CN113369949A - 一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，该装置包括：超精密车削机床、刨削运动装置和真空吸附系统，刨削运动装置设置于超精密车削机床的X轴进给平台上，Y轴工作台设置于主轴平面上，真空吸附系统设置于Z轴进给平台上，Z轴进给平台与X轴进给平台位于同一平面内且相互垂直，X轴进给平台和Z轴进给平台呈T型分布。数控系统控制刨削运动装置带动刨削面板移动并切削。本发明属于超精密加工领域，可实现刨削单次加工切削深度的控制，金刚石刨削车刀在X轴和Z轴进给加工阵列微结构时，单次切削深度的变化可实现同曲面结构的大矢高凸球柱面微透镜阵列；同时在微透镜阵列的超精密加工中能实现高效率、高质量的效果。

Description

一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置

技术领域：

本发明涉及超精密机械加工技术领域，具体涉及一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置。

背景技术：

随着现代技术的发展，微透镜阵列光学元件已经广泛用于激光整形，均匀照明等多种场合。这是一种基于微透镜阵列的折射型光学元件，与衍射光学元件相比其光能利用率更高，不会产生多级衍射现象，因而在一些高端应用场景都被优先采用。在光刻机照明系统中，均匀照明是保证曝光线条线宽均匀一致的一项重要技术。通常，用于光刻机照明系统的匀光元件有积分棒、衍射光学元件和微透镜阵列。其中微透镜阵列出射孔径角较大，可以实现大面积照明，其匀光基于折射原理，能避免高阶衍射造成较大的能量损耗，而且能保持光的偏振特性。其中大矢高阵列微结构具有矢高大、接缝小、面形精度高的特点，造成了加工难度非常大，加工效率低。

目前针对微透镜阵列的加工通常采用基于曝光、显影、刻蚀等类似半导体生产的工艺。主要包括灰度掩模光刻、电子束刻蚀技术、光刻胶-熔融技术、离子交换技术等加工工艺，这些加工方法大多难以高效率的加工大矢高凸球柱面微透镜阵列。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，用于实现微米级的大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工，为超精密车削机床上加工大矢高凸球柱面微透镜阵列提供了一种新的加工方法，使大矢高凸柱面阵列微结构的加工效率大大提高。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，包括超精密车削机床、刨削运动装置、真空吸附系统；

所述超精密车削机床包括机架、支撑台、主轴、X轴进给平台和Z轴进给平台，所述X轴进给平台和所述Z轴进给平台位于同一平面内且相互垂直；所述主轴通过支撑台设置于所述X轴进给平台上，所述真空吸附系统设置于所述Z轴进给平台上；

Y轴工作台设置于所述主轴的主轴平台上，所述刨削运动装置设置于所述Y轴工作台上；

所述Z轴进给平台包括Z轴滑轨和Z轴滑块，所述Z轴滑轨设置于所述机架上，所述Z轴滑轨与所述Z轴滑块相匹配，所述Z轴滑块上设置有一安装板，所述安装板上设置有一Z轴工作台，所述Z轴工作台能沿着Z轴移动，所述真空吸附系统包括真空泵和真空吸附面板，所述真空吸附面板设置在所述Z轴工作台上，工件通过真空泵固定在所述真空吸附面板；

所述刨削运动装置通过所述超精密车削机床的Y轴与数控系统连接，数控系统能够控制所述超精密车削机床的X轴运动从而带动刨削运动装置上的金刚石刨削刀具移动且能够控制所述工件的刨削加工。进一步的，所述刨削运动装置包括刨削安装面板、刨削刀具燕尾槽、刨削刀具燕尾和所述金刚石刨削刀具，所述金刚石刨削刀具与刨削刀具燕尾相连，所述刨削刀具燕尾与刨削刀具燕尾槽相连，所述刨削刀具燕尾槽安装在刨削安装面板，所述刨削安装面板安装在所述Y轴工作台上。

进一步的，所述X轴进给平台包括X轴滑轨和X轴滑块，所述X轴滑轨设置于机架上，所述X轴滑轨与所述X轴滑块相匹配，所述X轴滑块上设置有一连接板，所述支撑台位于所述连接板上且所述支撑台的两侧分别通过一压块固定于连接板上。

