CN114473720B - 一种透镜阵列光学元件抛光方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种透镜阵列光学元件抛光方法及装置，抛光装置中的结构化抛光头固定在抛光头旋转电机上，通过改变旋转速度调整抛光液剪切速率。抛光头旋转电机通过抛光头角度变换平台与音圈电机连接，音圈电机使抛光过程中抛光头与工件间的抛光力保持恒定。抛光头角度变换平台与三轴联动平台连接，实现结构化抛光头和工件保持恒定的间隙。抛光液槽安装在工件旋转平台上,曲面透镜阵列工件安装在抛光液槽内表面，通过抛光液槽的旋转实现工件的连续均匀抛光。本发明能够实现对透镜阵列光学元件的低损伤甚至无损伤抛光，实现纳米甚至亚纳米粗糙度。另外基于非接触抛光的高柔性特点，提出两种透镜阵列光学元件的抛光方法，提高加工的可控性。

Description

一种透镜阵列光学元件抛光方法及装置

技术领域

本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种微阵列光学元件抛光方法及装置，尤其涉及一种透镜阵列光学元件抛光方法及装置。

背景技术

微透镜阵列是由微米级透镜组成的阵列。由于它具有尺寸小、集成度高的特点，因此能够完成一些传统光学元件无法完成的功能，构成一些新型的光学系统。此外它还广泛应用于很多光电传感器、高端照明、光束整形、光束匀化、光纤耦合和激光耦合等方面。对于微细结构来讲，面形决定了其功能而表面质量决定了其性能，通常要求其表面质量达到纳米级面形精度达到微米级，对于特殊性能要求的元件甚至要求达到亚纳米级粗糙度和亚微米级面形精度且无表面损伤。为了满足质量要求，超精密抛光被广泛用于微阵列光学元件的加工。传统的接触式抛光被广泛用于非球面的抛光，但会在抛光表面引入抛光痕迹和磨粒嵌入，因此非接触抛光-剪切增稠抛光被广泛的应用于光学元件的加工中。

中国专利CN201910567560.8公开了一种贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，该方法是利用加工好的贯通式微透镜阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒，将工件上的阵列形状复刻到羊毛棒，对工件的阵列单元进行抛光，因此只能加工结构简单的贯通样式工件，适用范围小，而且加工精度完全取决于抛光头与曲面的贴合程度，加工重复性，可靠性差。

中国专利CN202010131772.4公开了一种制造微纳米台阶阵列结构的离子束抛光加工方法，通过单点驻留抛光试验确定电介质层薄膜的离子束抛光工艺去除函数，但该方法中离子束的加工效率极低，且加工成本极高。

中国专利CN201210192915.8公开了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，利用非牛顿流体直接冲刷旋转的工件实现对曲面的抛光，但由于曲面工件不同位置的曲率不同，所以无法保证表面的去除均匀性，因此，此方法对于含有透镜阵列的元件或面形要求较高的曲面仍不适用。

目前，微阵列光学元件抛光方法中，一方面，实现的方法较传统，或会在元件表面造成抛光痕迹或磨粒嵌入损伤，或效率低；另一方面目前方法面向的阵列元件结构较为单一，或平行特征的阵列结构，或无阵列结构的低精度曲面。因此，亟待提出一种可实现复杂透镜阵列曲面的高效，高精度抛光方法及装置。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种高效率、高精度、无损伤的微透镜阵列光学元件抛光方法及装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种透镜阵列光学元件抛光装置，所述的抛光装置包括工件旋转平台1、抛光液槽2、抛光头角度变换平台3、音圈电机4、抛光头旋转电机5、结构化抛光头6、曲面透镜阵列工件8。

所述结构化抛光头6通过联轴器固定在抛光头旋转电机5上，在抛光头旋转电机5的带动下旋转，能够通过改变旋转速度，实现抛光液剪切速率的变化，达到不同的抛光效果。

所述抛光头旋转电机5通过抛光头角度变换平台3与音圈电机4连接，音圈电机4可以输出恒定的力，可以使得在抛光过程中结构化抛光头6与工件间的抛光力保持恒定。其中所述音圈电机4通过螺栓与抛光头角度变换平台3连接，在抛光头角度变换平台3驱动下转动，从而带动抛光头旋转电机5和抛光头6倾斜任意角度。

所述抛光头角度变换平台3与三轴联动平台连接，抛光头角度变换平台3在三轴联动平台的带动下，能够实现抛光头6在X,Y,Z三个方向位置的调整，从而可以实现结构化抛光头6和工件8保持恒定的间隙。

所述抛光液槽2通过螺栓安装在工件旋转平台1上，在工件旋转平台1的带动下连续旋转，并能够改变旋转速度。曲面透镜阵列工件8通过螺栓和销钉安装在抛光液槽2内表面，通过抛光液槽2的旋转实现工件8的连续均匀抛光。

