質金屬膜；
利用機械加工工藝使所述軟質金屬膜上形成對應微透鏡陣列的第一圖案；
以形成有所述第一圖案的所述軟質金屬膜為掩膜板，利用構圖工藝在所述基底模具上形成與所述第一圖案相同的圖案。
可選地，在根據本發明的方法中，所述在硬質材料的基底模具上形成軟質金屬膜，包括：
利用化學鍍工藝或物理鍍工藝在硬質材料的所述基底模具上形成所述軟質金屬膜。
可選地，在根據本發明的方法中，所述利用機械加工工藝使所述軟質金屬膜上形成對應微透鏡陣列的第一圖案，包括：
利用切削加工方法或銑削加工方法使所述軟質金屬膜上形成所述對應微透鏡陣列的第一圖案。
可選地，在根據本發明的方法中，所述以形成有所述第一圖案的所述軟質金屬膜為掩膜板，利用構圖工藝在所述基底模具上形成與所述第一圖案相同的圖案，包括：
以形成有所述微透鏡陣列的所述軟質金屬膜為掩膜板，利用幹法刻蝕方法或溼法刻蝕方法在所述基底模具上形成與所述第一圖案相同的圖案。
可選地，在根據本發明的方法中，所述幹法刻蝕方法包括物理性刻蝕方法和化學性刻蝕方法。
可選地，在根據本發明的方法中，所述硬質材料包括碳化鎢和碳化矽其中之一。
可選地，在根據本發明的方法中，所述軟質金屬膜的材料包括銅和鋁其中之一。
可選地，在根據本發明的方法中，所述軟質金屬膜的厚度為100微米到500微米。
第二方面，本發明提供一種微透鏡陣列模具，採用如上的方法製備，所述微透鏡陣列模具包括硬質材料的基底模具和形成於所述基底模具上的對應微透鏡陣列的第一圖案。
可選地，在根據本發明的微透鏡陣列模具中，所述硬質材料包括碳化鎢和碳化矽其中之一。
根據本發明的技術方案，採用機械工藝與刻蝕工藝相結合的方式，降低了加工工藝難度，減少了加工周期，提高了加工精度。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1示出了本發明實施例所提供的一種微透鏡陣列的製造方法的流程圖；
圖2示出了本發明實施例所提供的一種電鍍工藝原理的示意圖；
圖3示出了本發明實施例所提供的一種微透鏡陣列對應圖案的示意圖；
圖4示出了本發明實施例所提供的銑削加工工藝的示意圖；
圖5示出了本發明實施例所提供的微透鏡陣列模具的示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1示出了根據本發明實施例所提供的一種微透鏡陣列的製造方法的流程圖。如圖1所示，該方法始於步驟S110。
在步驟S110中，在硬質材料的基底模具上形成軟質金屬膜。
硬質材料可以為碳化鎢(WC)和碳化矽(SiC)中之一，但不限於上述兩種材料。硬質材料還可以為硬質合金、組成硬質合金的碳化鉭、碳化釩、碳化鉻、碳化鈦這些硬質粉末、氮化矽等等。
軟質金屬膜一般指使用的金屬膜材料的硬度較低，具有易於機械加工的機械性能。其材料可以為銅、鋁和鎳其中之一，軟質金屬膜的厚度為100微米到500微米。此處應當理解，軟質金屬膜的材料不限於上述三種材料，所有有益於進行機械加工或能夠形成軟質金屬膜的材料都在本發明的保護範圍內，在實際應用中，應根據具體情況確定。
利用物理鍍工藝、化學鍍工藝、噴塗工藝中任意一種在硬質材料的所述基底模具上形成軟質金屬膜。
物理鍍工藝是採用物理的方式沉積薄膜，物理方式可以為真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍膜等。真空蒸鍍是在真空條件下，使金屬、金屬合金或化合物蒸發，然後凝結在相對溫度較低的模具表面上。常用的模具為硬質材料、塑料薄膜或紙張，也可以是金屬、陶瓷、合成樹脂、蠟、木材等製品。濺射鍍膜是用荷能離子(通常為Ar+)轟擊靶材料表面，使靶材料的原子或分子從其表射出，然後沉積在模具表面。離子鍍是在濺射鍍膜的基礎上，加上了高壓源，模具為陰極，鍍料原子被電離後沉積在模具上。
化學鍍工藝中常用的為電鍍工藝和化學浸鍍。電鍍工藝的原理可參考圖2，電鍍工藝中基材一般包括金屬和非金屬，金屬可以為鑄鐵、不鏽鋼、合金鋼等，非金屬一般在電鍍前通過化學鍍在其表面沉積一層金屬，使其具有導電性，然後再進行電鍍加厚，具體的操作過程為：除油—水洗—浸蝕(活化)—水洗—電鍍—水洗—鈍化—水洗—烘乾。而化學浸鍍工藝是在PH>11的鹼性環境中，甲醛與銅離子發生氧化還原反應，反應式為：Cu2++2HCHO+4OH-＝Cu+2HCOO-+2H2O+H2↑，具體的操作過程為：除油—水洗—浸蝕(活化)—水洗—預浸—活化—解膠—水洗—化學浸鍍。其次，還可以通過電刷鍍在電鍍的基礎上，對待度工件增加待鍍工件與電鍍刷之間的相對運動，提高了電鍍速度。
噴塗工藝是將熔融狀態的噴塗材料，通過高速氣流使其霧化噴射在模具表面。由於在噴塗過程中模具與氧氣接觸會發生氧化，可以採用真空噴塗。也可以採用噴塗工藝和雷射熔覆工藝相結合的方式，通過在基材表面添加熔覆材料，並利用高能密度的雷射束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成熔覆層，一次熔覆厚度就能達到0.5mm左右。