进一步的，所述主轴为空气主轴。

进一步的，所述金刚石刨削刀具为仿形刀具，该刀具的刀尖形状与大矢高凸球柱面微透镜阵列的单元结构的外轮廓形状相匹配。

进一步的，所述金刚石刨削刀具进给量在微米级。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置集成了超精密车削装置和超精密刨削技术，可实现刨削加工中金刚石刨削车刀单次切削深度的控制，并且一次性成型大矢高凸球柱面微透镜阵列，同时该刨削加工在大矢高凸球柱面微透镜阵列加工中兼具高效率的优点。

附图说明:

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的超精密刨削加工过程示意图；

图2为本发明的大矢高凸柱面阵列微结构的超精密刨削加工过程示意图；

图3为本发明的刨削刀具运动系统的装置图；

图4为本发明中的金刚石刨削刀具刀尖示意图；

图5为真空吸附装置面板示意图；

图6为工件的表面形貌示意图。

附图中标记及对应零部件名称；

1-安装框架，2-刨削安装面板，3-刨削刀具燕尾槽，4-金刚石刨削刀具，5-刨削刀具燕尾，6-主轴，7-连接板，8-超精密车削机床，9-Z轴工作台，10-真空吸附面板，11-工件。

具体实施方式：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种加工大矢高凸球柱面微透镜阵列的超精密加工装置，以解决现有技术存在的问题，使微透镜阵列的加工方式多样化，工作效率提高且运动精度和稳定性好。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，包括超精密车削机床8、刨削运动装置、真空吸附系统；

所述超精密车削机床包括机架、主轴6、X轴进给平台和Z轴进给平台，所述X轴进给平台和所述Z轴进给平台位于同一平面内且相互垂直；所述主轴6设置于所述X轴进给平台上，所述真空吸附系统设置于所述Z轴进给平台上；

Y轴工作台设置于所述主轴的主轴平台上，所述刨削运动装置设置于所述Y轴工作台上；其中，所述超精密车削机床采用三轴超精密车削机床，机床可以达到切削深度为1μm的分辨率要求。

所述Z轴进给平台包括Z轴滑轨和Z轴滑块，所述Z轴滑轨设置于所述机架上，所述Z轴滑轨与所述Z轴滑块相匹配，所述Z轴滑块上设置有一安装板，所述安装板上设置有一Z轴工作台9，所述Z轴工作台9能沿着Z轴移动，所述真空吸附系统包括真空泵和真空吸附面板10，所述真空吸附面板10设置在所述Z轴工作台9上，工件11通过真空泵固定在所述真空吸附面板，该面板如图5所示；将长*宽为10mm*10mm、厚为2mm的方形PMMA工件装夹于可作直线进给的Z轴工作台，根据所要求加工台阶高度为0.578μm。

所述刨削运动装置通过所述超精密车削机床的Y轴与数控系统连接，数控系统能够控制所述超精密车削机床的X轴运动从而带动刨削运动装置上的金刚石刨削刀具4移动且能够控制所述工件的刨削加工。进一步的，所述刨削运动装置通过安装框架1设置在所述Y轴工作台上，所述刨削运动装置包括刨削安装面板2、刨削刀具燕尾槽3、刨削刀具燕尾5和所述金刚石刨削刀具4，所述金刚石刨削刀具4与刨削刀具燕尾5相连，所述刨削刀具燕尾5与刨削刀具燕尾槽3相连，所述刨削刀具燕尾槽3安装在刨削安装面板2，所述刨削安装面板2安装在所述Y轴工作台上。其中，所述金刚石刨削刀具4通过螺栓和螺纹孔安装在刨削刀具燕尾槽3，所述刨削安装面板2上的螺纹孔可以控制金刚石刨削刀具4安装位置。

进一步的，超精密车削机床还包括支撑台，所述主轴通过支撑台设置于所述X轴进给平台上。

进一步的，所述X轴进给平台包括X轴滑轨和X轴滑块，所述X轴滑轨设置于机架上，所述X轴滑轨与所述X轴滑块相匹配，所述X轴滑块上设置有一连接板7，所述支撑台位于所述连接板上且所述支撑台的两侧分别通过一压块固定于连接板上。

进一步的，所述主轴6为空气主轴。

进一步的，所述金刚石刨削刀具4为仿形刀具，如图4所示，该刀具的刀尖形状与大矢高凸球柱面微透镜阵列的单元结构的外轮廓形状相匹配。

进一步的，所述金刚石刨削刀具4进给量在微米级。

本发明中，超精密车削机床包括主轴，所述主轴6上设置刨削安装刀盘，所述刨削安装刀盘上有刀架，包括燕尾槽和燕尾，所述刀架上安装金刚石刨削车刀，被加工零件固定在Z轴上的真空吸附盘，金刚石刨削车刀与X轴运动系统形成联动。超精密加工中工件一般是通过真空吸附在真空吸附盘上。

