用三维金刚石微铣削技术制备塑料微透镜阵列

用三维金刚石微铣削技术制备塑料微透镜阵列交联聚苯乙烯通过三维、三轴微铣削的工艺，制造两个由20个透镜（4x5排列）组成的透镜阵列。其中一个阵列的透镜是凹透镜（曲率半径Rcurv=-2mm），而另一个阵列的透镜是凸透镜（曲率半径Rcurv=2mm）。本文描述并评估了一种用于校正单个透镜三维微铣削程序的方法。所有透镜之间的间距为4mm，直径均为2.6mm。通过测量关键光学参数（如半径误差、波前误差和表面粗糙度），与塑料注塑成型透镜相比，微铣削透镜在形状误差和表面粗糙度方面表现出更高的光学质量。显微镜阵列是由小型高倍物镜组成的阵列，每个物镜的大小与小型内窥镜相似，能够对生物样本（如组织学切片、痰涂片或细胞培养物）进行成像。此类阵列已应用于病理学领域，但在临床使用或生物医学研究中尚未普及。显微镜阵列在生物学领域仍有巨大的潜力，但这些设备高昂的开发成本，仍是阻碍其广泛应用的因素。目前用于制造透镜阵列的技术包括紫外光刻、热回流、压塑成型、微锻、金刚石切削，以及上述多种技术的组合。这些技术提供了制造适用于多种用途的透镜阵列的能力，但并非所有这些技术都能以至少满足原型系统所需的质量生产出阵列显微镜所需尺寸的透镜。金刚石切削技术在生产具有小型显微镜透镜所需的下陷度、半径和直径的表面方面堪称最佳。该技术通常用于制造母版，然后可用于复制过程，如塑料注塑成型。三维金刚石铣削或微型铣削已被证明可有效地在金属上制造这些母版。然而，使用透镜阵列模具生产出具有最新光学质量的成品并非易事。这些技术提供了制造适用于多种用途的透镜阵列的能力，但并非所有这些技术都能以至少满足原型系统所需的质量生产出阵列显微镜所需尺寸的透镜。金刚石切削技术在生产具有小型显微镜透镜所需的下陷度、半径和直径的表面方面堪称最佳。能够在一台机器上一步完成成品零件的生产，大大降低了开发成本。1、本研究采用骤降铣削法在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）上实现了单步生产透镜阵列，但其误差校正方法是对工具进行蚀刻，并且该方法仅适用于直径1毫米或更小的透镜。由于金刚石微铣削技术能够生产出最先进的透镜模具，因此它是直接制造透镜阵列的合理选择。因此，本研究的目标是展示三维金刚石铣削技术在塑料上直接生产出具有先进形状精度和光学质量表面粗糙度的高功率透镜阵列的能力。本研究展示了凹透镜和凸透镜这两种透镜形状，以充分证明该工艺能够生产出任何阵列显微镜设计所需的所有透镜。使用的机器是一个四轴（X、Y、Z和C）纳米技术250超精密车床（UPL）（摩尔纳米技术系统）。不使用C轴控制，所以有三个自动轴。所使用的设备如图1所示。所使用的铣刀是一个半径为0.529毫米的球鼻端磨机，由轮廓工具制造。同时还使用了摩尔纳米技术金刚石转动软件套件，包括NanoCAM1.0、NanoCAM2D、工作主轴微调平衡器和波前误差校正（WEC）软件。主轴适配器固定在工作主轴的表面，一个超精密夹头和夹头螺母固定端机的位置。纳米技术250配备有一个内部主轴平衡器，能够在本研究中使用的相对较低的主轴速度下准确地平衡主轴。因此，一个外部的主轴平衡器是不必要的。端磨必须尽可能与主轴轴对齐，错位会导致整个部分的形成错误，并且在镜头中心有一个微观的核状特征。假设刀具相对于刀柄处于中心位置，并且在松脱的同时调整主轴转接头的位置直至刀柄跳动小于1.5μm。如图二所示的电子量规头用于测量刀柄的跳动。由于主轴适配器和工作主轴之间的配合紧密，一旦主轴适配器被固定，就不能对工具位置进行进一步的调整。量规头还用于测量工件的倾斜度。复合测角仪系统用于校正这种对准。零件倾斜可以减少到2弧分或更少，相对于主轴轴使用这种方法。线性变量用于测量二维透镜轮廓的差动变压器(LVDT)在安装主轴适配器之前进行校准。通过测量1英寸校准球并存储测量误差对LVDT进行校准，然后使用锉刀测量来调整微磨透镜的后期测量。2、透镜使用螺旋切削程序进行微铣削，如图三所示。刀具的角进给速度几乎是恒定的，因此从透镜边缘到透镜中心的线性进给速度是不同的。本研究使用的微铣参数如表一所示。创建了一个单独的粗切程序，以去除两种镜片类型的大部分材料。没有做半切。零件程序使用NanoCAM1.0生成。该软件补偿纺丝工具的形状与假设立铣刀的固体旋转是球形的。刀具的波浪形或不对准使该形状非球形，并导致必须纠正的形状误差。由于本研究中制造的透镜是旋转对称的，因此用于纠正单点金刚石车削中刀具轨迹误差的相同技术可用于纠正3-D微铣削刀具轨迹。NanotechWEC软件能够从零件和参考的二维接触轮廓测量中获得二维误差轮廓校准球的测量。NanoCAM2-D可用于生成校正后的2-D凹陷表通过NanoCAM1.0将其转换为校正后的三维凹陷表和相应的刀具轨迹。应用于微磨透镜的单个刀具轨迹校正的结果如图四所示。在本研究中，我们使用程序生成凸透镜和凹透镜的阵列如图四所示。测量了每个透镜半径，波前误差和粗糙度。半径和使用Zygo(Middlefield，PTI250菲索干涉仪，f/1.5;直径25mm，波长655nm的透射球。的测量的半径是猫眼和物体之间的距离共焦位置。波长的空间调制长度小于15μm的被去除。表面轮廓使用ZygoNewView5032光学测量透镜分析器。这些测量是在0.27×0.35-范围内进行的Mm视场，横向分辨率为0.56μm。使用这些表面轮廓计算粗糙度估计。调制的表面轮廓的波长长于26.7μm是由于形状误差造成的。类型所使用的滤波器是高斯样条滤波器。干涉图PTI250和表面轮廓测量从新的视图如图五所示。4、这项研究显示了三维微铣削的校正能力采用传统的二维刀具轨迹校正技术对旋转对称曲面进行刀具轨迹校正制造一组具有优异重复性的透镜，直接在塑料中，