周天豐，解加慶，梁志強(qiáng)，劉 欣，劉曉華，王西彬

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 先進(jìn)加工技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

光學(xué)微透鏡陣列模壓成形研究進(jìn)展與展望

周天豐，解加慶，梁志強(qiáng)*，劉 欣，劉曉華，王西彬

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 先進(jìn)加工技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

光學(xué)微透鏡陣列在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用廣泛，需求量大，而玻璃模壓成形技術(shù)是最高效的微透鏡陣列量產(chǎn)加工方法，具有精度高，一致性好，生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，有重要的應(yīng)用研究價(jià)值。本文介紹了光學(xué)微透鏡陣列的設(shè)計(jì)原理，模具制造技術(shù)，模壓成形技術(shù)及相應(yīng)檢測技術(shù)；重點(diǎn)介紹了微透鏡陣列模壓成形試驗(yàn)與有限元仿真研究的最新進(jìn)展；最后對微透鏡模壓成形發(fā)展前景進(jìn)行了展望，包括微透鏡陣列模壓材料，模具表面鍍層技術(shù)及超聲復(fù)合加工技術(shù)在微透鏡陣列模壓成形中的應(yīng)用等。

微透鏡陣列；玻璃模壓成形；低熔點(diǎn)光學(xué)玻璃；有限元仿真；表面鍍層技術(shù)

1 引 言

光學(xué)微透鏡陣列是指一定數(shù)量微納尺度的球面或自由曲面透鏡的排列組合，因其特殊的幾何特征，而具有多種光學(xué)功能，可在紅外、可見光、紫外(UV)/極紫外(EUV)乃至X射線波段對光波的物理特性進(jìn)行調(diào)控和利用，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件難以完成的功能，在現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)發(fā)展中具有重要應(yīng)用價(jià)值。微透鏡陣列的周期尺寸一般為500 nm～50 μm，根據(jù)其排布不同，又可分為鄰接式微透鏡陣列和分布式微透鏡陣列。目前微透鏡陣列在光學(xué)系統(tǒng)中主要應(yīng)用其反射、衍射、三維成像及對光線的勻化功能。微透鏡陣列的集成成像系統(tǒng)具有優(yōu)良的三維圖像顯示能力，應(yīng)用于視差型三維顯示系統(tǒng)有利于使還原光場接近于真實(shí)物光場[1-4]；使用微透鏡陣列的投影式三維顯示屏可以實(shí)現(xiàn)高分辨大面積的真彩色三維顯示效果，是目前更接近實(shí)用化的三維顯示手段[5]?；谖⑼哥R陣列的自由移動(dòng)視差式立體顯示數(shù)字對焦光場相機(jī)利用微透鏡陣列進(jìn)行孔徑分割實(shí)現(xiàn)光場獲取，可以獲得成像目標(biāo)輻射的四維光場[6- 8]；將二維微透鏡陣列應(yīng)用于含目鏡系統(tǒng)的顯微鏡，利用其對光束的勻化效果，可以有效減少使用顯微鏡產(chǎn)生的視覺疲勞;半導(dǎo)體激光器由于自身波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的不對稱性導(dǎo)致光強(qiáng)分布不均勻而限制了其應(yīng)用，基于微透鏡陣列的半導(dǎo)體激光器堆棧勻化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體激光光束的整形以獲得勻化光斑[9-15]；微透鏡陣列應(yīng)用于光場成像系統(tǒng)，可以同時(shí)記錄光線的強(qiáng)度和方向信息，達(dá)到實(shí)現(xiàn)拍攝快速變化的物體的目的[16-19]；將微透鏡陣列引入紅外探測系統(tǒng)，利用微透鏡陣列的擴(kuò)束原理，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)紅外輻射監(jiān)控[20-21]。有機(jī)電致發(fā)光器件(Organic electroluminescence device,OELD)作為新一代照明和顯示技術(shù)，其外量子提取效率較低一直是制約其應(yīng)用的最重要因素，微透鏡陣列對OELD的外量子提取效率及輻射角度都有提高效果，從而實(shí)現(xiàn)對OELD出光的定向散射，提高了OELD的實(shí)際應(yīng)用[22-24]。此外，復(fù)眼型微透鏡陣列系統(tǒng)由于具備大視場、高敏感性、高靈敏度等特性，在測量，運(yùn)動(dòng)跟蹤以及三維物體精確導(dǎo)航具備獨(dú)特優(yōu)勢，近年來得到了廣泛關(guān)注[25-26]。

傳統(tǒng)微透鏡陣列的制造方法主要以單點(diǎn)金剛石切削加工、光刻技術(shù)、LIGA技術(shù)、“三束”(電子束、離子束、激光束)技術(shù)為主。單點(diǎn)金剛石切削具有較高的加工精度，但是由于玻璃材料在常溫下屬于脆性材料，因此一次切削進(jìn)給量非常小，且加工一致性難以保證，不適合批量生產(chǎn)；光刻技術(shù)、LIGA技術(shù)、“三束”加工技術(shù)等光學(xué)微納陣列加工技術(shù)雖然能夠完成特征尺寸很小、表面質(zhì)量很高的微納結(jié)構(gòu)加工，但該工藝受到生產(chǎn)效率及工藝穩(wěn)定性的限制，不能很好的滿足行業(yè)需求[27-35]。光學(xué)玻璃模壓成形技術(shù)應(yīng)用于微透鏡陣列加工在近年來逐漸得到了重視，該技術(shù)是指在高溫下對模具施加一定的壓力從而將模具表面的微透鏡陣列形狀復(fù)制到受熱軟化的玻璃表面上，再經(jīng)退火冷卻固化，得到理想的玻璃微透鏡陣列。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)玻璃微透鏡陣列的大批量、高效率制造，由于加工過程中不涉及材料的去除，因此能夠大幅度減少原材料消耗，降低制造成本，被認(rèn)為是光學(xué)微透鏡陣列制造最有效方法之一，具有極高的研究與應(yīng)用價(jià)值[36-40]。

