CN109807720B - 一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，涉及一种范成式加工方法。本发明解决了现有的微透镜阵列加工方法存在刀具磨损、材料受限和面型精度差的问题。本发明选择半径大于微透镜球径Rs的V形砂轮并修整；使V形砂轮沿机床Z轴负向的尖点正好与机床C轴中心线重合；采用范成式方法加工在工件中心位置的微透镜P0，设定V形砂轮转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮沿着机床Z轴负向进给，直至在工件上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持不动，机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，Z轴正向退刀；采用范成式方法加工任意一个非工件中心位置的微透镜Pm；依次进行加工，形成微透镜阵列光学元件。本发明用于微透镜阵列光学元件的加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种范成式加工方法，具体涉及一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，属于微结构光学元件精密加工技术领域。
背景技术
微透镜阵列光学元件是人类为了实现昆虫复眼部分功能而设计的一种仿生结构，昆虫复眼具有体积小、大视场、近距离对物体分辨率高的特点，在医疗设备和军事上有着重要的应用潜力。对于微球面凹透镜阵列的加工，主要应考虑微透镜单元的面型精度、微透镜单元的表面粗糙度以及各微透镜单元的尺寸一致性。
目前，微透镜阵列光学元件的加工方法有很多，如光刻热熔胶法，激光加工法，慢刀伺服车削、快刀伺服车削、微铣削、压痕法等。光刻和激光加工等特种加工工艺，则无法保证微透镜的面形精度和表面粗糙度，而且加工出的微透镜单元尺寸一致性较差。传统的车削、铣削加工方法虽然能够实现微透镜阵列的精密加工，但受制于刀具磨损问题，只能面向铝铜等容易切削的有色金属材料，对于硬脆材料则无能为力。
综上所述，现有的微透镜阵列方法存在刀具磨损、材料受限和面型精度差的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的微透镜阵列方法存在刀具磨损、材料受限和面型精度差的问题。进而提供一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法。
本发明的技术方案是一种一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，它包括如下步骤：
步骤一：根据待加工微透镜阵列光学元件上透镜单元的球径Rs，选择半径大于球径Rs的V形砂轮，将V形砂轮2安装到机床的磨轴1上，然后对V形砂轮2进行在位精密修整，达到锋锐的砂轮尖端以及精确的砂轮半径Rg；
步骤二：通过对刀操作，使V形砂轮2沿机床Z轴负向的尖点正好与机床C轴中心线重合；
步骤三：将待加工工件3固定在夹具4的前端面上，并将夹具4固定在机床C轴前端面上，然后采用V形砂轮2对工件3进行平面磨削加工，使工件表面平整；
步骤四：采用范成式方法加工在工件3中心位置的微透镜P0，设定V形砂轮2转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮2沿着机床Z轴负向进给，直至在工件3上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，之后V形砂轮2沿着Z轴正向退刀，这样就完成了工件中心位置的微透镜P0的加工；
步骤五：采用范成式方法加工任意一个非工件中心位置的微透镜Pm；
步骤六：参照步骤五中的方案，根据微透镜阵列上其它微透镜相对于中心透镜的极坐标位置，采用范成式方法依次进行加工，最后形成所需的微透镜阵列光学元件。
