專利名稱：一種微型球面或非球面透鏡陣列的加工方法
技術領域：
本發明提供一種微型球面或非球面透鏡陣列的加工方法，用于微型光學器件的加工制造，屬于光學器件加工領域。
背景技術：
隨著經濟的發展，對微型器件的需求越來越強烈。微觀尺度的光學器件的需求也在迅速增加，例如應用于航天、國防、醫療等重要領域。因此，對微加工工藝與技術的研究探討，深受人們的重視。隨著加工尺寸的減小，特別是陣列型器件，由于結構對稱性差，加工難度顯著增力口，沿用傳統的加工方法加工微型光學器件往往很難實現。目前，對微型光學器件的超精細加工已成為先進制造技術領域的一個重要研究方向，微型光學器件制作尚屬前沿技術。近年來，人們探討著采用化學刻蝕、熱熔鑄造、離子束刻蝕、電子束刻蝕等各種方法加來工微型光學器件。但這些方法也都各自存在著一些弊端，例如實施難度大、不容易控制，在效率、效果、成本的方面也存在諸多問題，還沒有獲得令人滿意的成熟的方法。
發明內容
本發明一種微型球面或非球面透鏡陣列的加工方法，解決常規微型光學器件加工方法難以加工微型及陣列型透鏡的問題。本發明的技術解決方案如下進行微型透鏡陣列器件加工首先要采用用于加工成型的磨具，是采用粒度合適的金剛石砂輪，在砂輪的工作面加工出多條矩形溝槽；根據產品結構特點加工微型磨頭。加工幾種材質粒度不同的微型磨頭，加工時由粗到細依次研磨，使面型尺寸達到要求并且逐漸提高器件表面光滑度；加工微型拋光頭，拋光頭是利用彈簧夾持拋光布料制成。用這種特別加工的拋光頭在拋光時需不斷加入研磨劑。研磨劑的粒度要由粗到細依次不斷更換，直至光潔度達到設計要求。本發明提供的微型球面或非球面透鏡陣列的加工方法，具體步驟如下
1)通過帶有多條溝槽磨刃的砂輪在玻璃基片上分別研磨出相互垂直橫向、縱向溝槽形成了端面為正方形的長方柱體矩陣；
2)利用具有圓柱形凹坑的超聲波磨頭，在使用懸磨料浮液及相關的工藝條件下，將在玻璃表面的長方柱體研磨成圓柱狀；
3)利用金剛砂超聲波磨頭及懸磨料浮液，將圓柱形玻璃柱體研磨成球形鏡面(或非球面)微型鏡體；換用較上一步驟粒度更小，對透鏡鏡體進行精研磨，使鏡體的外形尺寸和平整度達到設計要求
4)利用微型拋光頭與研磨劑對微型透鏡體的鏡面進行拋光，使光潔度達到設計要求。所述的方法所采用的金剛石砂輪在其工作面加工出多條溝槽，溝槽的寬度等于微透鏡體的直徑，溝槽深度略大于微透鏡體的高度。所述的超聲波研磨頭工作面上設有數個圓柱形凹坑，凹坑尺寸與微型透鏡相對應。所述微型拋光頭的下端與彈 簧連接，拋光纖維材料插入彈簧尾端的鋼絲環之間，外側涂上粘接膠，將拋光纖維固定于彈簧內；同時，用粘接膠將彈簧與柱體粘牢。本發明的積極效果在于通過采用特型金剛砂磨具、超聲波磨具及微型拋光頭進行整體加工與對局部單體透鏡進行逐個加工相結合的方法，可以比較容易的加工陣列元件。本加工方法的深寬比很高，能在每一元件上加工出不同的深寬比的結構；無論在設備投入成本還是在生產加工成本方面都較其它方法低很多，比較容易獲得推廣應用；解決常規光學機械加工方法難以加工微型及陣列型透鏡的問題。
圖I為加工微型陣列光學透鏡所用的基材(光學玻璃基片)示意 圖2為金剛砂磨輪磨削過程示意 圖3為方形柱體陣列 圖4為超聲波變幅桿與研磨頭；
圖5為帶有多個圓柱形凹坑的超聲工作頭；
