MOEMS器件的硅微透镜阵列制造工艺

开发了一种适于MOEMS器件的基于硅微加工技术的简易的硅微透镜阵列制造工艺。通过光刻胶热熔法与ICPRIE(感应耦合等离子反应离子刻蚀)相结合的方式,实现在硅晶圆上批量生产微透镜阵列。通过多层涂胶的方式以及以2.5℃/min的速率从115℃升温至130℃的热熔工艺,获得口径为2.41 mm、矢高99.9μm的光刻胶微透镜阵列。通过控制ICPRIE的胶与硅的刻蚀选择比达到约1∶1,将光刻胶曲率准确地转移到硅晶圆上。     

一种高效率低成本制作微透镜阵列的方法

通常采用的多次掩模光刻和离子束刻蚀制作微透镜阵列的方法不但制作效率低,而且易产生较大的制作误差。提出了一种在硅基底聚合物薄膜上热压制作微透镜阵列的工艺方法,并利用自制的热压印设备进行了热压制作衍射微透镜阵列的试验,讨论了影响压印精度的温度和压力等工艺参数,对压印的衍射微透镜阵列进行了轮廓测试和部分光学性能测试。测试结果表明,压印制作微透镜阵列的复形误差小于10%,衍射效率高于90%,为高效率低成本制作微透镜阵列提供了一种新的方法。     

导光均光微槽透镜阵列精密磨削及其热压微成型

薄壁LED照明依赖丝网印刷的微阵列导光板,但其表面油墨点阵易老化,且微结构很难优化。因此,在导光板表面设计出高斯分布的空间微槽透镜阵列,并采用数控微磨削技术对其进行加工,替代市面丝网印刷的2D微圆阵列。首先,用微光学原理模拟导光板导光效率和出光均匀度,优化微透镜阵列的形状、尺寸和分布。利用金刚石砂轮微尖端在PMMA导光板表面精密磨削出微透镜阵列,检测其导光效率及均匀性。最后,利用微磨削加工的微阵列成型钢模芯开发微透镜阵列的快速热压微成型工艺。微光学分析表明,微槽透镜阵列比微方形透镜阵列和微半球透镜阵列分别提高导光效率6%和15%。而且,微槽透镜阵列变间距高斯分布比等间距分布提高导光效率32%,提高出光均匀度73%。试验结果显示,微磨削可以控制微槽透镜阵列加工的表面质量和形状精度,应用于LED导光板后比丝网印刷的导光板提高导光效率7%和出光均匀度9%。此外,开发3 s的快速热压微成型工艺,可以加工出变间距和变深度的微槽透镜阵列,比丝网印刷的微圆阵列提高照度26%和出光均匀度49%。因此,微空间结构优化的微槽透镜阵列比丝网印刷的2D微圆阵列可附加出更高的微光学应用价值。     

并联机床加工中心数控系统的研究

分析了并联机床加工中心数控系统的设计。此数控系统以Kollmorgen运动控制卡为运动控制核心，包括多个软件控制模块，实现复杂曲面零件的定位和加工。此外，该系统设计了刀库和工艺管理功能，保证了机床加工过程的自动化。     

球面上微透镜阵列超精密慢伺服加工精度影响因素的研究

超精密慢伺服车削可加工出高精度的连续和非连续自由曲面,但是在微透镜阵列的加工过程中,不同位置的透镜加工精度也不同,个别子透镜的质量降低可能引起整个功能部件的失效。为了研究曲面上微透镜阵列超精密慢伺服加工精度的影响因素,本文采用实验的方法分析基面几何形状和子透镜位置对球面上微透镜阵列慢伺服车削加工精度的影响,通过在三种不同球径的基面上加工微透镜阵列,并使用Bruker GT-X白光干涉仪测量所加工的基面和微透镜阵列,分析了不同基面上不同位置的子镜表面粗糙度和形状精度的变化趋势。实验结果表明,同一基面上不同位置的子透镜,慢伺服车削加工表面微观形貌不同,表面粗糙度和形状精度也不同;基面的几何形状也会影响子镜的加工精度,当基面球径从50 mm增大至150 mm时,外圈子镜的表面粗糙度从75.78 nm(Ra)变小为69.08 nm(Ra)。在超精密慢伺服加工微透镜阵列过程中,必须考虑基面几何形状和子透镜位置两个因素对加工精度的影响,这将有助于提高微透镜阵列加工精度的一致性并保证微透镜阵列功能的有效性。     