2 微透鏡陣列設(shè)計(jì)與模壓成形技術(shù)

2.1微透鏡陣列設(shè)計(jì)

微透鏡陣列，即形貌上為小尺度陣列結(jié)構(gòu)，口徑范圍在幾微米至幾百微米之間。根據(jù)透鏡的功能和所依據(jù)光學(xué)原理不同，其理論設(shè)計(jì)方法可分為兩種。折射微透鏡的光學(xué)原理和設(shè)計(jì)原理分別是基于光的折射和幾何光學(xué)理論，衍射微透鏡則是一種純相位衍射光學(xué)元件，當(dāng)其振幅透過率為1時(shí)(即不考慮其透射面的反射損失和材料內(nèi)部的吸收損失)，它是基于光的衍射原理，因此其設(shè)計(jì)則是依據(jù)衍射光學(xué)理論，目前標(biāo)量衍射理論應(yīng)用最為廣泛[41-44]。

但隨著微型元件制作工藝的不斷創(chuàng)新，特征尺寸更微細(xì)的二元光學(xué)器件制造有重大突破性進(jìn)展，器件的特征尺寸可以小至波長甚至亞波長量級(jí)，浮雕深度可達(dá)幾個(gè)波長量級(jí)。此時(shí)，光波的偏振性和不同偏振光之間的相互作用對光的衍射結(jié)果影響很大。這種情況下，基于標(biāo)量衍射理論對衍射光學(xué)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果將不再精確，而必須應(yīng)用嚴(yán)格的矢量衍射理論及其設(shè)計(jì)方法。從數(shù)理角度來看，嚴(yán)格的矢量衍射理論的出發(fā)點(diǎn)是光為矢量波，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)則是電磁場的麥克斯韋方程組及其邊界條件。理論上講，麥克斯韋方程組可精確求解任意的衍射方程，然而在許多實(shí)際應(yīng)用中，只能用數(shù)值方法求解麥克斯韋方程組。目前，矢量衍射理論常用的幾種分析方法有：積分法、微分法、模態(tài)法和耦合波法[45-47]。

上述方法雖然精確但卻繁瑣，計(jì)算機(jī)軟件在光學(xué)計(jì)算的應(yīng)用可以大幅提高設(shè)計(jì)效率。Zemax是目前使用最廣泛的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件之一，它能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表的整合，也可實(shí)現(xiàn)全功能的光學(xué)設(shè)計(jì)分析，直接完成對微透鏡陣列的設(shè)計(jì)和模擬，并可對其進(jìn)行優(yōu)化，得到一個(gè)較好的設(shè)計(jì)結(jié)果。具有直觀、功能強(qiáng)大、靈活、快速、容易使用等優(yōu)點(diǎn)[48]。

在微透鏡陣列的設(shè)計(jì)中，在全面考慮折射和衍射光學(xué)元件的色散、光學(xué)系統(tǒng)中的光能損失(包括透射面的反射損失和材料內(nèi)部的吸收損失)的基礎(chǔ)上，需遵循折射微透鏡的一般設(shè)計(jì)方法和衍射光學(xué)元件的相應(yīng)設(shè)計(jì)方法，有效利用多種功能齊全的仿真軟件對所需特定功能的微透鏡陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用微透鏡陣列成像形成多種新功能，促進(jìn)光學(xué)儀器和元件向集成化、多功能化發(fā)展。圖1展示了一組經(jīng)過設(shè)計(jì)的8×8自由曲面透鏡陣列，其通過改變透鏡曲面角度，在保持原有形狀尺寸的基礎(chǔ)上可達(dá)到±23.5°的視場。

圖1 一組8×8自由曲面透鏡陣列的表面輪廓圖[49] Fig.1 Surface profiles of the 8×8 freeform microlens array[49]

2.2模壓成形設(shè)備

玻璃模壓成形裝置最早被用于球面、非球面透鏡的生產(chǎn)加工，商業(yè)化的模壓成形設(shè)備主要有多缸串聯(lián)模壓成形機(jī)及單缸模壓機(jī)[50-52]。

圖2(a)為日本SYS機(jī)械生產(chǎn)的PFLF7-60A多缸串聯(lián)模壓成形機(jī)，其原理圖見圖2(b)所示，設(shè)備包含控制柜與模壓機(jī)主體。模壓機(jī)主體包含加熱、加壓及自動(dòng)輸送裝置，玻璃或塑料預(yù)形體在模壓機(jī)主體內(nèi)部經(jīng)過加熱保溫、高溫加壓、減壓退火以及冷卻脫模，被加工成所需要的形狀。模具通過模壓腔內(nèi)的電加熱棒加熱到預(yù)設(shè)溫度，加工室內(nèi)通高純度氮?dú)夥乐贡患庸ぜ澳＞甙l(fā)生氧化[53-55]。該模壓成形設(shè)備支持中小口徑的微透鏡陣列的大批量生產(chǎn)，成形一致性較好，模具加工容易。此外，改進(jìn)型的模壓成形機(jī)使用紅外線燈加熱，進(jìn)一步提高了設(shè)備的安全性。