圖6為超聲波研磨裝置結構示意 圖7為玻璃微圓柱體陣列 圖8為具有單凹坑的超聲波微型磨頭及所加工的微柱體 圖9為微型拋光頭結構不意 圖10為微型非球面透鏡陣列示結構意 圖中，10、玻璃基片；11、溝槽；12、微柱體；13、方形柱體；14、鏡體側表面；20、金剛砂磨輪；30、超聲波微型磨頭；31、凹坑；40、拋光桿；41、彈簧；42、聚酯纖維；43、粘接膠；44、拋光劑；51、超聲研磨頭；52、超聲波變幅桿；51、超聲研磨頭；10、光學玻璃基片；50、磨料懸浮液；51、超聲研磨頭；52、超聲波變幅桿；53、超聲波頭；54、超聲波發生器；61、機體；62、攪拌器；63、水槽。
具體實施例方式實施例I
在所述方法中，圖I是用于加工微透鏡陣列的光學玻璃基片10，其上表面需預先進行拋光處理，達到光學鏡面要求。按圖2用帶有多條溝槽的磨輪20在玻璃表面磨出兩組相互垂直的溝槽11，在兩組溝槽之間形成了一些方形柱體，由這些排列規則的方形柱體組成了方柱陣列，如圖3所示。圖4所示的超聲波研磨頭51與超聲波變幅桿52相連接，超聲波研磨頭51有多個圓柱形凹坑31組成，其形狀見圖5。用該磨頭把方形柱體研磨成圓柱體，如圖7、圖8所示的是具有單凹坑的超聲波微型磨頭30及所加工的微柱體12，磨頭上對凹坑31的深度等于玻璃圓柱體的高度。磨頭51和磨頭30均采用工具鋼制作。進行超聲波研磨加工采用的是圖6所示超聲波研磨裝置，其中超聲波發生器54的工作頻率從15 kHz到40kHz連續可調、輸出功率為1500W。超聲波研磨裝置的機體61可以用平面鉆床改制，可控制超聲波磨頭51平穩上下移動。玻璃基片10固定在一平底的水槽63內，其中加入了磨料懸浮液50，液面要比玻璃基片10高出IOmm左右。磨料懸浮液50是用200目的金剛砂磨料與水配置，比例為I :3. 5 (重量)。通過攪拌器62不停攪拌，使磨料在水中分布均勻并循環流動。研磨時需要對超聲工作頭51施加大約Ikg的壓力。圖7是圓柱體陣列示意圖。圖9所示的40 44為微型拋光頭的結構，是將聚酯纖維42嵌入彈簧41 一端的環與環之間，并在彈簧41外側涂上粘接膠43，將聚酯纖維42與彈簧41相固定。同時，將彈簧41與拋光桿40固定牢。用拋光頭40對準待拋光的玻璃微型柱體12進行旋轉研磨拋光。拋光過程要經常添加拋光劑44。待把所有的微柱體12拋光完，則透鏡陣列器件就加工完畢了。圖10是非球面透鏡陣列示意圖。 實施例2
加工一款微型非線性光學透鏡陣列，器件整體外形尺寸為32mmX32mmX4. 5mm、單個透鏡微柱體14的高度為2. 5mm、微柱體12上園直徑為2. 6mm下園直徑為3. Omm呈非線性變化的、透鏡排列為5X5陣列、透鏡材料為G9光學玻璃。制作過程分以下幾步
一、(I)設計加工超聲四孔磨頭51,其圓柱形凹坑的深度為3. 5mm、直徑為3. Imm、相鄰坑邊距離為3. 0mm。磨頭所用的材料為工具鋼。(2)設計加工超聲波單孔磨頭30，參照圖8中的31，凹坑的大圓直徑材料為3.0，小圓直徑為2. 7mm。材料為工具鋼。(3)參照圖9設計加工拋光頭40，彈簧41的內徑為7mm。(4)按圖2所示，在金剛砂磨輪20的工作面上加工出5條凹槽的磨刃，其深度為I. 8mm,凹槽的寬度2. 2mm,兩個相鄰凹槽之間凸起部的寬度為 I. 2mmo二、在精密平面磨床上用金剛砂磨輪在光學玻璃基片10上分別進行橫向和縱向磨削，磨出長方形柱體13，如圖3所示。三、使用超聲波研磨裝置用四孔的超聲研磨頭51研磨樣品玻璃，對于5X5點陣的20個微柱體逐一進行研磨使之成為圓柱狀，研磨時對磨頭施加大約Ikg的壓力。四、然后使用單孔超聲波研磨頭30對圓柱體進行逐一研磨，使柱狀體成圖8中12的形狀。五、參照圖9使用拋光頭40對通過以上步驟研磨成球面形的微柱12進行拋光。先使用粒度220目的拋光粉進行粗拋，然后再使用粒度為320目的拋光粉進行精拋，直至光潔度達到要求為止。成品參見圖10。實施例3