基于LabVIEW的3-PRRRR移动并联机构控制系统

针对正交3-PRRRR移动并联机构特点,采用"PC+运动控制卡"的方案设计了正交3-PRRRR移动并联机构的控制系统。系统主要由硬件和软件两部分组成。以NI公司的LabVIEW8.5作为开发平台,通过PCI-7340四轴运动控制卡和UMI-7764多功能数据采集卡实现对机构3个自由度的驱动控制。实验结果表明控制系统能够准确地实现单轴和多轴的联动控制,包括对动平台的位置、速度和加速度等运动参数的设置。该系统软件操作方便、界面友好。     

基于GALIL的影像测量仪运动控制系统设计

介绍了GALIL运动控制卡的性能,提出一种基于GALIL运动控制卡的影像测量仪运动控制系统解决方案。设计了系统的硬件结构,在Windows平台上利用VC＋＋软件和DMCWin32 Galil WindowsAPI函数开发运动控制系统的软件。所开发的运动控制系统充分发挥了IPC强大的后台管理能力和GALIL优良的实时控制能力。     

微透镜阵列的离子束溅射刻蚀研究

利用扫描电子显微镜(SEM)和表面探针测试,分析了采用离子束溅射刻蚀技术制作的石英微透镜阵列器件的表面微观形貌,讨论了引起微透镜表面缺陷的原因及所采取的改善表面形貌的措施,研究了采用不同层次的光致抗蚀剂微透镜图形的固化技术后,经离子束溅射刻蚀制作出的微透镜阵列器件的表面形貌差异,定性给出了表面探针测试的适用范围,此外还介绍了对所制样品所做的几项主要的处理操作。     

集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工

针对目前微透镜设计与加工中存在的问题,本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法,并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理,建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系,并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板,通过纳米压印和图形转移复制的方法,在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜,并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明,在5.7英寸全高清手机屏幕上,直接覆盖孔径为0.526mm、焦距为2mm、填充率为100%的透镜阵列,可以实现立体图像出屏距离达4cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求,裸眼观看立体图像清晰、逼真,系统集成度高,使用方便。     

氩离子束蚀刻加工的柱体微透镜阵列

理论研究表明，氩离子束蚀刻加工柱体非球面微透镜阵列，柱体球面微透镜阵列和微棱镜阵列具有巨大潜力。实验结果证明，硅（Si）基片上表面轮廓为球面和椭圆面柱体微透镜阵列，表面质量好，均匀一致性佳。给出各种基片材料例如ZrO2，InP，SiO2（石英玻璃）和Si以及相对高温固结光致抗蚀剂（BP212）掩模材料的Ar离子能量和Ar离子束蚀刻速率之间的关系曲线。可以认为，这种技术可用来加工大面积不同表面轮廓柱体微透镜阵列和微核镜阵列。     

锌空燃料电池极片生产线多轴控制系统的研究

介绍了以三台伺服电机为执行元件的干嵌法锌空燃料电池生产线运动控制系统。系统采用PC和运动控制卡作为上位控制多个伺服电机的运动,搭建了多轴控制系统的硬件平台。根据工艺要求进行了硬件的选型,确定伺服电机的控制方式和参数设置,建立伺服驱动器和控制卡之间的连接。Visual C++编写基于PID控制的普通运动控制卡的动态链接库,使运动控制系统能够实现精确的同步运动;以LabVIEW为开发平台,设计基于虚拟仪器的控制系统,通过调用VC编写的动态链接库实现多轴同步控制功能及实时状态监测。     

辊筒模具微透镜阵列的慢刀伺服成形加工

目的：为实现辊筒模具表面微透镜阵列高效率、高精度加工,本文对微透镜阵列成形法加工轨迹的拟合方法和机床伺服参数的优化方法进行了理论与实验研究。首先,分析了微透镜阵列的原始轨迹特征,确定了过渡台阶的突变是微透镜表面振纹的主要诱因。其次,为保证加工轨迹二阶导数的连续性,本文提出了三次样条插值与傅里叶级数拟合拼接的方法优化加工轨迹。最后,在优化加工轨迹的基础上,通过调整伺服系统的前馈参数,提高了进给轴响应能力,减小了因驱动质量和阻尼效应而产生的跟踪误差。口径800μm、深度26.7μm的微透镜阵列加工实验表明,采用优化的刀具轨迹和伺服参数,机床加工效率可以达到8Hz,进给轴跟踪误差小于300nm,消除了微透镜阵列的表面振纹。微透镜单元口径的尺寸误差约为设计值的1.075%,随机检测结果表明口径尺寸变化范围为2μm,加工一致性良好。三次样条插值与傅里叶级数拟合优化的加工轨迹可有效抑制进给轴的振动,改善了微透镜阵列表面质量。     

