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(lái)達(dá)到所要求的形狀。如單晶金剛石車(chē)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(chē)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壣希毒哐b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(lái)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(wú)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(kāi)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(cè)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(cè)量和誤差補(bǔ)償技術(shù)，正確測(cè)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(duì)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(duì)微光學(xué)元件設(shè)計(jì)者和制造者來(lái)說(shuō)，單晶金剛石超精密加工技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，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(guò)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(chē)床加工的微結(jié)構(gòu)（圖2略）。雖然超精密加工技術(shù)對(duì)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(lái)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(lái)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(chē)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(chē)床加工的模具來(lái)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(duì)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(guò)最近十多年來(lái)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(shì)：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(duì)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(lèi)似產(chǎn)品卻是由很多不同方法加工而成的，這說(shuō)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ΑＮ覀兿嘈?，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。