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超精密机械加工技术在微光学元件制造中的应用

时间:2018-02-27来源:峥嵘机械浏览次数:

  超精密机械加工技术是利用刀具改变材料形状或破坏材料表层,以切削形式来达到所要求的形状。如单晶金刚石车削与铣削、磨削、快速切削和机械抛光等。本节主要讲述超精密机械加工技术用于加工光学元件及其模具。
  计算机辅助设计技术,尤其是有限元分析技术的发展,为超精密机床整体结构优化设计提供了便利手段,使得机床刚度和稳定性不断提高。目前单晶金刚石车床的典型结构具有“T”型布局结构,主轴一般装在X 向导轨上,刀具装在Z 向导轨上。在近十几年内,随着计算机技术的高速发展,超精密机床的一些关键技术,如控制技术、反馈系统、伺服驱动装置等方面有了很大的进步,提高了超精密机床的加工精度,目前,超精密已能够直接加工出粗糙度达1nm 的表面。这些关键技术的发展概括起来有以下几个方面:用天然花岗岩作机床床身,它具有非常高的热稳定性和机械稳定性;利用空气弹簧系统隔振;利用液体或气体静压导轨,使阻尼增大,运动光滑,无摩擦;直流直线电机快速驱动系统,具有较好的动态刚度;高速空气主轴,承载能力高,刚度大,可提高加工精度;开放式计算机数控技术(CNC),便于应用第三方控制软件,提高加工精度;高分辨率检测装置,可以提供精确的位置反馈;利用快速伺服机构,实现多轴系统的宏微结合技术,用以加工复杂型面;在线测量和误差补偿技术,正确测量工件残余误差并最终消除误差。
  电子技术及光学技术的发展,大大促进了自由非球面及其他非传统几何形状微结构光学元件的应用。一些光学设计软件的出现,使得光学设计者可以方便地对光学系统进行性能优化,但这同时也会使得光学元件变得复杂,这就要求微光学元件制造技术能够胜任加工出这些复杂的光学元件。对微光学元件设计者和制造者来说,单晶金刚石超精密加工技术具有很多优势,比如,能够加工真正的三维结构;加工零件的成形精度达亚微米级;表面粗糙度达Ra 值5nm,有些材料甚至可以达到1nm;能够加 工大深宽比的结构等。因此,在过去十几年内,超精密加工技术在微光学元件加工中的应用实例也在逐渐增多。如单晶金刚石超精密加工技术已成功应用于隐形眼镜、棱镜、非球面透镜、微透镜阵列、金字塔微结构表面、减反射光栅等结构的加工。用单晶金刚石车床加工的微结构。虽然超精密加工技术对某些结构光学元件的加工具有很多优点,但将超精密加工技术与复制成型技术结合起来或许是加工微光学元件最有效的方式,即用超精密加工技术来加工复制模具,然后利用该模具制作出微光学元件。用单晶金刚石车床加工光学元件模具,需要注意选择合适的加工参数,以减小毛刺,降低模具的误差,另外要能加工出合适的金刚石刀具。用金刚石车床加工的模具来制作的菲涅尔透镜用于高架投影仪已获得巨大成功。
  微光学技术的不断发展,对微光学元件制造技术提出了更高的要求,超精密机械加工技术,经过最近十多年来的快速发展,具有很多传统光学制造技术,如光刻技术和LIGA 技术等所不具有的优势:①能加工真正的三维结构,且精度达纳米级;②能在模具上加工浮动对准结构;③能在同一元件上加工出不同深宽比的结构。在微光学制造领域,很多类似产品却是由很多不同方法加工而成的,这说明了微光学制造技术的不成熟性,尽管超精密机械加工技术在微光学元件及其模具加工中的应用具有很多的优点,但也仍是处于初步发展阶段。因此,超精密加工技术还具有很大的发展潜力。我们相信,超精密加工技术与复制成型技术结合,必将会推动微光学及其集成技术的大力发展。

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