一种透镜阵列光学元件抛光方法，包括以下步骤：

第一步：将工件通过螺栓和销钉与抛光液槽2紧密连接，开启抛光液槽2旋转电机，使工件8按一定的速度转动，速度范围控制在50-1000rpm。

第二步：将具有剪切增稠效应的抛光液倒入抛光液槽2中，保证工件完全浸没在抛光液中，其中抛光液上液面距离工件顶端为10-30mm之间。

第三步：开启抛光头转电机5，使结构化抛光头6按一定的速度转动,转速范围在5000-8000rpm，通过调整抛光头角度变换平台3，使抛光头6与工件之间的角度为30°-60°之间。

第四步：通过控制结构化抛光头6的工具轨迹9，实现对曲面透镜阵列工件的高效率、高精度、无损伤抛光。在第四步中，本发明为结构化抛光头6提供2种轨迹控制方式：

(1)间隙模式，如图3：整体装置依托于三轴联动平台，抛光加工前，首先，采用对刀的方式使结构化抛光头6与工件8之间的间隙在0.1-0.3mm之间。其次，对结构化抛光头6的运动轨迹进行设计，使结构化抛光头6扫略的区域与工件8的轮廓一致，从而保证抛光过程中结构化抛光头6与工件8间的工作间隙7始终保持恒定。

(2)压力模式，如图4：抛光加工前，首先，将结构化抛光头6控制在距离工件3-5mm的位置。其次，通过控制音圈电机4输出恒定的加载压力10，加载压力范围在0.1-1N之间，在加载压力10的作用下，结构化抛光头6缓慢靠近工件，在抛光头6运动过程中，结构化抛光头6带动抛光液发生剪切增稠效应并产生动压力，当动压力和加载压力10达到平衡时，抛光头悬浮在与工件相对固定间隙的位置，抛光过程中，由于工件表面轮廓不断变化，结构化抛光头6在加载压力10的作用下不断浮动，从而使结构化抛光头6与工件8之间的压力保持恒定，此时工作间隙7随压力保持在一定的范围。

进一步地，如图5所述用于剪切增稠的结构化抛光头6，可设计为球形，圆柱形，南瓜型等，不同的形状可适应不同类型的透镜阵列光学元件，球形、南瓜型抛光头可适用于曲面透镜阵列光学元件的抛光和修形。圆柱形抛光头可适用于平面透镜阵列光学元件的抛光，其与工件接触面积相对较大，抛光效率高。

进一步地，如图5所示结构化抛光头6表面可以进行网格状，凹坑状，弧形，月牙形的开槽，以增加接触区域抛光液的带动能力，增强了对磨粒的把持力同时增大了抛光液的动压力，从而加大了磨粒对于工件的接触压力，实现透镜阵列光学元件高效高精度抛光。

进一步的，所述用于剪切增稠的抛光液可在超声、振动、磁场等多物理场的复合作用或单一物理场作用下产生剪切增稠效应，根据加工条件以及所选物理场作用，所述磨料粒子可为磁性磨粒或非磁性磨粒。所述非磁性磨粒可以选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径0.5～10μm,比例15～25wt％。

本发明的具体过程如下：结构化抛光头6带动具有剪切增稠效应的抛光液转动，保证抛光头6与工件8之间的抛光液发生剪切增稠效应。如图2所示，抛光头6带动具有剪切增稠效应的抛光液转动，当抛光液与工件发生相对运动速度达到临界点时，抛光液与工件接触部分受到剪切作用发生剪切增稠现象(与工件相接触的区域表现为粘度增大)。接触区域抛光液的黏度急剧增大，使抛光液瞬间呈现固体特性，在加工位置形成一个“柔性固着磨具”，通过磨粒的微切削作用实现对工件表面微凸峰的去除。此外，剪切增稠抛光液具有流动性，使形成的“柔性固着磨具”与各类工件面形都具有良好的吻合度。另一方面，结构化抛光头6会在工件表面形成动压效应区，从而加大了磨粒对工件的接触压力，可以有效去除工件表面粗糙峰，提升抛光效率，实现材料的高效去除。

与现有技术相比较，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明提出采用非接触的方法对透镜阵列光学元件进行抛光，可实现对透镜阵列光学元件的低损伤甚至无损伤抛光，可实现纳米甚至亚纳米粗糙度。

(2)基于非接触抛光的高柔性特点，本发明提出了2种透镜阵列光学元件的抛光方法与装置即间隙模式和压力模式。间隙模式可通过控制工作间隙7实现对透镜阵列工件表面的抛光；压力模式通过调节输出压力实现对透镜阵列表面的抛光。可以通过调节音圈电机输出力的大小以及抛光头和工件之间的距离来控制抛光动压力和剪切力，提高了加工的可控性。

