用三維金剛石微銑削技術(shù)制備塑料微透鏡陣列

用三維金剛石微銑削技術(shù)制備塑料微透鏡陣列交聯(lián)聚苯乙烯通過三維、三軸微銑削的工藝，制造兩個(gè)由20個(gè)透鏡（4x5排列）組成的透鏡陣列。其中一個(gè)陣列的透鏡是凹透鏡（曲率半徑Rcurv=-2mm），而另一個(gè)陣列的透鏡是凸透鏡（曲率半徑Rcurv=2mm）。本文描述并評(píng)估了一種用于校正單個(gè)透鏡三維微銑削程序的方法。所有透鏡之間的間距為4mm，直徑均為2.6mm。通過測(cè)量關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)（如半徑誤差、波前誤差和表面粗糙度），與塑料注塑成型透鏡相比，微銑削透鏡在形狀誤差和表面粗糙度方面表現(xiàn)出更高的光學(xué)質(zhì)量。顯微鏡陣列是由小型高倍物鏡組成的陣列，每個(gè)物鏡的大小與小型內(nèi)窺鏡相似，能夠?qū)ι飿颖荆ㄈ缃M織學(xué)切片、痰涂片或細(xì)胞培養(yǎng)物）進(jìn)行成像。此類陣列已應(yīng)用于病理學(xué)領(lǐng)域，但在臨床使用或生物醫(yī)學(xué)研究中尚未普及。顯微鏡陣列在生物學(xué)領(lǐng)域仍有巨大的潛力，但這些設(shè)備高昂的開發(fā)成本，仍是阻礙其廣泛應(yīng)用的因素。目前用于制造透鏡陣列的技術(shù)包括紫外光刻、熱回流、壓塑成型、微鍛、金剛石切削，以及上述多種技術(shù)的組合。這些技術(shù)提供了制造適用于多種用途的透鏡陣列的能力，但并非所有這些技術(shù)都能以至少滿足原型系統(tǒng)所需的質(zhì)量生產(chǎn)出陣列顯微鏡所需尺寸的透鏡。金剛石切削技術(shù)在生產(chǎn)具有小型顯微鏡透鏡所需的下陷度、半徑和直徑的表面方面堪稱最佳。該技術(shù)通常用于制造母版，然后可用于復(fù)制過程，如塑料注塑成型。三維金剛石銑削或微型銑削已被證明可有效地在金屬上制造這些母版。然而，使用透鏡陣列模具生產(chǎn)出具有最新光學(xué)質(zhì)量的成品并非易事。這些技術(shù)提供了制造適用于多種用途的透鏡陣列的能力，但并非所有這些技術(shù)都能以至少滿足原型系統(tǒng)所需的質(zhì)量生產(chǎn)出陣列顯微鏡所需尺寸的透鏡。金剛石切削技術(shù)在生產(chǎn)具有小型顯微鏡透鏡所需的下陷度、半徑和直徑的表面方面堪稱最佳。能夠在一臺(tái)機(jī)器上一步完成成品零件的生產(chǎn)，大大降低了開發(fā)成本。1、本研究采用驟降銑削法在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上實(shí)現(xiàn)了單步生產(chǎn)透鏡陣列，但其誤差校正方法是對(duì)工具進(jìn)行蝕刻，并且該方法僅適用于直徑1毫米或更小的透鏡。由于金剛石微銑削技術(shù)能夠生產(chǎn)出最先進(jìn)的透鏡模具，因此它是直接制造透鏡陣列的合理選擇。因此，本研究的目標(biāo)是展示三維金剛石銑削技術(shù)在塑料上直接生產(chǎn)出具有先進(jìn)形狀精度和光學(xué)質(zhì)量表面粗糙度的高功率透鏡陣列的能力。本研究展示了凹透鏡和凸透鏡這兩種透鏡形狀，以充分證明該工藝能夠生產(chǎn)出任何陣列顯微鏡設(shè)計(jì)所需的所有透鏡。使用的機(jī)器是一個(gè)四軸（X、Y、Z和C）納米技術(shù)250超精密車床（UPL）（摩爾納米技術(shù)系統(tǒng)）。不使用C軸控制，所以有三個(gè)自動(dòng)軸。所使用的設(shè)備如圖1所示。所使用的銑刀是一個(gè)半徑為0.529毫米的球鼻端磨機(jī)，由輪廓工具制造。同時(shí)還使用了摩爾納米技術(shù)金剛石轉(zhuǎn)動(dòng)軟件套件，包括NanoCAM1.0、NanoCAM2D、工作主軸微調(diào)平衡器和波前誤差校正（WEC）軟件。主軸適配器固定在工作主軸的表面，一個(gè)超精密夾頭和夾頭螺母固定端機(jī)的位置。