本发明还提供了一种用于大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置的刨削加工方法，包括以下步骤：

第一步，单点金刚石车削加工，如图1所示：在加工环境精确控制的条件下，以超精密数控车削机床作为加工平台，将金刚石车刀安装在超精密车床的Z轴位置，工件安装在超精密车床的主轴上随着主轴旋转，刀具沿着X轴进给，按照普通车削方式加工出高精度的表面，设置X轴的进给速度及Z轴的进给速度，完成车削加工工艺，得到加工的高精度表面区域；

第二步，大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工，如图2所示：在完成第一步后，将刨削加工的工装安装在超精密车床，刨削刀架安装在面板上，将刨削刀架安装在机床主轴，真空吸附系统安装在机床Z轴，工件通过真空吸附系统安装在机床Z轴，重新设置X轴的进给速度，根据所要求大矢高凸球柱面微透镜阵列的尺寸设置X轴的进给速度及Z轴的进给速度，并进行大矢高凸球柱面微透镜阵列的加工；在本步骤中，由于金刚石刨削刀具刀尖与大矢高凸球柱面微透镜阵列的单元结构外轮廓形状相同，因此可以一次性加工出所需阵列的单位结构；

第三步，完成一次刨削的切除后，将Z轴进给一个柱状阵列的距离，然后刀具从工件最左边重复进行刨削，反复加工，直到加工完成所有的大矢高凸球柱面微透镜阵列表面结构。

本发明详细实施过程中，工件11的表面形貌变化如图6所示。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术和方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，其特征在于：该刨削加工装置包括超精密车削机床、刨削运动装置、真空吸附系统；

所述超精密车削机床包括机架、支撑台、主轴、X轴进给平台和Z轴进给平台，所述X轴进给平台和所述Z轴进给平台位于同一平面内且相互垂直；所述主轴通过支撑台设置于所述X轴进给平台上，所述真空吸附系统设置于所述Z轴进给平台上；

Y轴工作台设置于所述主轴的主轴平台上，所述刨削运动装置设置于所述Y轴工作台上；

所述Z轴进给平台包括Z轴滑轨和Z轴滑块，所述Z轴滑轨设置于所述机架上，所述Z轴滑轨与所述Z轴滑块相匹配，所述Z轴滑块上设置有一安装板，所述安装板上设置有一Z轴工作台，所述Z轴工作台能沿着Z轴移动，所述真空吸附系统包括真空泵和真空吸附面板，所述真空吸附面板设置在所述Z轴工作台上，工件通过真空泵固定在所述真空吸附面板；

所述刨削运动装置通过所述超精密车削机床的Y轴与数控系统连接，数控系统能够控制所述超精密车削机床的X轴运动从而带动刨削运动装置上的金刚石刨削刀具移动且能够控制所述工件的刨削加工。

2.根据权利要求1所述的一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，其特征在于：

所述刨削运动装置包括刨削安装面板、刨削刀具燕尾槽、刨削刀具燕尾和所述金刚石刨削刀具，所述金刚石刨削刀具与刨削刀具燕尾相连，所述刨削刀具燕尾与刨削刀具燕尾槽相连，所述刨削刀具燕尾槽安装在刨削安装面板，所述刨削安装面板安装在所述Y轴工作台上。

3.根据权利要求2所述的一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，其特征在于：

所述X轴进给平台包括X轴滑轨和X轴滑块，所述X轴滑轨设置于机架上，所述X轴滑轨与所述X轴滑块相匹配，所述X轴滑块上设置有一连接板，所述支撑台位于所述连接板上且所述支撑台的两侧分别通过一压块固定于连接板上。

4.根据权利要求1所述的一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，其特征在于：

所述主轴为空气主轴。

5.根据权利要求2所述的一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，其特征在于：

所述金刚石刨削刀具为仿形刀具，该刀具的刀尖形状与大矢高凸球柱面微透镜阵列的单元结构的外轮廓形状相匹配。

6.根据权利要求1所述的一种大矢高凸球柱面微透镜阵列的刨削加工装置，其特征在于：

所述金刚石刨削刀具进给量在微米级。

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