圖2 (a) SYS PFLF7-60A玻璃模壓成形機(jī)； (b)設(shè)備原理圖 Fig.2 (a)Photograph of the SYS PFLF7-60A glass molding machine；(b)Schematic diagram of the machine

2.3低熔點(diǎn)光學(xué)玻璃

玻璃材料主要成分是二氧化硅，該材料在常溫下是脆性材料，高溫下則表現(xiàn)出粘彈性的特征，隨著溫度的提高，材料的彈性模量呈四五個(gè)數(shù)量級(jí)的降低[56]。當(dāng)玻璃從室溫加熱到高溫時(shí)，依據(jù)其膨脹系數(shù)的變化特點(diǎn)，可以將溫度細(xì)分為應(yīng)變點(diǎn)(StP)、退火點(diǎn)(AP)、轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg)、屈服點(diǎn)(At)、軟化點(diǎn)(SP)。作為模壓成形用光學(xué)玻璃，需要具備較低的玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg)溫度，這樣不只可以延長模具成形所用的模具壽命，還可縮短生產(chǎn)周期，目前住田光學(xué)生產(chǎn)的K-PG325玻璃其轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度可以達(dá)到288 ℃，被認(rèn)為是目前有報(bào)道的轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度最低的商業(yè)化模壓用光學(xué)玻璃。此外，較低的線性膨脹系數(shù)可以提高微透鏡陣列的模壓成形精度，降低次品率，表1為兩種典型模壓用低熔點(diǎn)光學(xué)玻璃的材料物理屬性。

表1 模壓用光學(xué)玻璃熱機(jī)械性能[57-58]

在轉(zhuǎn)換溫度(Tg)和軟化溫度(SP)的溫度區(qū)間內(nèi)，玻璃主要表現(xiàn)出粘彈性特征，即兼具固體彈性和流體粘性的雙重特性[59]。在施加應(yīng)力時(shí)，主要出現(xiàn)瞬時(shí)彈性變形、遲滯彈性變形和線性粘性變形響應(yīng)。彈性變形可視為瞬態(tài)響應(yīng)，應(yīng)力應(yīng)變滿足胡克定律，而粘性流動(dòng)響應(yīng)則是時(shí)間的函數(shù)。

工程上的粘彈性力學(xué)模型常見的有麥克斯韋模型(Maxwell model)、開爾文模型(Kelvin model)、伯格斯模型(Burgers model)及其相應(yīng)的廣義模型[60]。一般認(rèn)為使用廣義Maxwell模型描述模壓過程中玻璃在高溫下的粘彈性變形特性更為合適，圖3是構(gòu)建的4個(gè)彈簧和粘壺對(單元)的廣義Maxwell模型。其中，G∞、Gi和ηi分別是各單元的彈性模量和粘度。

圖3 廣義Maxwell本構(gòu)模型 Fig.3 Generalized Maxwell constitutive model

與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)可以用下式描述:

式中，t為當(dāng)前時(shí)間，τ為過去的時(shí)間，G(t-τ)可以用Prony級(jí)數(shù)來描述：

式中，τi為松弛時(shí)間，αi為權(quán)重因子，nG為廣義Maxwell模型單元個(gè)數(shù)G0為單元初始模量。

此外，在整個(gè)模壓過程中，還要考慮高溫玻璃的粘彈性時(shí)-溫等效力學(xué)現(xiàn)象，即延長松弛時(shí)間或升高溫度對分子運(yùn)動(dòng)的作用是等效的，即對玻璃材料的粘彈性力學(xué)行為是等效的[61]。不同溫度下的位移因子αT值常用WLF經(jīng)驗(yàn)方程(Williams-Landel-Ferry)計(jì)算：

式中，G1和G2是參考溫度，T0處的材料常數(shù)。時(shí)溫轉(zhuǎn)換假說的最大實(shí)用意義在于有了這些關(guān)系可以用改變溫度的方法大大擴(kuò)展時(shí)間t或頻率ω的范圍，使我們有可能用一種實(shí)驗(yàn)方法來得到反映高聚物力學(xué)性能全貌的整個(gè)時(shí)間譜(頻率譜)，即可以把各個(gè)不同溫度下測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某一參考溫度的，包括許多時(shí)間量級(jí)的單根曲線組合曲線，從而計(jì)算出比試驗(yàn)?zāi)軠y定的時(shí)間(頻率)范圍大得多的松弛時(shí)間分布。應(yīng)用此模型不僅可以預(yù)測材料的粘彈性屬性，還可以引入有限元仿真來對模壓工藝過程進(jìn)行分析[62-63]。