进一步地，步骤五中的加工任意一个非工件中心位置的微透镜Pm的具体过程为：先使机床C轴顺时针旋转角度θm，再让机床X轴沿正向移动距离rm，使得V形砂轮2沿机床Z轴负向的尖点正好与待加工微透镜的中心线重合，设定V形砂轮2转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮2沿着机床Z轴负向进给，直至在工件3上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床X轴、Y轴和C轴进行三轴联动，其中X轴和Y轴通过联动实现1圈完整的顺时针圆弧差补运动，差补圆弧中心为机床C轴中心，差补圆弧半径大小等于rm，同时机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，之后V形砂轮2沿着Z轴正向退刀，机床X轴沿负向移动距离rm，机床C轴逆时针旋转角度θm，使砂轮回到加工前的起始位置，这样就完成了非工件中心位置的微透镜Pm的加工。
进一步地，步骤一中，微透镜阵列中每个单元透镜都是凹球面透镜，单元透镜的直径范围为0.1mm～10mm，单元透镜的球径Rs的范围为5mm～100mm。
进一步地，步骤一中，V形砂轮2的尖端角度为60°～120°，而且修整后的砂轮半径Rg必须等于待加工的单元透镜的球径Rs。
进一步地，步骤四和步骤五中，ap的取值等于微透镜单元的矢高，Ng为300rpm～60000rpm，Vf为0.005mm/min～5mm/min，Nw为0.01rpm～10rpm。
进一步地，步骤四和步骤五中，通过C轴带动工件绕着待加工微透镜中心自旋了360°，因而砂轮尖端切入工件内的一段圆弧轮廓线也旋转了360°，正好是一个凹球形，通过这种范成式方法加工出了微透镜的凹球面轮廓形状。
本发明与现有技术相比具有以下改进效果：
1本发明能够极大地扩展可加工的工件材料类型，例如现有的方法无法加工出微透镜阵列的蓝宝石、碳化硅和碳化钨等硬脆难加工材料，采用本发明提出的范成式加工方法可以实现微透镜阵列的精密加工。传统的加工方法是采用单点金刚石车削或者微铣削，在加工硬脆材料时，会发生剧烈刀具磨损而无法保证加工精度，因此只能适用于在有色金属材料上加工微透镜阵列表面。而本发明中采用砂轮作为工具进行范成式磨削加工，因砂轮的抗磨损能力强，因此既能加工金属材料，也可以加工硬脆材料，因而扩展了可加工的工件材料类型。
2本发明能够提高微透镜的面形精度以及所有透镜单元的尺寸一致性，因为本发明中提出的微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，所用加工刀具为砂轮，在砂轮表面密布大量的磨粒，通过多个磨粒的多点切削来实现材料去除，砂轮整体抗磨损性能远高于车刀或铣刀，因而微透镜阵列光学元件上的所有透镜单元可以使用同一砂轮一次性完成加工，保证了透镜单元的面形精度和尺寸一致性，同时还避免了刀具磨损的问题。
附图说明
图1是微透镜阵列光学元件的范成式加工方法的加工系统装置图；
图2是采用范成式加工方法在工件中心位置加工微透镜的原理示意图，图中灰色线条表示砂轮切入工件内的一段圆弧廓线，当工件绕着微透镜中心自旋360°时，通过范成式原理，砂轮的圆弧轮廓线就可以包络出微透镜单元的凹球面轮廓；
图3是工件3加工中心位置微透镜P0后的示意图；
图4是图3的剖视图；
图5是基于X轴、Y轴和C轴的三轴联动，采用范成式加工方法在工件非中心位置加工微透镜的原理示意图，因为X轴和Y轴联动的圆弧差补运动与C轴自转运动完全同步，而且差补圆弧半径恰好等于微透镜Pm与P0的中心距rm，在这样的相对位置关系前提下，通过X轴、Y轴和C轴的三轴联动就可以实现工件绕着待加工微透镜Pm的中心点自旋360°，砂轮的圆弧轮廓线就可以包络出微透镜单元的凹球面轮廓。
图5中的箭头由上至下表示的步骤含义如下：
第一个水平箭头表示：C轴顺时针转θm，X轴沿正向移rm。
第二个水平箭头表示：转速为Ng的V形砂轮2以Vf线速度沿Z轴负向进刀，直至在工件3上产生深度为ap的磨痕；
第一个左下倾斜箭头表示：C轴以Nw转速顺时针转90°，且X、Y轴顺时针圆弧差补；
第三个水平箭头表示：C轴以Nw转速顺时针转90°，且X、Y轴顺时针圆弧差补；
第四个水平箭头表示：C轴以Nw转速顺时针转90°，且X、Y轴顺时针圆弧差补；
第二个左下倾斜箭头表示：C轴以Nw转速顺时针转90°，且X、Y轴顺时针圆弧差补；