附图说明

图1是透镜阵列光学元件抛光装置图；

图2是抛光过程示意图；

图3是间隙模式示意图；

图4是压力模式示意图；

图5是抛光头类型示意图；

图中：1工件旋转平台；2抛光液槽；3抛光头角度变换平台；4音圈电机；5抛光头旋转电机；6结构化抛光头；7工作间隙；8曲面透镜阵列工件；9工具轨迹；10加载压力。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施案例一：透镜阵列光学元件间隙模式抛光方法及装置。

如附图1，附图2，附图3，附图5所示，本实施案例是透镜阵列光学元件8间隙模式抛光方法及装置，本装置依托于三轴联动平台，由工件旋转平台1，抛光液槽2，抛光头角度变换平台3，抛光头旋转电机5，圆柱形抛光头6，曲面透镜阵列工件8组成。

所述球形圆柱形头抛光头6通过联轴器固定在抛光头旋转电机5上，所述圆柱形抛光头6的直径为25mm，表面凹坑结构的尺寸特征为3mm周期为6mm。所述平面透镜阵列工件8的长宽均为47.8mm，透镜阵列采用等间距错开排列，周期为4mm，微透镜的口径为1mm，深度为1.5-3μm。

所述抛光头旋转电机5与抛光头角度变换平台3连接，抛光头旋转电机5在抛光头角度变换平台3驱动下旋转，使结构化抛光头6倾斜至30°。

所述抛光头角度变换平台3在三轴联动平台的带动下，实现了抛光头6在X,Y,Z三个方向位置的调整。所述圆柱形抛光头6与工件之间保持固定间隙0.1mm。

所述抛光液槽2通过螺栓与工件旋转平台1相连，在工件旋转平台1的带动下连续旋转。平面透镜阵列光学元件通过工件固定孔与抛光液槽2相连。结构化抛光头6配合抛光液槽2的旋转实现工件的连续均匀抛光。

所述平面透镜阵列光学元件抛光方法，包括以下步骤：

第一步：将平面透镜阵列光学元件通过工件固定孔与抛光液槽2紧密连接，开启抛光液旋转电机，使平面透镜阵列光学元件以200rpm的速度转动。

第二步：将具有剪切增稠效应的抛光液放入到抛光液槽2中，保证工件完全浸没在抛光液中。

第三步：通过调整三轴平台，使抛光头6到达指定位置，抛光头6最低点与平面微阵列光学元件表面的夹角为45°，工作间隙7为0.1mm。开启抛光头6转电机，使抛光头6转速达到5000rpm。

第四步：、设定三轴联动平台运动参数，通过调整三轴平台，使抛光头6到达工件最边缘位置，抛光头6最低点与平面透镜阵列光学元件表面的工作间隙7为0.1mm。通过控制抛光头6的工具轨迹9，保证圆柱形抛光头6与工件8之间工作间隙7始终恒定，实现对平面透镜阵列光学元件高效率、高精度、无损伤抛光。

实施案例二：，透镜阵列光学元件压力模式抛光方法及装置。

如附图1，附图2，附图4，附图5所示，本实施案例是应用于透镜阵列光学元件压力模式抛光方法及装置，本装置是由工件旋转平台1，抛光液槽2，抛光头角度变换平台3，音圈电机4，抛光头旋转电机5，南瓜形抛光头6来实现其功能。

所述球形南瓜形头抛光头6通过联轴器固定在抛光头旋转电机5上，通过改变旋转速度，实现抛光液剪切速率的变化，达到不同的抛光效果。

所述南瓜形抛光头6的直径为25mm，表面凹坑结构的尺寸特征为3mm周期为6mm。所述曲面透镜阵列工件8的口径为47.8mm，透镜阵列采用等间距错开排列，周期为4mm，微透镜的口径为1mm，深度为1.5-3μm。

所述抛光头旋转电机5与音圈电机4连接，音圈电机4可以输出一个恒定的力，可以使在抛光过程中，抛光头6与工件间的抛光力始终恒定为0.5N。

所述音圈电机4与抛光头角度变换平台3连接，在抛光头角度变换平台3驱动下旋转。

所述抛光液槽2通过螺栓与工件旋转平台1相连，在工件旋转平台1的带动下连续旋转。透镜阵列光学元件通过工件螺栓与抛光液槽2相连。通过抛光液槽2的旋转实现工件的连续均匀抛光。