2.4模具材料

在微透鏡陣列的模壓成形中，模具的制造是一個(gè)重要的課題。微透鏡陣列模壓用的模具材料需要具備以下特征：(1)在高溫下保持高的硬度和強(qiáng)度，熱膨脹系數(shù)盡量小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫不易氧化；(2)材料一致性好，內(nèi)部無瑕疵，能夠通過加工達(dá)到光學(xué)級(jí)表面要求；(3)不與玻璃材料發(fā)生反應(yīng)及粘接等現(xiàn)象[64-65]。傳統(tǒng)硅和鎳材料的模具由于耐熱性差，只能用于模壓溫度較低的塑料透鏡的加工，無法作為玻璃微透鏡陣列的模具。碳化硅(SiC)和碳化鎢(WC)是目前公認(rèn)的兩種適合玻璃模壓成形的應(yīng)用最為廣泛的模具材料。碳化硅(SiC)材料是硅和碳的結(jié)晶化合物，是除了碳化硼外人工合成的最硬的材料之一，其莫氏硬度達(dá)到9，僅次于金剛石。碳化硅材料高的熱導(dǎo)率、高的高溫強(qiáng)度，低熱膨脹系數(shù)及熱穩(wěn)定性，使其成為微透鏡陣列模具的良好選擇。碳化鎢(WC)是一種由鎢和碳組成的化合物，為黑色六方晶體，有金屬光澤，硬度與金剛石相近，為電、熱的良好導(dǎo)體。碳化鎢粉應(yīng)用于硬質(zhì)合金生產(chǎn)材料，并大量用作高速切削車刀、窯爐結(jié)構(gòu)材料、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件、金屬陶瓷材料、電阻發(fā)熱元件等，表2是某型號(hào)的碳化鎢材料的物理性能參數(shù)[66-68]。盡管碳化硅(SiC)和碳化鎢(WC)材料的熱物理性能可以滿足微透鏡陣列模具的要求，但是其高的硬度也為單點(diǎn)金剛石加工帶來了困難，此外，由于兩種材料中都存在碳原子，容易與金剛石刀具中的碳原子發(fā)生親和反應(yīng)，造成切削過程中金剛石刀具磨損嚴(yán)重，在不允許換刀的前提下難以完成大面積微納結(jié)構(gòu)加工，因此，有必要開發(fā)低硬度且更適合微透鏡陣列模具的材料。

表2 碳化鎢材料的物理參數(shù)

磷化鎳Ni-P材料，硬度可以達(dá)到500～600 HV，雖然不及碳化鎢、碳化硅等超硬材料，但基本上滿足玻璃模壓成形的硬度要求；而且磷化鎳Ni-P具有相對較好的切削性能，更適合單點(diǎn)金剛石切削，可作為玻璃模壓成形模具的理想材料，但磷化鎳Ni-P材料目前還不能成塊制備。無電解磷化鎳Ni-P，即化學(xué)鍍鎳，主要通過磷酸鎳還原法將析出的磷化鎳Ni-P沉積到基體材料表面上。析出的磷化鎳Ni-P，包含NiP、Ni3P、Ni5P2、Ni12P5、NiP2、Ni5P4、NiP2、NiP3等多種相態(tài)，具有更加優(yōu)越的均勻度、光潔度和致密性；而且磷化鎳Ni-P對鍍層的基材材料沒有苛刻的要求，與鐵、鋼、超硬合金和鈦合金都有良好的結(jié)合能力，鍍層厚度可達(dá)100 μm以上[65]。圖4為北京理工大學(xué)先進(jìn)加工實(shí)驗(yàn)室在耐熱不銹鋼基材上通過化學(xué)鍍合成的Ni-P鍍層斷面形貌圖。

圖4 磷化鎳Ni-P鍍層斷面形貌圖 Fig.4 Section topography of nickel phosphide coating

目前微透鏡陣列加工技術(shù)主要有單點(diǎn)金剛石切削、單晶金剛石銑削、精密磨削及復(fù)合加工技術(shù)等，美國由于在核工業(yè)中的迫切需求，從20世紀(jì)50年代后期開始進(jìn)行超精密加工機(jī)床方面的研究，在超精密加工領(lǐng)域一直處于引領(lǐng)地位，代表性企業(yè)有Precitech、Moore以及勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(Livermore LLNL)。與美國不同，日本的超精密加工技術(shù)從民用工業(yè)開始發(fā)展起來，盡管起步比美國晚20年，但是由于從美國得到大量先進(jìn)超精密加工技術(shù)，從而走出了一條快捷的發(fā)展道路。目前，國內(nèi)也有多家單位開展超精密設(shè)備的研發(fā)及制造，并取得了突出的進(jìn)展。

3 微透鏡陣列模壓成形試驗(yàn)與仿真

3.1模壓成形過程

以SYS模壓機(jī)模壓成形過程為例，成形模具包括上模、下模和內(nèi)外套筒，通過調(diào)節(jié)套筒高度可以控制模具壓下的距離。完整的模壓成形過程分為4個(gè)階段：加熱保溫、高溫加壓、減壓退火以及冷卻脫模階段，如圖5所示。(1)將玻璃預(yù)形體放入模具模芯中，通過自動(dòng)進(jìn)給裝置運(yùn)至模壓機(jī)成形室進(jìn)行加熱，成形室通入氮?dú)夥乐共ＡШ湍＞叩难趸?2)玻璃預(yù)形體在成形室內(nèi)被加熱到高于軟化溫度30～40 ℃時(shí)，上下模具閉合，玻璃預(yù)形體被壓縮，保持一定時(shí)間使微納結(jié)構(gòu)填充完全；(3)在上模上繼續(xù)維持一個(gè)較小的載荷，緩慢降低模具溫度至200 ℃上下；(4)模具退出成形室，冷卻至室溫后將玻璃成形件取出。圖6為A.Y.Yi加工出的玻璃微透鏡陣列[69]。