第五个水平箭头表示：砂轮沿Z轴正向退刀；
第六个水平箭头表示：X轴负向移rm、C轴逆时针转θm。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，包括如下步骤：
步骤一：根据待加工微透镜阵列光学元件上透镜单元的球径Rs，选择半径大于球径Rs的V形砂轮，将V形砂轮2安装到机床的磨轴1上，然后对V形砂轮2进行在位精密修整，达到锋锐的砂轮尖端以及精确的砂轮半径Rg；
步骤二：通过对刀操作，使V形砂轮2沿机床Z轴负向的尖点正好与机床C轴中心线重合；
步骤三：将待加工工件3固定在夹具4的前端面上，并将夹具4固定在机床C轴前端面上，然后采用V形砂轮2对工件3进行平面磨削加工，使工件表面平整；
步骤四：采用范成式方法加工在工件3中心位置的微透镜P0，设定V形砂轮2转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮2沿着机床Z轴负向进给，直至在工件3上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，之后V形砂轮2沿着Z轴正向退刀，这样就完成了工件中心位置的微透镜P0的加工；
步骤五：采用范成式方法加工任意一个非工件中心位置的微透镜Pm；
步骤六：参照步骤五中的方案，根据微透镜阵列上其它微透镜相对于中心透镜的极坐标位置，采用范成式方法依次进行加工，最后形成所需的微透镜阵列光学元件。
具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤五中的加工任意一个非工件中心位置的微透镜Pm的具体过程为：
先使机床C轴顺时针旋转角度θm，再让机床X轴沿正向移动距离rm，使得V形砂轮2沿机床Z轴负向的尖点正好与待加工微透镜的中心线重合，设定V形砂轮2转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮2沿着机床Z轴负向进给，直至在工件3上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床X轴、Y轴和C轴进行三轴联动，其中X轴和Y轴通过联动实现1圈完整的顺时针圆弧差补运动，差补圆弧中心为机床C轴中心，差补圆弧半径大小等于rm，同时机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，之后V形砂轮2沿着Z轴正向退刀，机床X轴沿负向移动距离rm，机床C轴逆时针旋转角度θm，使砂轮回到加工前的起始位置，这样就完成了非工件中心位置的微透镜Pm的加工。如此设置，可以使非中心位置微透镜的加工开始阶段和结束阶段的砂轮位置保持相同，便于加工程序的循环重复，可以减少数控程序代码行数。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
步骤五中的rm和θm可以根据微透镜阵列光学元件的设计图纸进行计算。具体来说，rm，θm是微透镜Pm中心点在极坐标系中的位置坐标，该极坐标系以中心微透镜P0的中心点为极点，机床X轴负向为极轴。在这样的相对位置关系前提下，通过X轴、Y轴和C轴的三轴联动就可以实现工件绕着待加工微透镜Pm的中心点自旋360°。
具体实施方式三：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤一中，微透镜阵列中每个单元透镜都是凹球面透镜，单元透镜的直径范围为0.1mm～10mm，单元透镜的球径Rs的范围为5mm～100mm。如此设置，是因为本发明所提出的加工方法依然存在一定的局限性，单元透镜直径和球径不在所给范围内的微透镜阵列光学元件，加工时所需的砂轮直径太小或者太大，无法在机床上安装，因而不适合采用本发明所提出的加工方法。在这里提前给出这些参数限制范围，可以为微透镜阵列光学元件的光学设计阶段提供设计约束，避免设计的光学元件图纸无法加工。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤一中，V形砂轮2的尖端角度为60°～120°，而且修整后的砂轮半径Rg必须等于待加工的单元透镜的球径Rs。如此设置，可以避免加工干涉，使得加工后实际的微透镜单元球径与图纸上设计的球径尽量接近，提高微透镜单元的面形精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一至三中任意一项相同。
