[發明專利]一種移軸對中式微透鏡陣列加工裝置及方法

有效

• 申請號: 202110392029.9
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113210636B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 張鑫泉;王震東;任明俊;張哲;朱利民
• 申請（專利權）人: 霖鼎光學（上海）有限公司
• 主分類號: B23B5/00
• 分類號: B23B5/00;B23B25/06;B28D1/16;B28D5/00
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所(普通合伙) 31233
• 代理人: 錢文斌;宋纓

本發明涉及一種移軸對中式微透鏡陣列加工裝置和方法，裝置包括基座，所述基座上安裝有移動方向相互垂直設置的機床X軸和機床Y軸，所述機床X軸的滑臺上設置有機床Z軸，所述機床Z軸的移動方向分別與所述機床X軸和機床Y軸垂直，所述機床Z軸上設置有機床B軸，所述機床Y軸上設置有機床C軸，其特征在于，所述機床B軸表面固定有加工刀具；所述機床C軸表面固定有真空吸盤，所述真空吸盤表面固定有控制模塊，所述控制模塊上安裝有二維定位模塊，所述二維定位模塊上安裝有工件夾具；所述二維定位模塊用于調整工件夾具上的待加工工件與所述機床C軸的相對位置。本發明能夠提高微透鏡陣列的加工效率，且每個微透鏡單元的加工質量統一。

技術領域

本發明涉及超精密加工技術領域，特別是涉及一種移軸對中式微透鏡陣列加工裝置及方法。

背景技術

微透鏡陣列是指一定微透鏡形貌規則陣列分布后得到的具有特定光學性能的微結構表面，被廣泛應用于照明、光束整形、光學成像等光電領域。目前微結構表面的加工方式主要包括光刻技術、高能束制造技術、特種能場加工技術以及超精密機械加工技術。光刻技術是利用曝光技術在光刻膠表面形成所需的幾何結構圖形，再通過刻蝕方法將圖形復刻到基底上，該方法具有較高的制造分辨率，但通常只適用于二元結構的加工制造，且設備成本較高。高能束制造技術是指利用包括激光束、電子束、離子束等高密度能量束改變材料的局部幾何與物理特性，從而加工出滿足設計形狀和設計性能的工件，該方法的加工精度也很高，但是相對加工效率較低，無法應用于大尺寸微透鏡陣列的加工。特種能場加工使用包括超聲、微波、電磁場等方式輔助加工，可以減小切削力，提高切削效率，適用于硬脆材料的加工，但是由于目前相關理論研究以及控制機理的不完善，尚無法適用于復雜三維微結構表面的加工制造。

超精密機械加工技術是目前發展最為成熟，應用最為廣泛的一種微結構表面制備方式，即可用于特定光學材料表面微結構的直接加工，也可用于制備批量化復制所用超精密模具。基于金剛石刀具的超精密機械加工已被用于球面、非球面、自由曲面等微結構的制備，可以實現精度高于0.1um，表面粗糙度小于10nm的加工質量。目前，可應用于微透鏡陣列加工的超精密機械加工方式主要有超精密銑削以及基于單點金剛石車削的慢刀伺服和快刀伺服三種方法，以上方法的不同之處在于產生切削速度的原理不同。

超精密銑削使用的是額外的高精度氣浮主軸，使小直徑的球頭銑刀高速回轉從而實現材料去除，通常需要三個機床運動軸實現金剛石刀具銑削頭移動路徑的控制，以螺旋線刀具軌跡進行切削進給。超精密微銑削具有較高的加工靈活性，實際可用于制備陡坡或者非連續結構，非球面，非旋轉對稱透鏡以及其他的自由曲面。在使用超精密銑削加工微透鏡陣列時，每一個微透鏡單元都作為獨立的結構進行加工，加工過程穩定，因此得到的微透鏡陣列中的每一個微透鏡單元的加工質量一致。然而為了保證一定的表面粗糙度，對金剛石銑削頭的移動速度有較大限制，相比于車削等其他超精密機械加工技術，三軸微銑削的缺點是需要較長的加工時間，加工效率較低，也因此無法加工結構復雜尺寸較大的微透鏡陣列。

單點金剛石車削加工精度高，對刀方便，加工效率高，但是通常只能應用于制造旋轉對稱結構的元器件，被認為無法直接加工微透鏡陣列等非旋轉對稱結構。為此，發展出了基于單點金剛石車削的慢刀伺服和快刀伺服加工方法。微透鏡陣列的三維結構具有高頻的不對稱特征，并非旋轉對稱，只能看作自由曲面進行加工。加工自由曲面時，從微結構表面到參考面比如球面的深度差范圍通常在幾微米到幾毫米，此時可以用具有額外行程的刀具進行加工。通過同步金剛石刀具在額外行程上的運動位置與機床工件主軸的角度位置，在刀具切削到工件不同位置時，實時改變刀具的進給量，從而切削得到所需的自由曲面。如果刀具的運動頻率相對較低，刀具的額外行程可以通過機床自身的進給軸實現，如果變化頻率較高，則需要使用額外的低慣量運動刀架也就是快刀伺服方式。這兩種方式的優點是加工效率相對較高，可加工某些復雜結構的微透鏡陣列。然而，相同轉速情況下由于旋轉半徑的變化會導致刀具的切削速度也不斷改變，對快刀伺服的跟蹤頻率要求會越來越高，因此在加工大尺寸微透鏡陣列時會出現跟蹤精度變化，跟蹤帶寬不足等問題。此外，該方式所需的設備成本較高，經濟性較差。