圖5 微透鏡陣列模壓成形過程 Fig.5 Glass molding process of microlens array

圖6 玻璃微透鏡陣列SEM圖 Fig.6 SEM photograph of microlens array

3.2成形品檢測

對模壓得到的微透鏡陣列的檢測主要分為接觸式和非接觸式測量。接觸式測量是指測量探針從被測物表面劃過，電腦通過精密傳感器記錄下探針?biāo)叩能壽E，此軌跡即為被測表面的輪廓形狀。非接觸式測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物表面的情況下，得到物體表面參數(shù)和信息。

典型的接觸式測量設(shè)備有美國Taylor Hobson產(chǎn)的Talysurf(T/H)輪廓儀，圖7(a)所示，以及日本Panasonic產(chǎn)的UA3P系列高精度三維立體測量儀，見圖7(b)[70-72]。

圖7 (a)Talysurf (T/H)輪廓儀；(b)Panasonic UA3P三維立體測量儀 Fig.7 (a)Talysurf(T/H) profiler; (b)Panasonic UA3P three dimensional measuring instrument

接觸式顯微鏡在測量時(shí)直接接觸物體表面進(jìn)行測量，因而不受物體表面顏色、反射性和曲率等影響，非常適合光學(xué)材料的測量，但是其缺點(diǎn)也很明顯，主要包括無法測量零件上小于探頭直徑的小孔，測量探頭與工件接觸，容易產(chǎn)生磨損，因此需要經(jīng)常校準(zhǔn)，接觸式測量需要逐點(diǎn)測量，測量速度慢，探頭出發(fā)機(jī)構(gòu)的延遲導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)誤差等[73-75]。

非接觸式測量按照原理可分為光學(xué)顯微鏡、干涉式顯微鏡及電子顯微鏡。光學(xué)顯微鏡利用表面為曲面的玻璃或其他透明材料制成的光學(xué)透鏡可以使物體放大成像的原理，對被測物體進(jìn)行放大觀察，圖8(a)是奧林巴斯LEXT OLS4100共聚焦顯微鏡[76]。白光干涉儀是利用待測物體表面反射光線與參考反射光產(chǎn)生干涉作用測量待測物體，圖8(b)是泰勒霍普森Talysurf CCI白光干涉儀。掃描電子顯微鏡(SEM)最初主要應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)研究領(lǐng)域，其原理是利用極狹窄的電子束掃描樣品后，樣品發(fā)生二次電子發(fā)射，通過二次電子信號(hào)的采集成像來獲取樣品的表面形態(tài)。

圖8 (a)奧林巴斯LEXT OLS4100共聚焦顯微鏡；(b)泰勒霍普森Talysurf CCI白光干涉儀 Fig.8 (a)OLYMPUS LEXT OLS4100 confocal microscope; (b)Taylor Hobson Talysurf CCI

非接觸式測量可以克服接觸式測量測量速度慢，不能測量三維形貌的缺點(diǎn)，同樣的，各類非接觸測量方式也有其局限性。對于光學(xué)顯微鏡，要求被測物表面有一定的反射率，否則容易造成有效數(shù)據(jù)點(diǎn)缺失而產(chǎn)生較大的測量誤差；白光干涉儀只能測較為光滑的表面且要求表面不能有大的傾斜；掃描電子顯微鏡要求被測物導(dǎo)電，且不能獲得精確輪廓形貌數(shù)據(jù)。

3.3模具高溫形變與磨損

模具的高溫形變直接影響玻璃微結(jié)構(gòu)陣列的成形精度，尤其是模壓過程中壓力分布不均勻的情況下，出現(xiàn)局部微結(jié)構(gòu)變形不一致。為了減少模具高溫形變對成形精度的影響，在模具加工中，首先，應(yīng)盡可能選擇熱膨脹量小的模具基材，并對模壓成形過程進(jìn)行試驗(yàn)，研究模壓前后模具的形變量，確定模壓成形帶來的宏觀形狀誤差，見圖9；其次，控制模壓成形工藝，通過研究成形溫度、成形壓力及模壓時(shí)間的最優(yōu)匹配，達(dá)到滿足微透鏡成形精度的基礎(chǔ)上盡可能的降低模壓成形溫度與成形壓力，減少玻璃宏觀形狀誤差[77]。

圖9 測量模壓前后模具面形精度變化 Fig.9 Change of mould surface shape accuracy before and after measuring mould pressing

此外，在加熱-冷卻的溫度循環(huán)和合模-脫模的壓力循環(huán)作用下，微透鏡模具會(huì)出現(xiàn)熱疲勞和應(yīng)力疲勞，而模具材料的疲勞容易造成模具的磨損與失效，因此，有必要對微透鏡模具磨損與失效進(jìn)行預(yù)測。所謂模具磨損，是指在成形過程中，模具工作部分由于高溫、高壓作用下產(chǎn)生的正常變鈍現(xiàn)象。而模具破損是指模具發(fā)生大的變形或表面有脫落現(xiàn)象產(chǎn)生，導(dǎo)致模具不能正常使用的現(xiàn)象，模具的破損一般是由于高溫高壓作用使微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了塑性流動(dòng)而喪失成形能力[78-79]。此外，在微透鏡成形過程中，還需要考慮玻璃-模具的粘結(jié)造成的模具破損。