具体实施方式五：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤四和步骤五中，ap的取值等于微透镜单元的矢高，Ng为300rpm～60000rpm，Vf为0.005mm/min～5mm/min，Nw为0.01rpm～10rpm。如此设置，可以根据微透镜的实际尺寸和机床设备参数，选择合适的加工参数组合，进而提高微透镜阵列光学元件的表面光洁度。其它组成和连接关系与具体实施方式一至四中任意一项相同。
具体实施方式六：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的步骤四和步骤五中，通过C轴带动工件绕着待加工微透镜中心自旋了360°，因而砂轮尖端切入工件内的一段圆弧轮廓线也旋转了360°，正好是一个凹球形，通过这种范成式方法加工出了微透镜的凹球面轮廓形状。如此设置，使得每个微透镜单元的表面都是通过旋转去除材料而形成的，可以提高每个微透镜单元的回转对称精度。其它组成和连接关系与具体实施方式一至六中任意一项相同。
一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一，根据待加工微透镜阵列光学元件图纸上透镜单元凹球面的球径Rs，选择半径稍大于Rs的V形砂轮，砂轮尖角角度为60°～120°，将V形砂轮2安装到机床的磨轴1上，然后对V形砂轮2进行在位精密修整，达到锋锐的V形砂轮尖端以及精确的砂轮半径Rg，必须保证Rg等于单元透镜的球径Rs。
步骤二，通过对刀操作，使V形砂轮2沿机床Z轴负向的尖点正好与机床C轴中心线重合。
步骤三，将待加工工件3固定在夹具4的前端面上，并将夹具4固定在机床C轴前端面上，然后采用V形砂轮2对工件3进行平面磨削加工，使工件表面平整。
步骤四，采用范成式方法加工在工件中心位置的微透镜P0，设定V形砂轮2转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮2沿着机床Z轴负向进给，直至在工件3上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，C轴带动工件绕着待加工微透镜中心同步自旋360°，因而砂轮尖端切入工件内的一段圆弧轮廓线也旋转了360°，正好是一个凹球形，通过这种范成式方法加工出微透镜的凹球面轮廓形状，之后V形砂轮2沿着Z轴正向退刀，这样就完成了工件中心位置的微透镜P0的加工。其中，ap的取值等于微透镜单元的矢高，可以根据设计图纸获得，Ng为6000rpm，Vf为0.02mm/min，Nw为0.5rpm。
步骤五，采用范成式方法加工任意一个非工件中心位置的微透镜Pm，具体过程为：先使机床C轴顺时针旋转角度θm，再让机床X轴沿正向移动距离rm，使得V形砂轮2沿机床Z轴负向的尖点正好与待加工微透镜的中心线重合，设定V形砂轮2转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮2沿着机床Z轴负向进给，直至在工件3上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床X轴、Y轴和C轴进行三轴联动，其中X轴和Y轴通过联动实现1圈完整的顺时针圆弧差补运动，差补圆弧中心为机床C轴中心，差补圆弧半径等于rm，同时机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，通过X轴、Y轴和C轴的三轴联动实现工件绕着待加工微透镜Pm的中心点自旋360°，通过范成式方法加工出微透镜的凹球面轮廓形状，之后V形砂轮2沿着Z轴正向退刀，机床X轴沿负向移动距离rm，机床C轴逆时针旋转角度θm，使砂轮回到加工前的起始位置，这样就完成了非工件中心位置的微透镜Pm的加工。其中，ap、Ng、Vf和Nw的取值与步骤四中相同，rm和θm可以根据微透镜阵列光学元件的设计图纸进行计算。具体的来说，rm，θm是微透镜Pm中心点在极坐标系中的位置坐标，该极坐标系以中心微透镜P0的中心点为极点，机床X轴负向为极轴。
