CN112935849A - 一种微透镜阵列两轴联动加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微透镜阵列两轴联动加工方法，包括：在机床主轴上安装精密回转底座、X向、Y向精密位移平台、回转工件，X向、Y向精密平台分别用于两个轴向的精密进给，调节回转工件相对机床主轴的位置，使回转工件轴心与机床主轴轴心同心；先加工工件中心微透镜，主轴控制工件以一定转速自由旋转，金刚石圆弧车刀在沿加工轨迹曲线从球面或非球面微透镜边缘向回转中心移动，时刻保持车刀圆弧面与微透镜加工轨迹曲线相切，通过X、Z两轴联动实现中心微透镜阵列高精度快速成型；调节X向和Y向精密位移平台，将第N个微透镜阵列轴心调节至与机床主轴重合，直到完成整个面内微透镜阵列的加工，得到最终的微透镜阵列。

Description

一种微透镜阵列两轴联动加工方法

技术领域

本发明涉及一种微透镜阵列加工方法，具体涉及一种微透镜阵列两轴联动加工方法。

背景技术

微透镜阵列作为一种典型的光学微结构，是指由直径10μm到1mm的微透镜单元按特定的形状排列组长的微结构阵列。与传统的平面镜以及非球面透镜相比，微透镜阵列具有单元尺寸小、集成程度高、质量轻等优点。能应用到许多新型的光学系统中，实现传统透镜无法实现的新功能，因此在民用和国防领域有着越来越重要的作用。微透镜阵列的加工方法主要有光刻胶热熔法、飞秒激光酸刻蚀法、反应离子束刻蚀技术、压印痕法等。但这些技术还不成熟，存在加工成本高、加工周期长、加工精度不高、加工一致性较差和材料选择性差等缺点。超精密加工是目前实现高精度、小尺度和大面积微透镜阵列加工的主要方法。

目前，微透镜阵列的超精密加工方法有超精密慢刀伺服车削加工和超精密铣削加工两种加工方法。超精密慢刀伺服切削加工是通过X、Z两个直线进给轴和一个旋转轴C轴三种联动，利用单点金刚石车刀实现微透镜阵列的形貌创成。而超精密铣削是以单刃金刚石球头铣刀作为刀具，在超精密机床上增加一个铣削轴，三个机床轴X、Z和C轴用于刀具定位来实现大面积微透镜阵列的切削。虽然这两种加工方法都可以实现高质量微透镜阵列的加工。但由于刀具后角的影响，慢刀伺服车削加工不能加工大深径比微透镜阵列，由于Z轴加速度的限制，加工效率非常低，并且由于刀具角度的问题，超精密慢刀伺服切削加工几乎无法实现凸透镜阵列的加工。而超精密铣削加工虽然不受刀具后角的影响，可以实现大深径比微透镜阵列的加工，但需增加一个高精度的铣削轴。

发明内容

本发明的目的是为解决传统的慢刀伺服车削加工和超精密铣削加工微透镜阵列过程中存在的技术问题，实现高效率、低成本、高精度的大深径比微透镜阵列的加工，提出一种微透镜阵列两轴联动加工方法，通过简单的两轴联动实现大面积高质量微透镜阵列的加工。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种微透镜阵列的加工方法，所用设备为五轴超精密机床，通过在机床主轴上安装精密位移平台来实现微透镜阵列的两轴联动超精密加工，包括以下步骤：

步骤1：在机床主轴上安装精密回转底座，在精密回转底座行安装X向精密位移平台，在X向精密位移平台上安装Y向精密位移平台，将回转工件固定在Y向精密位移平台上，X向、Y向精密平台分别用于两个轴向的精密进给，调节回转工件相对机床主轴的位置；

步骤2：调节回转工件相对于主轴的偏心量，使回转工件轴心与主轴轴心同心，跳动误差小于1μm；

步骤3：加工工件中心微透镜，主轴控制工件以设定的转速自由旋转，金刚石圆弧车刀在沿加工轨迹曲线从球面或非球面微透镜边缘向回转中心移动，时刻保持车刀圆弧面与加工轨迹曲线相切，通过五轴超精密机床的X、Z两轴联动实现中心微透镜阵列高精度快速成型。

步骤4：调节X向和Y向精密平台，将第N个微透镜阵列轴心调节至与机床主轴重合，重复步骤3，直到完成整个面内微透镜阵列的加工，得到最终的微透镜阵列。

作为进一步的技术方案，所述的步骤3中微透镜阵列包括但不限于球面微透镜阵列、非球面微透镜阵列，微透镜排布方式包括但不限于四边形排布微透镜阵列、六边形排布微透镜阵列。