納米技術(shù)250配備有一個(gè)內(nèi)部主軸平衡器，能夠在本研究中使用的相對(duì)較低的主軸速度下準(zhǔn)確地平衡主軸。因此，一個(gè)外部的主軸平衡器是不必要的。端磨必須盡可能與主軸軸對(duì)齊，錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致整個(gè)部分的形成錯(cuò)誤，并且在鏡頭中心有一個(gè)微觀的核狀特征。假設(shè)刀具相對(duì)于刀柄處于中心位置，并且在松脫的同時(shí)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)接頭的位置直至刀柄跳動(dòng)小于1.5μm。如圖二所示的電子量規(guī)頭用于測(cè)量刀柄的跳動(dòng)。由于主軸適配器和工作主軸之間的配合緊密，一旦主軸適配器被固定，就不能對(duì)工具位置進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。量規(guī)頭還用于測(cè)量工件的傾斜度。復(fù)合測(cè)角儀系統(tǒng)用于校正這種對(duì)準(zhǔn)。零件傾斜可以減少到2弧分或更少，相對(duì)于主軸軸使用這種方法。線性變量用于測(cè)量二維透鏡輪廓的差動(dòng)變壓器(LVDT)在安裝主軸適配器之前進(jìn)行校準(zhǔn)。通過測(cè)量1英寸校準(zhǔn)球并存儲(chǔ)測(cè)量誤差對(duì)LVDT進(jìn)行校準(zhǔn)，然后使用銼刀測(cè)量來調(diào)整微磨透鏡的后期測(cè)量。2、透鏡使用螺旋切削程序進(jìn)行微銑削，如圖三所示。刀具的角進(jìn)給速度幾乎是恒定的，因此從透鏡邊緣到透鏡中心的線性進(jìn)給速度是不同的。本研究使用的微銑參數(shù)如表一所示。創(chuàng)建了一個(gè)單獨(dú)的粗切程序，以去除兩種鏡片類型的大部分材料。沒有做半切。零件程序使用NanoCAM1.0生成。該軟件補(bǔ)償紡絲工具的形狀與假設(shè)立銑刀的固體旋轉(zhuǎn)是球形的。刀具的波浪形或不對(duì)準(zhǔn)使該形狀非球形，并導(dǎo)致必須糾正的形狀誤差。由于本研究中制造的透鏡是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，因此用于糾正單點(diǎn)金剛石車削中刀具軌跡誤差的相同技術(shù)可用于糾正3-D微銑削刀具軌跡。NanotechWEC軟件能夠從零件和參考的二維接觸輪廓測(cè)量中獲得二維誤差輪廓校準(zhǔn)球的測(cè)量。NanoCAM2-D可用于生成校正后的2-D凹陷表通過NanoCAM1.0將其轉(zhuǎn)換為校正后的三維凹陷表和相應(yīng)的刀具軌跡。應(yīng)用于微磨透鏡的單個(gè)刀具軌跡校正的結(jié)果如圖四所示。在本研究中，我們使用程序生成凸透鏡和凹透鏡的陣列如圖四所示。測(cè)量了每個(gè)透鏡半徑，波前誤差和粗糙度。半徑和使用Zygo(Middlefield，PTI250菲索干涉儀，f/1.5;直徑25mm，波長(zhǎng)655nm的透射球。的測(cè)量的半徑是貓眼和物體之間的距離共焦位置。波長(zhǎng)的空間調(diào)制長(zhǎng)度小于15μm的被去除。表面輪廓使用ZygoNewView5032光學(xué)測(cè)量透鏡分析器。這些測(cè)量是在0.27×0.35-范圍內(nèi)進(jìn)行的Mm視場(chǎng)，橫向分辨率為0.56μm。使用這些表面輪廓計(jì)算粗糙度估計(jì)。調(diào)制的表面輪廓的波長(zhǎng)長(zhǎng)于26.7μm是由于形狀誤差造成的。類型所使用的濾波器是高斯樣條濾波器。干涉圖PTI250和表面輪廓測(cè)量從新的視圖如圖五所示。4、這項(xiàng)研究顯示了三維微銑削的校正能力采用傳統(tǒng)的二維刀具軌跡校正技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面進(jìn)行刀具軌跡校正制造一組具有優(yōu)異重復(fù)性的透鏡，直接在塑料中，