CN101176923A - 菲涅尔结构微光学元件的加工装置 - Google Patents

Abstract

菲涅尔结构微光学元件的加工装置，它涉及衍射光学元件加工装置。它解决了现有单点金刚石超精密车削加工装置在加工过程中刀具轨迹是靠机床的多个轴进行插补后得到的，因此，存在一定的原理性加工误差的问题。本发明的液压马达(6)设在X向溜板(2)上，刀架(4)与液压马达(6)的输出轴连接，刀具(5)为半尖形状固定在刀架(4)上，刀架(4)上设有压电陶瓷(7)和双柔性平行四杆机构(8)，压电陶瓷(7)的上端与双柔性平行四杆机构(8)连接。本发明的装置能够加工大深宽比的三维结构，并能够实现在曲面基底上加工较为复杂的微结构；加工零件的成形精度达亚微米级，无须后续抛光表面粗糙度Ra值达到5nm，加工效率高，成本低等。

Description

菲涅尔结构微光学元件的加工装置

技术领域

本发明涉及衍射光学元件加工装置。

背景技术

菲涅尔结构微光学元件具有体积小、质量轻、易集成等优点，可以使光学设计者优化光学系统、减轻重量、缩小体积、实现集成，因此在军用和民用工业领域中都有很高的应用价值和很广阔的应用前景。目前，菲涅尔结构微光学元件的常规加工方法有电子束写技术、激光束写技术、光刻技术、蚀刻技术、沉积和影像蚀刻技术、LIGA技术、复制技术和镀膜技术等。上述加工方法存在下述缺陷和局限性：(1)光刻技术：由于视场深度的限制，仅限于二维结构和小深宽比三维结构的加工；(2)采用牺牲层蚀刻技术，虽然可以实现准三维加工，但易使材料产生内应力，影响最终的机械性能，且蚀刻技术受材料晶向影响，加工准确性差，被加工表面质量差；(3)LIGA技术：LIGA工艺须使用昂贵、稀有的高准直度的X射线光源，其成本比光刻设备还要高许多，一般实验室和企业都很难负担得起，同时，从原理上讲，LIGA工艺很难在曲面基底上加工三维结构。而其它的一些微制造技术，如沉积等一般均为平面工艺，很难适应三维结构的加工。(4)电子束写、激光束写技术效率低，难以进行批量生产；(5)复制技术，包括热压成型法，模压成型法和注射成型法等，是一种适于批量生产的低成本技术，但要求其模具具有较高精度和耐用性。单点金刚石超精密车削加工技术是目前比较理想的菲涅尔结构微光学元件的加工技术，与上述技术相比具有明显的优势。但是常规单点金刚石超精密车削加工装置在加工过程中刀具轨迹是靠机床的多个轴进行插补后完成的，因此，存在一定的原理性加工误差。

发明内容

本发明为了解决现有单点金刚石超精密车削加工装置在加工过程中刀具轨迹是靠机床的多个轴进行插补后得到的，因此，存在一定的原理性加工误差的问题，提供了一种菲涅尔结构微光学元件的加工装置，解决上述问题的具体技术方案如下：

本发明的装置，由Z向溜板1、X向溜板2、主轴3、刀架4、刀具5、液压马达6、压电陶瓷7、双柔性平行四杆机构8和床体10组成，Z向溜板1和X向溜板2设在床体10上，主轴3固定在Z向溜板1上，液压马达6设在X向溜板2上，刀架4与液压马达6的输出端连接，刀具5为半尖形状固定在刀架4上，压电陶瓷7和双柔性平行四杆机构8设在刀架4上，压电陶瓷7的上端与双柔性平行四杆机构8下端连接，双柔性平行四杆机构8的上端和两侧分别与刀架4连接。