所述透镜阵列光学元件抛光方法，包括以下步骤：

第一步：将透镜阵列光学元件通过螺栓与抛光液槽2紧密固定，开启抛光液旋转电机，使透镜阵列光学元件以200rpm的速度转动。

第二步：调整结构化抛光头6位置，使其到达工件最边缘上方3mm位置。

第三步：开启抛光头6转电机，使抛光头6转速达到5000rpm。

第四步：将具有剪切增稠效应的抛光液放入到抛光液槽2中，保证抛光液液面在工件最顶端10mm处。

第五步：设定音圈电机参数，通过音圈电机的运动控制抛光头6的运动轨迹，使抛光头6透镜阵列光学元件之间的夹角为45°，加载压力10保持0.5N恒定，实现对透镜阵列光学元件高效率、高精度、无损伤抛光。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种透镜阵列光学元件抛光装置，其特征在于，所述的抛光装置包括工件旋转平台(1)、抛光液槽(2)、抛光头角度变换平台(3)、音圈电机(4)、抛光头旋转电机(5)、结构化抛光头(6)、曲面透镜阵列工件(8)；

所述结构化抛光头(6)通过联轴器固定在抛光头旋转电机(5)上，在抛光头旋转电机(5)的带动下旋转，通过改变旋转速度调整抛光液剪切速率；所述结构化抛光头(6)设计为球形、圆柱形、南瓜型，不同的形状适应不同类型的透镜阵列光学元件：其中，球形、南瓜型抛光头适用于曲面透镜阵列光学元件的抛光和修形；圆柱形抛光头适用于平面透镜阵列光学元件的抛光；

所述抛光头旋转电机(5)通过抛光头角度变换平台(3)与音圈电机(4)连接，音圈电机(4)输出恒定的力，能够使在抛光过程中结构化抛光头(6)与工件间的抛光力保持恒定；其中所述音圈电机(4)与抛光头角度变换平台(3)连接，在抛光头角度变换平台(3)驱动下转动，带动抛光头旋转电机(5)和抛光头(6)倾斜任意角度；

所述抛光头角度变换平台(3)与三轴联动平台连接，抛光头角度变换平台(3)在三轴联动平台的带动下，能够实现抛光头(6)在X,Y,Z三个方向位置的调整，实现结构化抛光头(6)和工件(8)保持恒定的间隙；

所述抛光液槽(2)安装在工件旋转平台(1)上，在工件旋转平台(1)的带动下连续旋转，并能够改变旋转速度；曲面透镜阵列工件(8)安装在抛光液槽(2)内表面，通过抛光液槽(2)的旋转实现工件(8)的连续均匀抛光。

2.根据权利要求1所述的一种透镜阵列光学元件抛光装置，其特征在于，所述结构化抛光头(6)表面可以进行网格状、凹坑状、弧形或月牙形的开槽。

3.一种基于权利要求1-2任一所述的抛光装置实现的透镜阵列光学元件抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将工件与抛光液槽(2)紧密连接，开启抛光液槽(2)旋转电机，使工件(8)按50-1000rpm的速度转动；

第二步：将具有剪切增稠效应的抛光液倒入抛光液槽(2)中，保证工件完全浸没在抛光液中；

第三步：开启抛光头转电机(5)，使结构化抛光头(6)按一定的速度转动，转速范围在5000-8000rpm，通过调整抛光头角度变换平台(3)，使抛光头(6)与工件之间的角度为30°-60°之间；

第四步：通过控制结构化抛光头(6)的工具轨迹(9)，实现对曲面透镜阵列工件的高效率、高精度、无损伤抛光；所述结构化抛光头(6)具有两种轨迹控制方式：

1）间隙模式：整体装置依托于三轴联动平台，抛光加工前，首先，采用对刀的方式使结构化抛光头(6)与工件(8)之间的间隙在0.1-0.3mm之间；其次，对结构化抛光头(6)的运动轨迹进行设计，使结构化抛光头(6)扫略的区域与工件(8)的轮廓一致，保证抛光过程中结构化抛光头(6)与工件(8)间的工作间隙7始终保持恒定；

2）压力模式：抛光加工前，首先，将结构化抛光头(6)控制在距离工件3-5mm的位置；其次，通过控制音圈电机(4)输出恒定的加载压力(10)，加载压力范围在0.1-1N之间，在加载压力(10)的作用下，结构化抛光头(6)缓慢靠近工件，在抛光头(6)运动过程中，结构化抛光头(6)带动抛光液发生剪切增稠效应并产生动压力，当动压力和加载压力(10)达到平衡时，抛光头悬浮在与工件相对固定间隙的位置，抛光过程中，由于工件表面轮廓不断变化，结构化抛光头(6)在加载压力(10)的作用下不断浮动，从而使结构化抛光头(6)与工件(8)之间的压力保持恒定，此时工作间隙(7)随压力保持在一定的范围。

4.根据权利要求3所述的一种透镜阵列光学元件抛光方法，其特征在于，所述第二步中，抛光液上液面距离工件顶端为10-30 mm之间。