作为进一步的技术方案，步骤2中的回转工件相对主轴的偏心量使用电子测微仪来调节；

作为进一步的技术方案，步骤1中所述精密位移平台量程在几十毫米范围，分辨率为一微米级；

作为进一步的技术方案，步骤3所述的单点金刚石车刀轮廓为圆弧形，车刀前刀面需调节至与微透镜阵列横截面平行。

作为进一步的技术方案，将步骤4中所述的微透镜阵列进行编号，计算每个微透镜单元与中心透镜的相对距离，利用X、Y两个精密位移平台将每个微透镜单元移动至与主轴中心重合，重复步骤3，直至完成整个面内的微透镜阵列的加工，得到所需的完整微透镜阵列。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供一种微透镜阵列的加工方法，该方法通过在机床主轴上安装X向和Y向精密位移平台，实现工件相对机床主轴的精密位移进给，从而实现微透镜阵列的两轴联动超精密车削加工。解决传统慢刀伺服车削加工存在的刀具后角的限制、加工路径优化问题以及加工效率低等问题，超精密铣削需要X轴、Z轴、C轴和一个高精铣削轴，加工成本过高等问题。可以高效实现大深径比微透镜阵列的超精密车削加工。

(2)本发明为一般慢刀伺服加工及超精密铣削加工几乎无法实现的凸透镜阵列加工提供了解决方法。

(3)本发明不单纯可以实现球面微透镜阵列的超精密加工，更一般可以实现其他规则轮廓曲线的微透镜阵列加工，例如非球面微透镜阵列。

(4)微透镜阵列的慢刀伺服车削加工，需要根据每个透镜在阵列排布中的位置判断当前切削点在X-Y平面上的投影点在阵列分布中的坐标，从而计算刀具切削轨迹，因而刀具轨迹坐标计算复杂，加工效率低下。本发明无需进行复杂的轨迹坐标计算，只需简单的通过精密位移平台来调节每个微透镜阵列相对工件主轴的位置，就能实现整个面内的微透镜阵列的加工。

附图说明

图1是具体实施例中，四边形排布非球面微透镜阵列结构示意图。

图2是具体实施例中，六边形排布球面微透镜阵列结构示意图。

图3是具体实施例中，微结构阵列位置调节装置示意图。

图4是具体实施例中，工件相对机床主轴跳动误差校正示意图。

图5是具体实施例中，对刀误差校正示意图

图6是具体实施例中，车削过程单点金刚石车刀运动轨迹示意图。

图中：1机床主轴,2精密回转底座，3精密位移平台、4精密位移平台，5回转工件，6电子测微仪，7CCD显微镜，8金刚石车刀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

结合附图发明作进一步说明。

常见的微透镜阵列包括球面和非球面微透镜阵列，阵列排列形式主要包括四边形排布和六边形排布。

实施例1：

本实施例加工如图1所示的5X5四边形排布的非球面微透镜阵列，阵列结构单元横截面曲线即加工轨迹曲线，加工轨迹曲线可用下式描述：

式中：R为高次曲线的顶点圆半径，K是圆锥系数。图1中r为单元微透镜开口半径，H为球冠高。

具体的加工方法如下，所用设备为五轴超精密机床，通过在机床主轴上安装精密位移平台来实现微透镜阵列的两轴联动超精密加工，包括以下步骤：

步骤1：如图3所示在机床主轴1上依次安装精密回转底座2、精密位移平台3、精密位移平台4和回转工件5；具体的，精密回转底座2固定在机床主轴1上，精密位移平台3固定在精密回转底座2上，精密位移平台4固定在精密位移平台3上，且精密位移平台4与精密位移平台3的运动方向相互垂直，精密位移平台3用于工件X轴方向的精密进给，精密位移平台4用于工件Y轴方向的精密进给。回转工件5安装在精密位移平台4上。

为了保证精密位移平台与机床主轴平面处于严格的水平状态，安装回转夹具2之前，需要将精密回转底座2上、下两个平面进行超精密车削，保证回转夹具2安装于机床主轴1后，夹具上表面平面度误差小于1μm。然后将精密位移平台3的下表面紧贴回转夹具2的上表面，精密位移平台4的下表面紧贴位移平台3的上表面，以保证精密位移平台4的上表面与机床主轴平面处于严格的水平状态。本实施例中优选的精密位移平台具有粗调精调功能，粗调的行程较大，但是分辨率较低，可以实现工件得快速初步定位，最小分辨率为0.01mm。精调的行程较小，分辨率在0.0005mm，可以实现工件的精确定位。通过X向和Y向精密位移平台的精密进给，实现工件相对于主轴中心的相对位置精确控制。

步骤2：如图所示，为了保证每个微透镜相对位置的准确性，精密位移平台和回转工件固定后，需要首先利用电子测微仪6将工件回转中心调节至与机床主轴中心重合，跳动误差小于1μm，以工件回转中心为基准对每个微透镜位置进行精密调节。调节好后对回转工件5进行平整加工，本实例中优选采用单点金刚石车刀对回转工件5进行平面车削。