步骤六，参照步骤五中的方案，根据微透镜阵列上其它微透镜相对于中心透镜的极坐标位置，采用范成式方法依次进行加工，最后形成所需的微透镜阵列光学元件。
所用砂轮一般为树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮粒度为D3～D15，浓度为C50～C125。
Claims (4)
1.一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一：根据待加工微透镜阵列光学元件上透镜单元的球径Rs，选择半径大于球径Rs的V形砂轮，将V形砂轮(2)安装到机床的磨轴(1)上，然后对V形砂轮(2)进行在位精密修整，达到锋锐的砂轮尖端以及精确的砂轮半径Rg；其中，V形砂轮(2)的尖端角度为60°～120°，而且修整后的砂轮半径Rg等于待加工的单元透镜的球径Rs；
步骤二：通过对刀操作，使V形砂轮(2)沿机床Z轴负向的尖点正好与机床C轴中心线重合；
步骤三：将待加工工件(3)固定在夹具(4)的前端面上，并将夹具(4)固定在机床C轴前端面上，然后采用V形砂轮(2)对工件(3)进行平面磨削加工，使工件表面平整；
步骤四：采用范成式方法加工在工件(3)中心位置的微透镜P0，设定V形砂轮(2)转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮(2)沿着机床Z轴负向进给，直至在工件(3)上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，之后V形砂轮(2)沿着Z轴正向退刀，这样就完成了工件中心位置的微透镜P0的加工；
步骤五：采用范成式方法加工任意一个非工件中心位置的微透镜Pm；
先使机床C轴顺时针旋转角度θm，再让机床X轴沿正向移动距离rm，X轴和Y轴联动的圆弧差补运动与C轴自转运动完全同步，而且差补圆弧半径等于微透镜Pm与P0的中心距rm，使得V形砂轮(2)沿机床Z轴负向的尖点正好与待加工微透镜的中心线重合，设定V形砂轮(2)转速为Ng、进给速度为Vf，使V形砂轮(2)沿着机床Z轴负向进给，直至在工件(3)上产生深度为ap的磨痕，然后机床Z轴停止进给，保持位置不动，接着，机床X轴、Y轴和C轴进行三轴联动，其中X轴和Y轴通过联动实现1圈完整的顺时针圆弧差补运动，差补圆弧中心为机床C轴中心，差补圆弧半径大小等于rm，同时机床C轴以转速Nw顺时针旋转360°，之后V形砂轮(2)沿着Z轴正向退刀，机床X轴沿负向移动距离rm，机床C轴逆时针旋转角度θm，使砂轮回到加工前的起始位置，这样就完成了非工件中心位置的微透镜Pm的加工；
步骤六：参照步骤五中的方案，根据微透镜阵列上其它微透镜相对于中心透镜的极坐标位置，采用范成式方法依次进行加工，最后形成所需的微透镜阵列光学元件。
2.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，其特征在于：步骤一中，微透镜阵列中每个单元透镜都是凹球面透镜，单元透镜的直径范围为0.1mm～10mm，单元透镜的球径Rs的范围为5mm～100mm。
3.根据权利要求2所述的一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，其特征在于：步骤四和步骤五中，ap的取值等于微透镜单元的矢高，Ng为300rpm～60000rpm，Vf为0.005mm/min～5mm/min，Nw为0.01rpm～10rpm。
4.根据权利要求3所述的一种微透镜阵列光学元件的范成式加工方法，其特征在于：步骤四和步骤五中，通过C轴带动工件绕着待加工微透镜中心自旋了360°，因而砂轮尖端切入工件内的一段圆弧轮廓线也旋转了360°，正好是一个凹球形，通过这种范成式方法加工出了微透镜的凹球面轮廓形状。
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