3.4模壓成形有限元仿真

目前對宏觀球面、非球面透鏡的模壓成形仿真已經(jīng)有較多的報(bào)道，但是對于微透鏡陣列的模壓仿真報(bào)道較少，主要原因在于相對于玻璃預(yù)形體的尺寸，單個(gè)微透鏡結(jié)構(gòu)尺寸極小，給有限元仿真帶來了難度，目前主要仿真手段是采用拉格朗日(Lagrange)算法，并結(jié)合自適應(yīng)網(wǎng)格算法ALE進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)格重劃分，并選取一部分微透鏡陣列進(jìn)行建模仿真，圖10是北京理工大學(xué)先進(jìn)加工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的微透鏡陣列的模壓成形變形圖。

圖10 微透鏡陣列的模壓成形仿真 Fig.10 Molding simulation of microlens array

由于三維微透鏡陣列模壓過程中玻璃材料在填充過程中會(huì)產(chǎn)生大變形，傳統(tǒng)Lagrange算法容易產(chǎn)生畸變造成不能繼續(xù)計(jì)算，而歐拉(Euler)算法又存在成形邊界模糊不清影響計(jì)算精度的問題，因此考慮采用流固耦合(CEL)算法進(jìn)行計(jì)算。所謂流固耦合算法，是指對于存在大變形的材料使用Euler算法，而對于模具等不易變形的材料，使用Lagrange算法，這樣既能保證玻璃材料的大變形又不會(huì)因?yàn)檫吔绮磺逵绊懹?jì)算精度。此外，實(shí)際預(yù)形體相對微結(jié)構(gòu)而言是非常大的，如果按照原尺寸建模，將會(huì)消耗大量計(jì)算資源，因此只建立部分有限元模型，利用Euler網(wǎng)格邊界特點(diǎn)，設(shè)置材料流入流出網(wǎng)格，使模擬更加準(zhǔn)確，其中玻璃和模具設(shè)置為左右邊界對稱，進(jìn)一步降低了對計(jì)算機(jī)資源的消耗，提高了計(jì)算效率。

4 微透鏡陣列模壓成形技術(shù)最新進(jìn)展

4.1微透鏡陣列材料的多樣化

4.1.1 樹脂材料

傳統(tǒng)的光學(xué)樹脂材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMAA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)和聚雙烯丙基二甘醇碳酸酯(CR-39)。與光學(xué)玻璃相比，光學(xué)樹脂材料模壓溫度更低、重量輕、著色方便，但是其缺點(diǎn)也是很明顯的，如樹脂材料的表面硬度普遍偏低，容易擦傷；折射率低，一般在1.5左右，耐熱性、耐氣候性差，時(shí)間長易變色、老化，耐溶脂性也較差等[80-83]。

4.1.2 硫系玻璃

硫系玻璃相對于普通光學(xué)玻璃引入了元素周期表第六主族VIA族中硫S、硒Se、碲Te代替氧O，并引入一定量的其它類金屬元素，形成能阻礙可見光透過的透紅外玻璃。傳統(tǒng)的紅外透鏡主要是由鍺單晶通過機(jī)械加工而成，成本高，效率低下。與這種晶體類紅外光學(xué)材料相比，硫系玻璃具有類似于單晶鍺Ge的紅外透過性能，并且可以通過玻璃模壓技術(shù)達(dá)到透鏡成形，大大降低了成本，提高了效率。硫系玻璃隨著成分的變化其光譜性能也不一樣，硫化物玻璃在可見光區(qū)有部分透過，而硒化物玻璃和碲化物玻璃在可見光區(qū)沒有透過，紅外截止波長分別是：硫化物玻璃12 μm，硒化物玻璃15 μm，碲化物玻璃18 μm[84]。當(dāng)中也可以引入鍺Ge元素，隨著鍺Ge含量的增加，玻璃的密度、硬度、軟化溫度和化學(xué)穩(wěn)定性增加，膨脹系數(shù)減小，本征吸收邊向長波方向移動(dòng)，但是折射率系數(shù)dn/dt會(huì)隨之變大，導(dǎo)致退火階段折射率變化更大。

硫系玻璃在中遠(yuǎn)紅外波段具有很好的透過率，并且具有極佳的消熱差性能，是新一代溫度自適應(yīng)紅外光學(xué)系統(tǒng)核心透鏡材料。硫系玻璃的主要應(yīng)用有探測物體和人的紅外輻射，熱成像，中遠(yuǎn)紅外的透過窗口，以及作為整流罩材料等，廣泛應(yīng)用于軍用和民用夜視系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)及紅外制導(dǎo)等[85]。目前，硫系玻璃被視為最有可能代替單晶鍺Ge用于紅外光學(xué)透鏡系統(tǒng)的透紅外材料[86]。

對硫系玻璃的模壓成形評(píng)估有幾個(gè)方面，對模具表面的復(fù)制特征、紅外透過率、X射線衍射分析，而對以上幾個(gè)方面的控制可以通過對溫度的控制完成。溫度升高的同時(shí)，也伴隨著硫化物更大程度的生成和蒸發(fā)，并且形成各種尺寸的氣泡。但是溫度太低，玻璃流動(dòng)不充足，不能在短時(shí)間內(nèi)很好地復(fù)制模具的形貌。硫系玻璃在模具上的粘附情況和透鏡破損情況都取決于模壓過程中的初始加熱溫度和模壓溫度[87-90]。所以溫度的控制對透鏡模壓成形的控形控性非常重要。圖11為模壓得到的紅外玻璃非球面鏡片。

