2超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件加工中的應(yīng)用

　　超精密機(jī)械加工技術(shù)是利用刀具改變材料形狀或破壞材料表層，以切削形式來達(dá)到所要求的形狀。如單晶金剛石車削與銑削、磨削、快速切削和機(jī)械拋光等。本節(jié)主要講述超精密機(jī)械加工技術(shù)用于加工光學(xué)元件及其模具。

　　2.1超精密機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，尤其是有限元分析技術(shù)的發(fā)展，為超精密機(jī)床整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了便利手段，使得機(jī)床剛度和穩(wěn)定性不斷提高。目前單晶金剛石車床的典型結(jié)構(gòu)具有“T”型布局結(jié)構(gòu)，主軸一般裝在X向?qū)к壣?，刀具裝在Z向?qū)к壣?。在近十幾年?nèi)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，超精密機(jī)床的一些關(guān)鍵技術(shù)，如控制技術(shù)、反饋系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置等方面有了很大的進(jìn)步，提高了超精密機(jī)床的加工精度，目前，超精密已能夠直接加工出粗糙度達(dá)1nm的表面。這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展概括起來有以下幾個(gè)方面：用天然花崗巖作機(jī)床床身，它具有非常高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性；利用空氣彈簧系統(tǒng)隔振；利用液體或氣體靜壓導(dǎo)軌，使阻尼增大，運(yùn)動(dòng)光滑，無摩擦；直流直線電機(jī)快速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有較好的動(dòng)態(tài)剛度；高速空氣主軸，承載能力高，剛度大，可提高加工精度；開放式計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)（CNC），便于應(yīng)用第三方控制軟件，提高加工精度；高分辨率檢測裝置，可以提供精確的位置反饋；利用快速伺服機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多軸系統(tǒng)的宏微結(jié)合技術(shù)，用以加工復(fù)雜型面；在線測量和誤差補(bǔ)償技術(shù)，正確測量工件殘余誤差并最終消除誤差。

　　2.2應(yīng)用實(shí)例

　　電子技術(shù)及光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了自由非球面及其他非傳統(tǒng)幾何形狀微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的應(yīng)用。一些光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)，使得光學(xué)設(shè)計(jì)者可以方便地對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化，但這同時(shí)也會(huì)使得光學(xué)元件變得復(fù)雜，這就要求微光學(xué)元件制造技術(shù)能夠勝任加工出這些復(fù)雜的光學(xué)元件。對微光學(xué)元件設(shè)計(jì)者和制造者來說，單晶金剛石超精密加工技術(shù)具有很多優(yōu)勢，比如，能夠加工真正的三維結(jié)構(gòu)；加工零件的成形精度達(dá)亞微米級(jí)；表面粗糙度達(dá)Ra值5nm，有些材料甚至可以達(dá)到1nm；能夠加

　　工大深寬比的結(jié)構(gòu)等。因此，在過去十幾年內(nèi)，超精密加工技術(shù)在微光學(xué)元件加工中的應(yīng)用實(shí)例也在逐漸增多。如單晶金剛石超精密加工技術(shù)已成功應(yīng)用于隱形眼鏡、棱鏡、非球面透鏡、微透鏡陣列、金字塔微結(jié)構(gòu)表面、減反射光柵等結(jié)構(gòu)的加工。圖2所示即是用單晶金剛石車床加工的微結(jié)構(gòu)（圖2略）。雖然超精密加工技術(shù)對某些結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的加工具有很多優(yōu)點(diǎn)，但將超精密加工技術(shù)與復(fù)制成型技術(shù)結(jié)合起來或許是加工微光學(xué)元件最有效的方式，即用超精密加工技術(shù)來加工復(fù)制模具，然后利用該模具制作出微光學(xué)元件。用單晶金剛石車床加工光學(xué)元件模具，需要注意選擇合適的加工參數(shù)，以減小毛刺，降低模具的誤差，另外要能加工出合適的金剛石刀具。用金剛石車床加工的模具來制作的菲涅爾透鏡用于高架投影儀已獲得巨大成功，如圖3所示（圖3略）。

　　3總結(jié)

　　微光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對微光學(xué)元件制造技術(shù)提出了更高的要求，超精密機(jī)械加工技術(shù)，經(jīng)過最近十多年來的快速發(fā)展，具有很多傳統(tǒng)光學(xué)制造技術(shù)，如光刻技術(shù)和LIGA技術(shù)等所不具有的優(yōu)勢：①能加工真正的三維結(jié)構(gòu)，且精度達(dá)納米級(jí)；②能在模具上加工浮動(dòng)對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；③能在同一元件上加工出不同深寬比的結(jié)構(gòu)。在微光學(xué)制造領(lǐng)域，很多類似產(chǎn)品卻是由很多不同方法加工而成的，這說明了微光學(xué)制造技術(shù)的不成熟性，盡管超精密機(jī)械加工技術(shù)在微光學(xué)元件及其模具加工中的應(yīng)用具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但也仍是處于初步發(fā)展階段。因此，超精密加工技術(shù)還具有很大的發(fā)展?jié)摿?。我們相信，超精密加工技術(shù)與復(fù)制成型技術(shù)結(jié)合，必將會(huì)推動(dòng)微光學(xué)及其集成技術(shù)的大力發(fā)展。