加工一款微型球面光學透鏡陣列，器件整體外形尺寸為23mmX20mmX4. 5mm、單個透鏡微柱體14的高度為I. 2mm、微柱體12上園直徑為I. 9mm下園直徑為2. 4臟、微柱體的側面為球面直徑2. 4mm、透鏡排列為5X4陣列、透鏡材料為G9光學玻璃。根據上述參數加工相關磨具
(I)設計加工超聲四孔磨頭51,其圓柱形凹坑31的深度為I. 6mm、直徑為2. 6mm、相鄰坑邊距離為2. 8mm ;磨頭所用的材料為工具鋼。2)設計加工超聲波單孔磨頭30，參照圖8中，凹坑31的大圓直徑為2. 5，小圓直徑為2. Omm;材料為工具鋼。(3)參照圖9設計加工拋光頭40，彈簧41的內徑為5. 0mm。(4)在金剛砂磨輪2.0的工作面上加工出5條凹槽的磨刃，其深度為I. 6mm，凹槽的寬度2. 6_，兩個相鄰凹槽之間凸起部的寬度為2. 4_。
其加工過程同實施例I。
權利要求
1.一種微型球面或非球面透鏡陣列的制作方法，包括以下步驟 1)通過帶有多條溝槽磨刃的砂輪在玻璃基片上分別研磨出相互垂直橫向、縱向溝槽形成了端面為正方形的長方柱體矩陣； 2)利用具有圓柱形凹坑的超聲波磨頭，在使用懸磨料浮液及相關的工藝條件下，將在玻璃表面的長方柱體研磨成圓柱狀； 3)利用金剛砂超聲波磨頭及懸磨料浮液，將圓柱形玻璃柱體研磨成球形鏡面或非球面的微型鏡體；換用較上一步驟粒度更小，對透鏡鏡體進行精研磨，使鏡體的外形尺寸和平整度達到設計要求 4)利用微型拋光頭與研磨劑對微型透鏡體的鏡面進行拋光，使光潔度達到設計要求。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所采用的金剛石砂輪在其工作面加工出多條溝槽，溝槽的寬度等于微透鏡體的直徑，溝槽深度略大于微透鏡體的高度。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于超聲波研磨頭的工作面上設有數個圓柱形凹坑。
4.權利要求I所述制作方法涉及的拋光頭，其特征在于微型拋光頭的下端與彈簧連接，拋光纖維材料插入彈簧尾端的鋼絲環之間，外側涂上粘接膠，將拋光纖維固定于彈簧內；同時，用粘接膠將彈簧與柱體粘牢。
全文摘要
本發明一種微型球面或非球面透鏡陣列的加工方法，通過帶有多條溝槽磨刃的砂輪在玻璃基片上分別研磨出相互垂直橫向、縱向溝槽形成了端面為正方形的長方柱體矩陣；對長方柱體再用凹形磨刃的磨頭旋轉研磨成球面或非球面面形的微型透鏡基本體；換用粒度較小的同結構微型磨頭對微型透鏡基本體進行精研磨；利用微型拋光頭對已經過精研磨的微型透鏡基本體進行拋光，拋光時需不斷加入研磨劑，研磨劑的粒度要由粗到細依次不斷更換，直至光潔度達到設計要求。
文檔編號B24B1/04GK102615554SQ20121010854
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月15日 優先權日2012年4月15日
發明者姚振罡, 李彥, 李長華, 馬仁祥 申請人:長春中俄科技園股份有限公司