[發明專利]一種微透鏡陣列兩軸聯動加工方法

有效

• 申請號: 202110332331.5
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN112935849B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 姚鵬;于世孟;孫旭峰;周嘉斌;黃傳真;鄒斌;褚東凱
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B23Q1/26
• 分類號: B23Q1/26;B23Q5/22;B23Q15/06
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發明公開了一種微透鏡陣列兩軸聯動加工方法，包括：在機床主軸上安裝精密回轉底座、X向、Y向精密位移平臺、回轉工件，X向、Y向精密平臺分別用于兩個軸向的精密進給，調節回轉工件相對機床主軸的位置，使回轉工件軸心與機床主軸軸心同心；先加工工件中心微透鏡，主軸控制工件以一定轉速自由旋轉，金剛石圓弧車刀在沿加工軌跡曲線從球面或非球面微透鏡邊緣向回轉中心移動，時刻保持車刀圓弧面與微透鏡加工軌跡曲線相切，通過X、Z兩軸聯動實現中心微透鏡陣列高精度快速成型；調節X向和Y向精密位移平臺，將第N個微透鏡陣列軸心調節至與機床主軸重合，直到完成整個面內微透鏡陣列的加工，得到最終的微透鏡陣列。

技術領域

本發明涉及一種微透鏡陣列加工方法，具體涉及一種微透鏡陣列兩軸聯動加工方法。

背景技術

微透鏡陣列作為一種典型的光學微結構，是指由直徑10μm到1mm的微透鏡單元按特定的形狀排列組長的微結構陣列。與傳統的平面鏡以及非球面透鏡相比，微透鏡陣列具有單元尺寸小、集成程度高、質量輕等優點。能應用到許多新型的光學系統中，實現傳統透鏡無法實現的新功能，因此在民用和國防領域有著越來越重要的作用。微透鏡陣列的加工方法主要有光刻膠熱熔法、飛秒激光酸刻蝕法、反應離子束刻蝕技術、壓印痕法等。但這些技術還不成熟，存在加工成本高、加工周期長、加工精度不高、加工一致性較差和材料選擇性差等缺點。超精密加工是目前實現高精度、小尺度和大面積微透鏡陣列加工的主要方法。

目前，微透鏡陣列的超精密加工方法有超精密慢刀伺服車削加工和超精密銑削加工兩種加工方法。超精密慢刀伺服切削加工是通過X、Z兩個直線進給軸和一個旋轉軸C軸三種聯動，利用單點金剛石車刀實現微透鏡陣列的形貌創成。而超精密銑削是以單刃金剛石球頭銑刀作為刀具，在超精密機床上增加一個銑削軸，三個機床軸X、Z和C軸用于刀具定位來實現大面積微透鏡陣列的切削。雖然這兩種加工方法都可以實現高質量微透鏡陣列的加工。但由于刀具后角的影響，慢刀伺服車削加工不能加工大深徑比微透鏡陣列，由于Z軸加速度的限制，加工效率非常低，并且由于刀具角度的問題，超精密慢刀伺服切削加工幾乎無法實現凸透鏡陣列的加工。而超精密銑削加工雖然不受刀具后角的影響，可以實現大深徑比微透鏡陣列的加工，但需增加一個高精度的銑削軸。

發明內容

本發明的目的是為解決傳統的慢刀伺服車削加工和超精密銑削加工微透鏡陣列過程中存在的技術問題，實現高效率、低成本、高精度的大深徑比微透鏡陣列的加工，提出一種微透鏡陣列兩軸聯動加工方法，通過簡單的兩軸聯動實現大面積高質量微透鏡陣列的加工。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供了一種微透鏡陣列的加工方法，所用設備為五軸超精密機床，通過在機床主軸上安裝精密位移平臺來實現微透鏡陣列的兩軸聯動超精密加工，包括以下步驟：

步驟1：在機床主軸上安裝精密回轉底座，在精密回轉底座行安裝X向精密位移平臺，在X向精密位移平臺上安裝Y向精密位移平臺，將回轉工件固定在Y向精密位移平臺上，X向、Y向精密平臺分別用于兩個軸向的精密進給，調節回轉工件相對機床主軸的位置；

步驟2：調節回轉工件相對于主軸的偏心量，使回轉工件軸心與主軸軸心同心，跳動誤差小于1μm；

步驟3：加工工件中心微透鏡，主軸控制工件以設定的轉速自由旋轉，金剛石圓弧車刀在沿加工軌跡曲線從球面或非球面微透鏡邊緣向回轉中心移動，時刻保持車刀圓弧面與加工軌跡曲線相切，通過五軸超精密機床的X、Z兩軸聯動實現中心微透鏡陣列高精度快速成型。

步驟4：調節X向和Y向精密平臺，將第N個微透鏡陣列軸心調節至與機床主軸重合，重復步驟3，直到完成整個面內微透鏡陣列的加工，得到最終的微透鏡陣列。

作為進一步的技術方案，所述的步驟3中微透鏡陣列包括但不限于球面微透鏡陣列、非球面微透鏡陣列，微透鏡排布方式包括但不限于四邊形排布微透鏡陣列、六邊形排布微透鏡陣列。