本发明的菲涅尔结构微光学元件的加工装置具有很多其他加工菲涅尔结构微光学元件方法所不具备的优势，能够加工大深宽比的三维结构，并能够实现在曲面基底上加工较为复杂的微结构；加工零件的成形精度达亚微米级，无须后续抛光表面粗糙度Ra值达到5nm，有些材料甚至能达到1nm，加工效率高，成本低等。适用于加工多种材料的菲涅尔结构微光学元件。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图，图2是刀架4的结构示意图，图3是液压马达6输出端面螺纹孔布局示意图，图4是将刀具5设在初始位置的示意图，图5是加工非球面或球面工件的示意图，图6是加工阶梯面工件的示意图，图7是加工完带有非球面或球面和阶梯面的衍射微光学元件的结构示意图。图中9为工件。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2描述本实施方式。本实施方式由Z向溜板1、X向溜板2、主轴3、刀架4、刀具5、液压马达6、压电陶瓷7、双柔性平行四杆机构8和床体10组成，Z向溜板1和X向溜板2设在床体10上，主轴3固定在Z向溜板1上，液压马达6设在X向溜板2上，刀架4与液压马达6的输出端连接，刀具5为半尖形状固定在刀架4上，压电陶瓷7和双柔性平行四杆机构8设在刀架4上，压电陶瓷7的上端与双柔性平行四杆机构8下端连接，双柔性平行四杆机构8的上端和两侧分别与刀架4连接。

具体实施方式二：本实施方式在液压马达6的输出端面上开有六个螺纹孔11，成三行两列排列，在刀架4的两侧各开有与液压马达6的输出端面上开有的六个螺纹孔11相对应的六个通孔12，螺钉经螺纹孔11和通孔12将刀架4与液压马达6的输出端紧固连接。

具体实施方式三：本实施方式刀具5相对于主轴3做直线运动。

具体实施方式四：本实施方式在加工非球面或球面工件时通过控制压电陶瓷7的电压带动双柔性平行四杆机构8的位移来实现。

对非球面的加工是按公式1

$z=\frac{c{r}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_1{r}^2+a_2{r}^4+.....\left(1\right)$

上式中：c---曲率、r---径向坐标、k-锥度系数、a₁，a₂.....---常数项，进行的。

菲涅尔结构微光学元件的单点金刚石车削加工装置是利用硬度高于材料的刀具改变材料形状或破坏材料表层，以切屑去除形式来实现加工零件所需的形状。

工作原理：

工件装卡在主轴3上，单点金刚石刀具5安装在旋转刀架4上，为了加工菲涅尔结构微光学元件，主轴3带着工件9逆时针转动，通过x向导轨的运动，使刀具5与工件9之间产生相对位移，刀具5是由工件9的边缘向工件9回转中心方向移动，液压马达6可使刀具5围绕固定轴做旋转运动。采用压电陶瓷7为驱动源，双柔性平行四连杆机构8作为导向机构。当给压电陶瓷7施加一定电压时，压电陶瓷7伸长，从而驱使双柔性平行四连杆机构8带动金刚石刀具5产生一定的位移，当施加给压电陶瓷7的电压降低时，压电陶瓷7回缩，金刚石刀具5在双柔性平行四连杆机构8的弹性回复力的作用下也相应回缩一段位移。双柔性平行四连杆机构8的位移由高精度电容测位仪测量。通过上述过程完成刀具5的精密往复进给运动，与此同时，由液压马达6带动刀架4摆动，实现对非球面的加工。对于球面可直接由液压马达6带动刀架4的摆动来完成。

Claims (4)

1.菲涅尔结构微光学元件的加工装置，它由Z向溜板(1)、X向溜板(2)、主轴(3)、刀架(4)、刀具(5)、液压马达(6)、压电陶瓷(7)、双柔性平行四杆机构(8)和床体(10)组成，Z向溜板(1)和X向溜板(2)设在床体(10)上，主轴(3)固定在Z向溜板(1)上，其特征在于液压马达(6)设在X向溜板(2)上，刀架(4)与液压马达(6)的输出端连接，刀具(5)为半尖形状固定在刀架(4)上，压电陶瓷(7)和双柔性平行四杆机构(8)设在刀架(4)上，压电陶瓷(7)的上端与双柔性平行四杆机构(8)下端连接，双柔性平行四杆机构(8)的上端和两侧分别与刀架(4)连接。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔结构微光学元件的加工装置，其特征在于在液压马达(6)的输出端面上开有六个螺纹孔(11)，成三行两列排列，在刀架(4)的两侧各开有与液压马达(6)的输出端面上开有的六个螺纹孔(11)相对应的六个通孔(12)，螺钉经螺纹孔(11)和通孔(12)将刀架(4)与液压马达(6)的输出端紧固连接。

3.根据权利要求1所述的菲涅尔结构微光学元件的加工装置，其特征在于刀具(5)相对于主轴(3)做直线运动。

4.根据权利要求1所述的菲涅尔结构微光学元件的加工装置，其特征在于加工非球面或球面工件时，通过控制压电陶瓷(7)的电压带动双柔性平行四杆机构(8)的位移来实现。

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