微流体数字化技术制备聚合物微透镜阵列

基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料,将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上,在界面张力和疏水化效应的作用下,形成平凸状的微液滴,再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响,稳定微喷射出了黏度值为50×10-3 Pa·s的UV胶,制得了最小直径达25μm的微透镜,进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌,采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差Ra为247.99nm(扫描区域:29.4μm×39.3μm),扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验,得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明,采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定;制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。     

基于电场驱动喷射微3D打印的大面积微透镜阵列制造研究

大面积圆形、柱状及梯度折射率微透镜阵列在裸眼3D、光学传感、仿生学、医疗内窥镜等领域具有非常广泛的需求,然而,如何实现大面积多类型微透镜阵列的简单化、低成本、高效率制造是学术界与产业界共同面临的一项挑战性难题。基于电场驱动喷射微3D打印技术,提出了一种可实现大面积多类型微透镜阵列制备的新方法,通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压,打印速度）对制备的不同类型微透镜形貌与质量的影响与规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,在玻璃基底上分别实现了面积为120 mm×120 mm、100 cm×45 cm的圆形与柱状微透镜阵列的制造,在柔性PET基底上实现了面积为160 mm×160 mm的圆形微透镜阵列的制造,利用电场驱动喷射微3D打印的多层打印模式实现了折射率梯度变化范围为0.1的梯度折射率微透镜阵列的制造。实验结果表明,制备的微透镜阵列具有良好的几何与光学性能,基于电场驱动喷射微3D打印大面积、多类型微透镜阵列制造方法具有效率高、成本低、批量化的显著优势,为大面积多类型微透镜阵列制造提供了一种全新的解决方案。     

微透镜阵列单点金刚石车削补偿技术

为了提高微透镜阵列单点金刚石车削的加工精度与一致性,提出了加工误差的理论模型,并针对其补偿方法进行了理论分析和实验研究.将微透镜阵列加工等效为自由曲面加工,通过建立单点金刚石慢刀伺服切削模型,计算了理论曲面在每一个切削点处沿切削方向的曲率半径;结合刀具等效倾斜角模型和机床加工时延模型,进一步得到了慢刀伺服切削微透镜阵列...     

一种测牙齿压力分布的测量系统

介绍了一种能测牙齿咬合力大小与分布的测量系统;利用导电橡胶的压阻特性设计了一测力传感器阵列,叙述了传感器阵列的结构和制造方法,设计了调理电路,数据采集卡采用USB-6009;软件以LabVIEW为平台,设计了数据采集模块、分析处理与显示模块。通过实验,验证了系统的可行性。     

新型可控焦距液体透镜阵列

为了提高成像品质,提出了一种新型液体透镜阵列镜头。先将油滴沉入弹性体底部形成具有可控焦距的单个液体平凸透镜,再通过唯一平台实验液体透镜阵列,制作液体透镜阵列。通过控制滴入硅胶基底的硅油液体体积大小,控制单个微透镜的折射面曲率和透镜焦距。通过位移平台,控制阵列中微透镜的排布和个数。透镜阵列制作方法简单且成本低,透镜抗挤压能力强,焦距可控,阵列规整,在制造过程中,可以控制镜头光圈和初始焦距,因此是一种实用性较高的透镜阵列。     

大视场并列型仿生复眼光学系统

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。     

用于复制柱面微透镜阵列的铸塑工艺

在光刻热熔成型以及电铸复制得到的柱面微透镜阵列镍模板基础上，采用铸塑工艺得到了高质量的PMMA柱面微透镜阵列。本文介绍了静态铸塑的模具设计、工艺过程、参数控制及测试分析。对柱面微透镜阵列的表面形貌分析表明，铸塑复制的面形误差小于0.5μm．     

紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计与研制

为了提高紫外成像器件的填充因子,解决凝视型高性能紫外成像器件的核心技术问题,根据标量衍射理论设计了用于128×128日盲型紫外成像器件的微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为86%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜阵列与紫外成像阵列的单片集成要求。