圖11 紅外玻璃非球面透鏡 Fig.11 Aspheric lens of infrared glass

綜上所述，對于紅外玻璃透鏡模壓成形，存在以下的發(fā)展趨勢：(1)通過控制成形溫度等成形條件提高硫系玻璃成形精度，改善光學(xué)特性；(2)通過控制成形壓力等成形條件，減小殘余應(yīng)力，提高紅外透鏡的光學(xué)特性(折射率等)；(3)通過控制界面接觸與摩擦，提高模具壽命與成形質(zhì)量；(4)通過控制冷卻速率，進(jìn)一步控制紅外材料的微觀組成與晶體結(jié)構(gòu)以改善光學(xué)特性。

4.1.3 晶體材料

硒化鋅(ZnSe)材料是半導(dǎo)體化合物，按照材料功能分，它屬于透光材料，被用來制作全/半反射鏡、中紅外鏡片、遠(yuǎn)紅外大小功率激光器上的各種透鏡，鍍金反射鏡、圓偏振鏡及擴(kuò)束鏡等，圖12為硒化鋅材料制備的窗口片[91]。晶體材料的模壓成形還處于探索階段，目前主要面臨的問題是模壓過程中溫度的提高會(huì)造成材料內(nèi)部組織的變化，從而改變材料的光學(xué)特性。需要注意的是該材料屬于B級(jí)無機(jī)劇毒物品，操作時(shí)需要注意防護(hù)。

圖12 硒化鋅材料窗口片 Fig.12 Optical windows of Zinc selenide

4.2模具材料及其表面鍍層技術(shù)

4.2.1 新型模具材料氧化石墨烯磷化鎳GO-Ni-P

石墨烯發(fā)現(xiàn)于2004年，是一層石墨(六角型排列的碳原子)，石墨烯的楊氏模量高達(dá)1 TPa，固有強(qiáng)度高達(dá)130 GPa，基于其優(yōu)異的機(jī)械性能和獨(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)，在化學(xué)鍍Ni-P鍍層的基礎(chǔ)上，擬采用石墨烯作為第三相，使之與Ni-P合金共沉積從而得到復(fù)合鍍層以改善鍍層的機(jī)械性能。但由于石墨烯納米片會(huì)由于π-π堆疊作用以及范德華力作用而發(fā)生團(tuán)聚，在鍍液中難以分散。而氧化石墨烯具有環(huán)氧基，羥基，羧基等官能團(tuán)，使其具有很好的親水性加上靜電排斥作用從而使得氧化石墨烯在水溶液中具有很好的分散效果[92-93]。

氧化石墨烯的加入會(huì)在很大程度上影響Ni-P的生長。納米粒子作為形核質(zhì)點(diǎn)，能夠改變鍍層的結(jié)晶過程，減小了晶粒尺寸，甚至可以使其達(dá)到納米尺寸，形成納米晶，從而提高晶粒數(shù)量。所得鍍層表面細(xì)密而均勻，鍍層的機(jī)械性能得到提高。圖13(a)為北京理工大學(xué)先進(jìn)加工實(shí)驗(yàn)室通過化學(xué)鍍方式制備得到的氧化石墨烯磷化鎳GO-Ni-P鍍層，圖13(b)為對該鍍層進(jìn)行的XRD分析，可以看到表面有明顯的碳和氧原子，證明鍍層制備成功。但是對該鍍層的材料均勻性及加工性能測試還有待于進(jìn)一步展開研究。

圖13 (a)氧化石墨烯磷化鎳GO-Ni-P鍍層；(b)鍍層XRD分析結(jié)果 Fig.13 (a)GO-Ni-P coating; (b)XRD analysis of GO-Ni-P coating

4.2.2 表面鍍層技術(shù)

為了達(dá)到減少模具的磨損，改善模具的抗磨損性能、減少由于脫模造成的玻璃黏接，提高模具壽命等目的，鍍膜材料需要具備良好的熱穩(wěn)定性，以防鍍膜與光學(xué)玻璃材料發(fā)生反應(yīng)。鍍膜材料通常選擇過渡族金屬與非金屬構(gòu)成的化合物、金屬間化合物等，目前應(yīng)用較廣泛的有：貴金屬及其合金、類金剛石碳(DLC)及硼氮化物。

貴金屬及其合金主要為鉑-銥貴金屬膜，該類鍍層具有高熔點(diǎn)(1 650 ℃)；該鍍層對高溫玻璃具備較好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)在高溫下具備一定的強(qiáng)度和延展性[94-95]，但是該類金屬鍍層與某些模具基體材料結(jié)合強(qiáng)度不高，容易發(fā)生脫落造成模具的損壞，在微透鏡陣列模具的鍍膜中需要慎重使用。

