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ballbet贝博网页:超精细加工技能的开展及运用

  发布时间:2021-09-10 07:47:51 | 来源:ballbet贝博 作者:ballbet贝博沃尔夫斯堡

  超精细加工技能的开展及运用 1 微光学概述 1.1 界说与称号微光学是一门归于多门前沿学科穿插范畴的新式科学。 微光学借助于微电子 工业技能的最新研讨成果,是国际上最前沿研讨方向之一,并具有广泛的运用出路。微光学 元件(MOC) ,指面形精度可达亚微米级,外表粗糙度可达纳米级的自在光学曲面及微结构 光学元件。自在光学曲面包含有反转轴的反转非球面(如抛物面、渐开面等) ,和没有任何 对称轴的非反转非球面,如 Zernike 像差方程曲面。微结构是指具有特定功用的细小外表拓 扑形状,如凹槽、微透镜阵列等,的微金字塔结构外表。这些结构决议了对光线的反射,透 射或衍射功能,便于光学规划者优化光学体系,减轻分量,缩小体积。典型微光学元件如全 息透镜、衍射光学元件(DOE)和梯度折射率透镜等,将这些微光学元件运用在各种光电子 仪器中,可以使光电子仪器及其零部件愈加小型化、阵列化和集成化。 1.2 微光学元件的运用微光学元件是制造小型光电子体系的要害元件,它具有体积小、质 量轻、造价低一级长处,而且可以完成一般光学元件难以完成的细小、阵列、集成、成像和波 面转化等新功用。跟着体系小型化不断的成为一种趋势,简直在所有的工程运用范畴中,无 论是现代国防科学技能范畴, 仍是一般的工业范畴的运用远景。 军用方面, 西方国家在 70 年 代今后研发和出产的军用光电体系,如军用激光设备、热成像设备、微光夜视头盔、红外扫 描设备、导弹引导头和各种变焦镜头,均已在不同程度上选用了非球面光学零件。在一般民 用光电体系方面, 自在非球面零件可以大量地运用到各种光电成像体系中。 如飞机中供给飞 行信息的显现体系;摄像机的取景器、变焦镜头;红外广角地平仪中的锗透镜;录像、录音 用显微物镜读出面;医疗确诊用的直接眼底镜,内窥镜,渐进镜片等。微结构光学元件运用 更是广泛, 如光纤连接器中的微槽结构, 液晶显现屏的微透镜阵列, 及用于激光扫描的 F-theta 镜片,激光头的分光器等,这些微结构光学元件在许多咱们日常运用的产品中都有运用,比 如手机、掌上电脑、CD 和 DVD 等。 1.3 微光学元件加工办法因为受运用需求的驱动, 对微光学元件加工技能的研讨也在不断深 入, 呈现了多种现代加工技能, 如电子束写技能、 激光束写技能、 光刻技能、 蚀刻技能、 LIGA 技能,仿制技能和镀膜技能等,其间最为老练的技能是蚀刻技能和 LIGA 技能。这些技能基 本都是从微电子元器件的微细加工技能开展而来, 但与电子原件不同, 三维成型精度和安装 精度对光学元件来说是至关重要的, 将会直接影响其功能, 因而这些办法各自都有它本身的 缺点和运用的局限性。 如因为视场深度的约束, 光刻技能仅限于二微结构和小深宽比三维结 构的加工;选用献身层蚀刻技能,尽管可以完成准三维加工,但易使资料发生内应力,影响 终究的机械功能,且设备造价十分贵重;LIGA 技能使用的高准直度的 X 射线光源,一般要 经过同步辐射加速器得到, 造价比光刻设备还要高许多, 一般实验室和企业都很难负担得起; 电子束写技能可以加工纳米级的精细结构,但功率低,难以进行批量出产。仿制技能,包含 热压成型法、模压成型法和打针成型法等,是一种适于批量出产的低成本技能,但要求其模 具具有较高精度和耐用性。 微光学元件的另一加工办法是超精细机械加工技能。 最近 “财富” 杂志上有这样一句话: “超精细加工技能对光学元件的效果犹如最初集成电路对电子元件的 效果” 。这句话尽管不无夸大,却说明晰用超精细机械加工技能进行微光学元件的加工现已 引起人们极大的注重。 超精细机械加工技能在微光学元件加工中的运用将在下一节具体论说。 2 超精细机械加工技能在微光学元件加工中的运用 超精细机械加工技能是使用刀具改动资料形状或损坏资料表层, 以切削方法来到达所要求的 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。本节首要叙述超精细机械 加工技能用于加工光学元件及其模具。 2.1 超精细机床要害技能开展核算机辅助规划技能,尤其是有限元分析技能的开展,为超精 密机床全体结构优化规划供给了便当手法, 使得机床刚度和稳定性不断进步。 现在单晶金刚 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,跟着核算机技能的高速开展,超精细机床的一些要害技能,如操控技能、反 馈体系、伺服驱动设备等方面有了很大的前进,进步了超精细机床的加工精度,现在,超精 密已可以直接加工出粗糙度达 1nm 的外表。 这些要害技能的开展归纳起来有以下几个方面: 用天然花岗岩作机床床身, 它具有十分高的热稳定性和机械稳定性; 使用空气绷簧体系隔振; 使用液体或气体静压导轨,使阻尼增大,运动润滑,无冲突;直流直线电机快速驱动体系, 具有较好的动态刚度;高速空气主轴,承载才能高,刚度大,可进步加工精度;开放式核算 机数控技能(CNC) ,便于运用第三方操控软件,进步加工精度;高分辨率检测设备,可以 供给准确的方位反应;使用快速伺服机构,完成多轴体系的宏微结合技能,用以加工杂乱型 面;在线丈量和差错补偿技能,正确丈量工件剩余差错并终究消除差错。 2.2 运用实例电子技能及光学技能的开展, 大大促进了自在非球面及其他非传统几许形状微 结构光学元件的运用。 一些光学规划软件的呈现, 使得光学规划者可以方便地对光学体系进 行功能优化, 但这一起也会使得光学元件变得杂乱, 这就要求微光学元件制造技能可以担任 加工出这些杂乱的光学元件。 对微光学元件规划者和制造者来说, 单晶金刚石超精细加工技 术具有许多优势,比方,可以加工真实的三维结构;加工零件的成形精度达亚微米级;外表 粗糙度达 Ra 值 5nm,有些资料乃至可以到达 1nm;可以加工大深宽比的结构等。因而,在 曩昔十几年内, 超精细加工技能在微光学元件加工中的运用实例也在逐步增多。 如单晶金刚 石超精细加工技能已成功运用于隐形眼镜、棱镜、非球面透镜、微透镜阵列、金字塔微结构 外表、减反射光栅等结构的加工。图 2 所示便是用单晶金刚石车床加工的微结构。尽管超精 密加工技能对某些结构光学元件的加工具有许多长处, 但将超精细加工技能与仿制成型技能 结合起来或许是加工微光学元件最有用的方法, 即用超精细加工技能来加工仿制模具, 然后 使用该模具制造出微光学元件。 用单晶金刚石车床加工光学元件模具, 需求留意挑选适宜的 加工参数,以减小毛刺,下降模具的差错,别的要能加工出适宜的金刚石刀具。用金刚石车 床加工的模具来制造的菲涅尔透镜用于高架投影仪已取得巨大成功。 3 总结

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