不過應當理解，形成軟質金屬膜的方式不限於上述幾種方式，所有可以形成軟質金屬膜的方式都在本發明的保護範圍內。
在步驟S120中，利用機械加工工藝使軟質金屬膜上形成對應微透鏡陣列的第一圖案。
微透鏡是一種微結構功能表面，它是指微小透鏡，直徑一般為l0μm到lmm級，在基板上，由這些微小透鏡按一定的位置和形狀排列形成的陣列叫做微透鏡陣列；從光子學範疇來確定微透鏡範圍很廣泛，包含直徑可達幾毫米的透鏡，微透鏡陣列數目從幾百到上千個，多至幾萬個；相對於傳統透鏡，微透鏡陣列具有集成程度高、單元尺寸小的特點，它能構成許多新型的光學系統，擁有傳統透鏡不能實現的功能；在微透鏡陣列中，其中單個微透鏡形狀一般有正方形、六邊形和半球形等形狀。圖3為典型的微透鏡陣列。微透鏡陣列具有非常高的衍射效率、特有的色散性能、廣泛的選材性、更廣的設計自由以及特有的光學性能。
機械加工工藝可以為切削加工方法或銑削加工方法中的一種。不過應當理解，上述兩種方法僅僅是示意性的，所有可以在軟質金屬膜上形成對應微透鏡陣列的第一圖案的方法都在本發明的保護範圍內。
切削加工方法是用刀具從工件如軟質金屬膜上切除多餘材料，從而獲得形狀、尺寸精度及表面質量等合乎要求的零件的加工過程。實現這一切削過程必須具備三個條件：工件與刀具之間要有相對運動，即切削運動；刀具材料必須具備一定的切削性能；刀具必須具有適當的幾何參數，即切削角度等。
銑削加工方法是以銑刀作為刀具加工物體表面的一種機械加工方法。本發明通過金剛石球頭銑刀在軟質金屬膜銑削出微透鏡陣列。微透鏡陣列的加工過程是由球頭銑刀圍繞主軸中心的旋轉運動和球頭銑刀分別沿著X軸、Y軸和Z軸的進給運動共同完成的。每一個球形腔陣點的加工過程為：主軸以轉速n旋轉帶動刀具旋轉，同時以Vfz的速度沿著Z方向進給。切削刃碰到工件以後進行銑削加工，即圓弧刃沿著主軸旋轉一轉形成的表面就是加工的球形腔的內部表面。設所加工的球形腔的最大圓截面半徑為r，球頭銑刀的半徑為R，則球形腔的銑削深度h滿足如下關係式：
當一個球形腔陣點加工完成之後，刀具沿著X軸或Y軸進給，移動一個陣點之間的間距，然後進行下一個陣點的加工。重複以上過程，一直到陣列加工完成。具體可參考圖4。
在步驟S130中，以形成有所述第一圖案的所述軟質金屬膜為掩膜板，利用構圖工藝在所述基底模具上形成與所述第一圖案相同的圖案。
本發明中的構圖工藝可以為幹法刻蝕方法或溼法刻蝕方法中一種，具體應以實際情況為準，此處僅僅是示意性的。
刻蝕就是用化學的、物理的或同時使用化學和物理的方法，將不需要的材料除去，在基底上得到所需圖形。刻蝕又可分為幹法刻蝕和溼法刻蝕。
幹法刻蝕中根據刻蝕氣體是否與被刻蝕材料發生反應而分為物理性刻蝕、化學性刻蝕以及物理化學性刻蝕。其中物理性刻蝕或稱為離子刻蝕是利用輝光放電將氣體(如氬)電離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，濺擊在被刻蝕物的表面而將被刻蝕物的原子擊出，該過程完全是物理上的能量轉移，故稱為物理性刻蝕。其特色在於，具有非常好的方向性，可獲得接近垂直的刻蝕輪廓。
化學性刻蝕或稱等離子體刻蝕是運用氣體輝光放電中等離子體使氣相物質離子化，以強化其與基片的化學反應，生成具有揮發性的反應產物，並被真空設備抽離反應腔。因這種反應完全利用化學反應，故稱為化學性刻蝕。
同時發生物理化學作用的刻蝕或稱為反應離子刻蝕是在等離子體刻蝕的基礎上，在平板電極之間施加高頻電壓，使離子高速撞擊試樣而同時進行物理和化學刻蝕的過程。
具體地，在等離子體刻蝕工藝中，首先是在基底表面形成一層掩膜，接著再把這種待加工的基底放置到具有化學活性的低溫等離子體中，進行等離子體刻蝕。這種具有化學活性的等離子體通常是由氯氣或碳氟等氣體放電產生的，它不僅含有電子和離子，還含有大量的活性自由基。這些活性基團沉積到裸露的基底表面時，與基底材料的原子相互結合而形成揮發性的化合物，從而對基底進行化學性刻蝕。另一方面，為了提高刻蝕速度，還通常將基底放置在一個施加射頻或脈衝偏壓的電極上面，在基底的上方將形成一個非電中性的等離子體區，即鞘層。等離子體中的離子在鞘層電場的作用下，轟擊到裸露的基底表面上，並與表面層的原子進行碰撞，使其濺射出來從而實現同時包含物理和化學過程的刻蝕。
根據一個實施例，使用碳化矽(SiC)作為基底模具，採用幹法刻蝕的方法對其進行刻蝕。實驗中，採用CF4作為刻蝕氣體，氟碳離子束撞擊被刻蝕的樣品表面然後由電子中和,其中SiC與氟碳離子的反應為：
SiC+CFn(離子)→SiF4+C