步骤3：如图所示先加工工件中心的微透镜，主轴控制工件以一定转速N(N表示转速值)自由旋转，金刚石圆弧车刀在沿加工轨迹曲线从非球面微透镜边缘向回转中心移动，时刻保持车刀圆弧面与加工轨迹曲线相切，通过五轴超精密机床的X、Z两轴联动实现中心微透镜阵列高精度快速成型。进给方式采用多次车削进给的方式，即车削总深度为H微透镜单元，通过多次车削进给、每次车削进给深度h的方式实现。由于微透镜结构尺寸通常为微米级，Z方向1μm的对刀误差通常会造成微透镜7-8μm的口径误差，需要对对刀误差进行精度校准。作为本实例的一个优选的实施方式，误差校正的具体过程为:利用金刚石车刀8在回转工件表面靠近圆心位置加工出一个环形圆弧凹槽。通过在位CCD显微镜7测量圆弧凹槽的宽度b，根据金刚石车刀的圆弧半径r₁以及圆弧凹槽的宽度b就可以计算出圆弧凹槽的深度h，该深度即为对刀误差。

步骤4：将微透镜阵列进行编号，以中心微透镜为基准，计算每个微透镜单元与中心透镜的相对距离，调节X向和Y向精密平台，将第N个微透镜阵列轴心调节至与机床主轴重合，重复步骤3，直至完成整个面内的微透镜阵列的加工，得到所需的完整微透镜阵列。

通过以上加工方法，利用五轴超精密机床的X、Y两轴联动就能能够实现大深径比微透镜阵列高效率、低成本、高精度的加工。

实施例2

本实施例的加工装置以及加工方法与实施例1完全相同，在此不进行赘述了，其与实施例1的区别在于加工的阵列不同。本实施例以如图2的球面微透镜阵列为例说明，通过两轴联动加工如图2所示的六边形排列的球面微透镜阵列。图2中r为单元微透镜开口半径，H为球冠高，R为球半径。阵列结构单元横截面曲线即加工轨迹曲线为圆弧曲线，金刚石圆弧车刀在沿加工轨迹曲线从球面微透镜边缘向回转中心移动，时刻保持车刀圆弧面与加工轨迹曲线相切，通过机床的X、Z两轴联动实现中心微透镜阵列高精度快速成型。

完整六边形阵列的成形加工类似于上述实例1中5X5四边形非球面微透镜阵列的加工，在此不进行赘述了。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在机床主轴上安装精密回转底座，在精密回转底座行安装X向精密位移平台，在X向精密位移平台上安装Y向精密位移平台，将回转工件固定在Y向精密位移平台上，X向、Y向精密平台分别用于两个轴向的精密进给，调节回转工件相对机床主轴的位置；

步骤2：调节回转工件相对于主轴的偏心量，使回转工件轴心与机床主轴轴心同心；

步骤3：加工工件中心微透镜，主轴控制工件以设定的转速自由旋转，金刚石圆弧车刀在沿加工轨迹曲线从球面或非球面微透镜边缘向回转中心移动，时刻保持车刀圆弧面与加工轨迹曲线相切，通过机床的X、Z两轴联动实现中心微透镜阵列高精度快速成型；

步骤4：调节X向精密位移平台和Y向精密位移平台，将第N个微透镜阵列轴心调节至与机床主轴重合，重复步骤3，直到完成整个面内微透镜阵列的加工，得到最终的微透镜阵列。

2.如权利要求1所述的微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，所述的步骤3中微透镜阵列包括但不限于球面微透镜阵列、非球面微透镜阵列；微透镜排布方式包括但不限于四边形排布微透镜阵列、六边形排布微透镜阵列。

3.如权利要求1所述的微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，所述步骤2中的回转工件相对主轴的偏心量使用电子测微仪来调节。

4.如权利要求1所述的微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，步骤2中回转工件轴心与机床主轴的跳动误差小于1μm。

5.如权利要求1所述的微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，所述步骤1中所述X向精密位移平台和Y向精密位移平台的量程在几十毫米范围，分辨率为一微米级。

6.如权利要求1所述的微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，所述步骤3所述的单点金刚石车刀轮廓为圆弧形，车刀前刀面需调节至与微透镜阵列横截面平行。

7.如权利要求1所述的微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，将步骤4中所述的微透镜阵列进行编号，计算每个微透镜单元与中心透镜的相对距离，利用X向精密位移平台和Y向精密位移平台将每个微透镜单元移动至与主轴中心重合，重复步骤3，直至完成整个面内的微透镜阵列的加工，得到所需的完整微透镜阵列。

8.如权利要求1所述的微透镜阵列两轴联动加工方法，其特征在于，所述的加工轨迹曲线为微透镜阵列中单元的横截面曲线。

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