碳系類薄膜主要包括類金剛石碳(DLC)及碳納米管(CNT)。類金剛石碳(DLC)是一種相對容易制備的材料，具有耐高溫、低熱膨脹系數(shù)、高化學(xué)阻抗性和較低的潤濕等特性。普通類金剛石碳在高溫時(shí)會(huì)擴(kuò)散出碳，與光學(xué)玻璃產(chǎn)生反應(yīng)，從而造成玻璃成形件的污染甚至模具的損壞，后來有學(xué)者提出在類金剛石鍍膜中添加鈦元素以阻止其與玻璃材料的反應(yīng)，并成功使用在硼硅酸鹽玻璃的模壓成形中。圖14為北京理工大學(xué)在Ni-P鍍層模具表面通過氣象沉淀鍍DLC鍍層后的模具。

圖14 鍍DLC后的平面模具 Fig.14 Planar mold plated with DLC

硼氮化物主要是以Ni-Al、Ni-Al-N、Ti-B-C、Ti-B-C-N作為模芯的鍍膜，這些鍍膜在高溫下都有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化能力，在高溫下與玻璃的潤濕角大，能夠顯著降低界面的摩擦。

4.3超聲復(fù)合加工

通常將頻率高于人類聽覺極限20 kHz的振動(dòng)稱為超聲振動(dòng)，高頻/超聲振動(dòng)在材料塑性成形領(lǐng)域有著顯著的優(yōu)勢，在微成形領(lǐng)域，由于容易實(shí)現(xiàn)而有更廣泛的前景，其作用機(jī)理還有待于進(jìn)一步完善，目前主要從應(yīng)力疊加、聲波軟化及摩擦力降低三個(gè)方面進(jìn)行解釋。Zhou等人通過進(jìn)行超聲振動(dòng)模壓試驗(yàn)，研究了超聲振動(dòng)對摩擦系數(shù)的減小作用；通過建立有限元模型，驗(yàn)證了極短時(shí)間內(nèi)模具與玻璃預(yù)形體的短暫分離現(xiàn)象，見圖15；解析了超聲振動(dòng)對玻璃預(yù)形體動(dòng)態(tài)粘度的影響機(jī)理，通過試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了超聲振動(dòng)對模壓成形填充精度的改善作用[77-79]。

圖15 成形不同振動(dòng)時(shí)刻預(yù)形體底面與模具相對位置 Fig.15 Vertical displacement of mold and the preform's bottom surface at different vibration moment in shaping

5 結(jié)束語

微透鏡陣列作為一種光學(xué)元件，在復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)中有著廣泛需求，而模壓成形作為一種高效、高精度、低成本的微透鏡陣列加工方式，具有其他加工方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。微透鏡陣列模壓成形制造的發(fā)展趨勢主要有以下3個(gè)方面。

(1)低熔點(diǎn)光學(xué)玻璃材料的研究與開發(fā)。低的轉(zhuǎn)化溫度有利于提高模具壽命，降低微透鏡陣列制造成本。此外，具有更多功能的新材料微透鏡陣列的開發(fā)也是一大研究熱點(diǎn)。

(2)高溫條件下玻璃的流變力學(xué)特性，微尺度下玻璃與模具的界面作用機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究，需要建立更精確的預(yù)測模型。

(3)對微透鏡陣列模壓成形模具的優(yōu)化。在滿足微透鏡陣列模具精度、壽命要求的前提下，開發(fā)更適合加工的，成本更低的模具材料，有利于微透鏡陣列模壓成形的推廣。將模具表面鍍層、復(fù)合加工技術(shù)引入微透鏡陣列的模壓成形，有利于改善脫模特性，提高模具壽命。

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Advancesandprospectsofmoldingforopticalmicrolensarray

ZHOU Tian-feng, XIE Jia-qing, LIANG Zhi-qiang*, LIU Xin, LIU Xiao-hua, WANG Xi-bin

(KeyLaboratoryofFundamentalScienceforAdvancedMachining,SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

The optical microlens array is widely used in the optical system with high demand. The glass molding technology is the most efficient methods of mass production and processing of microlens array with characteristics of high precision, good consistency and low production cost, which has important application and research value. In this paper, the design principle of optical microlens array, as well as mold manufacturing technology, glass molding technology and the corresponding detection technology is introduced. The latest development of microlens array molding test and FEM simulation are mainly discussed. The development of microlens molding, including the material for microlens array molding, the mold surface coating technology, and the application of ultrasonic composite processing technology in the microlens array molding is prospected at the end of this paper.

microlens array;glass molding;low-melting optical glass;finite element simulation;surface coating technology

TP394.1； TH161.1

A

10.3788/CO.20171005.0603

周天豐(1981—)，男，湖北黃梅人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，國家“青年千人”引進(jìn)人才，2009年于日本東北大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)器件模壓成形工藝、超精密模具制造等方面的研究。E-mail:zhoutf@bit.edu.cn

梁志強(qiáng)(1984—)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2011年于北京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事精密與超精密切削磨削技術(shù)，超聲輔助加工技術(shù)，微細(xì)刀具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等方面的研究。E-mail:liangzhiqiang@bit.edu.cn

2017-05-11；

2017-08-13

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.2015CB059900)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51375050)；霍英東教育基金青年教師基金資助項(xiàng)目(No.151052)

Supported by National Program on Key Basic Research Projects of China(No.2015CB059900); National Natural Science Foundation of China(No.51375050); Fok Ying-Tong Education Foundation for Young Teachers in the Higher Education Institutions of China(No.151052)

2095-1531(2017)05-0603-16

*Correspondingauthor,E-mail:liangzhiqiang@bit.edu.cn