反應生成的C聚積在SiC表面，阻滯了SiC的進一步刻蝕，刻蝕速率較低。因此通入O2與CF4的混合氣體，當02/CF4流量比大於0而小於40％時，隨著02的通入也就是02/CF4流量比的增大，刻蝕反應過程中聚積的C與通入的02也發生反應，生成揮發性的CO和C02，減少乃至消除了C的聚積，從而將清潔的SiC表面反覆地暴露出來，02流量愈大就愈加速了這一過程，直到02/CF4流量比為40％左右時，刻蝕速率達到最大值。通過抽氣系統將生成的氣體抽離腔體，完成對SiC的刻蝕。
不過應當理解，本發明中的實施例僅僅是示意性的，本發明不受實施例的限制。
本發明還公開了一種微透鏡陣列模具，採用如上所述的方法製備，微透鏡陣列模具包括硬質材料的基底模具和形成於所述基底模具上的對應微透鏡陣列的圖案。硬質材料包括碳化鎢和碳化矽其中之一。上文中已對硬質材料進行詳細的解釋，此處不再進行過多說明。
根據本發明的技術方案，採用機械工藝與刻蝕工藝相結合的方式，降低了加工工藝難度，減少了加工周期，提高了加工精度。
在此處所提供的說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下被實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。
類似地，應當理解，為了精簡本公開並幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特徵有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，並不應將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特徵更多特徵。更確切地說，如下面的權利要求書所反映的那樣，發明方面在於少於前面公開的單個實施例的所有特徵。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地併入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。
本領域那些技術人員應當理解在本文所公開的示例中的設備的模塊或單元或組件可以布置在如該實施例中所描述的設備中，或者可替換地可以定位在與該示例中的設備不同的一個或多個設備中。前述示例中的模塊可以組合為一個模塊或者此外可以分成多個子模塊。
本領域那些技術人員可以理解，可以對實施例中的設備中的模塊進行自適應性地改變並且把它們設置在與該實施例不同的一個或多個設備中。可以把實施例中的模塊或單元或組件組合成一個模塊或單元或組件，以及此外可以把它們分成多個子模塊或子單元或子組件。除了這樣的特徵和/或過程或者單元中的至少一些是相互排斥之外，可以採用任何組合對本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的所有特徵以及如此公開的任何方法或者設備的所有過程或單元進行組合。除非另外明確陳述，本說明書(包括伴隨的權利要求、摘要和附圖)中公開的每個特徵可以由提供相同、等同或相似目的的替代特徵來代替。
此外，本領域的技術人員能夠理解，儘管在此所述的一些實施例包括其它實施例中所包括的某些特徵而不是其它特徵，但是不同實施例的特徵的組合意味著處於本發明的範圍之內並且形成不同的實施例。例如，在下面的權利要求書中，所要求保護的實施例的任意之一都可以以任意的組合方式來使用。
此外，所述實施例中的一些在此被描述成可以由計算機系統的處理器或者由執行所述功能的其它裝置實施的方法或方法元素的組合。因此，具有用於實施所述方法或方法元素的必要指令的處理器形成用於實施該方法或方法元素的裝置。此外，裝置實施例的在此所述的元素是如下裝置的例子：該裝置用於實施由為了實施該發明的目的的元素所執行的功能。
如在此所使用的那樣，除非另行規定，使用序數詞「第一」、「第二」、「第三」等等來描述普通對象僅僅表示涉及類似對象的不同實例，並且並不意圖暗示這樣被描述的對象必須具有時間上、空間上、排序方面或者以任意其它方式的給定順序。
儘管根據有限數量的實施例描述了本發明，但是受益於上面的描述，本技術領域內的技術人員明白，在由此描述的本發明的範圍內，可以設想其它實施例。此外，應當注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本發明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權利要求書的範圍和精神的情況下，對於本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對於本發明的範圍，對本發明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求書限定。