专利名称：一种微型球面或非球面透镜阵列的加工方法
技术领域：
本发明提供一种微型球面或非球面透镜阵列的加工方法，用于微型光学器件的加工制造，属于光学器件加工领域。
背景技术：
随着经济的发展，对微型器件的需求越来越强烈。微观尺度的光学器件的需求也在迅速增加，例如应用于航天、国防、医疗等重要领域。因此，对微加工工艺与技术的研究探讨，深受人们的重视。随着加工尺寸的减小，特别是阵列型器件，由于结构对称性差，加工难度显著增力口，沿用传统的加工方法加工微型光学器件往往很难实现。目前，对微型光学器件的超精细加工已成为先进制造技术领域的一个重要研究方向，微型光学器件制作尚属前沿技术。近年来，人们探讨着采用化学刻蚀、热熔铸造、离子束刻蚀、电子束刻蚀等各种方法加来工微型光学器件。但这些方法也都各自存在着一些弊端，例如实施难度大、不容易控制，在效率、效果、成本的方面也存在诸多问题，还没有获得令人满意的成熟的方法。
发明内容
本发明一种微型球面或非球面透镜阵列的加工方法，解决常规微型光学器件加工方法难以加工微型及阵列型透镜的问题。本发明的技术解决方案如下进行微型透镜阵列器件加工首先要采用用于加工成型的磨具，是采用粒度合适的金刚石砂轮，在砂轮的工作面加工出多条矩形沟槽；根据产品结构特点加工微型磨头。加工几种材质粒度不同的微型磨头，加工时由粗到细依次研磨，使面型尺寸达到要求并且逐渐提高器件表面光滑度；加工微型抛光头，抛光头是利用弹簧夹持抛光布料制成。用这种特别加工的抛光头在抛光时需不断加入研磨剂。研磨剂的粒度要由粗到细依次不断更换，直至光洁度达到设计要求。本发明提供的微型球面或非球面透镜阵列的加工方法，具体步骤如下
1)通过带有多条沟槽磨刃的砂轮在玻璃基片上分别研磨出相互垂直横向、纵向沟槽形成了端面为正方形的长方柱体矩阵；
2)利用具有圆柱形凹坑的超声波磨头，在使用悬磨料浮液及相关的工艺条件下，将在玻璃表面的长方柱体研磨成圆柱状；
3)利用金刚砂超声波磨头及悬磨料浮液，将圆柱形玻璃柱体研磨成球形镜面(或非球面)微型镜体；换用较上一步骤粒度更小，对透镜镜体进行精研磨，使镜体的外形尺寸和平整度达到设计要求
4)利用微型抛光头与研磨剂对微型透镜体的镜面进行抛光，使光洁度达到设计要求。所述的方法所采用的金刚石砂轮在其工作面加工出多条沟槽，沟槽的宽度等于微透镜体的直径，沟槽深度略大于微透镜体的高度。所述的超声波研磨头工作面上设有数个圆柱形凹坑，凹坑尺寸与微型透镜相对应。所述微型抛光头的下端与弹 簧连接，抛光纤维材料插入弹簧尾端的钢丝环之间，外侧涂上粘接胶，将抛光纤维固定于弹簧内；同时，用粘接胶将弹簧与柱体粘牢。本发明的积极效果在于通过采用特型金刚砂磨具、超声波磨具及微型抛光头进行整体加工与对局部单体透镜进行逐个加工相结合的方法，可以比较容易的加工阵列元件。本加工方法的深宽比很高，能在每一元件上加工出不同的深宽比的结构；无论在设备投入成本还是在生产加工成本方面都较其它方法低很多，比较容易获得推广应用；解决常规光学机械加工方法难以加工微型及阵列型透镜的问题。
图I为加工微型阵列光学透镜所用的基材(光学玻璃基片)示意 图2为金刚砂磨轮磨削过程示意 图3为方形柱体阵列 图4为超声波变幅杆与研磨头；
图5为带有多个圆柱形凹坑的超声工作头；
图6为超声波研磨装置结构示意 图7为玻璃微圆柱体阵列 图8为具有单凹坑的超声波微型磨头及所加工的微柱体 图9为微型抛光头结构不意 图10为微型非球面透镜阵列示结构意 图中，10、玻璃基片；11、沟槽；12、微柱体；13、方形柱体；14、镜体侧表面；20、金刚砂磨轮；30、超声波微型磨头；31、凹坑；40、抛光杆；41、弹簧；42、聚酯纤维；43、粘接胶；44、抛光剂；51、超声研磨头；52、超声波变幅杆；51、超声研磨头；10、光学玻璃基片；50、磨料悬浮液；51、超声研磨头；52、超声波变幅杆；53、超声波头；54、超声波发生器；61、机体；62、搅拌器；63、水槽。
具体实施例方式实施例I
在所述方法中，图I是用于加工微透镜阵列的光学玻璃基片10，其上表面需预先进行抛光处理，达到光学镜面要求。按图2用带有多条沟槽的磨轮20在玻璃表面磨出两组相互垂直的沟槽11，在两组沟槽之间形成了一些方形柱体，由这些排列规则的方形柱体组成了方柱阵列，如图3所示。图4所示的超声波研磨头51与超声波变幅杆52相连接，超声波研磨头51有多个圆柱形凹坑31组成，其形状见图5。用该磨头把方形柱体研磨成圆柱体，如图7、图8所示的是具有单凹坑的超声波微型磨头30及所加工的微柱体12，磨头上对凹坑31的深度等于玻璃圆柱体的高度。磨头51和磨头30均采用工具钢制作。进行超声波研磨加工采用的是图6所示超声波研磨装置，其中超声波发生器54的工作频率从15 kHz到40kHz连续可调、输出功率为1500W。超声波研磨装置的机体61可以用平面钻床改制，可控制超声波磨头51平稳上下移动。玻璃基片10固定在一平底的水槽63内，其中加入了磨料悬浮液50，液面要比玻璃基片10高出IOmm左右。磨料悬浮液50是用200目的金刚砂磨料与水配置，比例为I :3. 5 (重量)。通过搅拌器62不停搅拌，使磨料在水中分布均匀并循环流动。研磨时需要对超声工作头51施加大约Ikg的压力。图7是圆柱体阵列示意图。图9所示的40 44为微型抛光头的结构，是将聚酯纤维42嵌入弹簧41 一端的环与环之间，并在弹簧41外侧涂上粘接胶43，将聚酯纤维42与弹簧41相固定。同时，将弹簧41与抛光杆40固定牢。用抛光头40对准待抛光的玻璃微型柱体12进行旋转研磨抛光。抛光过程要经常添加抛光剂44。待把所有的微柱体12抛光完，则透镜阵列器件就加工完毕了。图10是非球面透镜阵列示意图。 实施例2
加工一款微型非线性光学透镜阵列，器件整体外形尺寸为32mmX32mmX4. 5mm、单个透镜微柱体14的高度为2. 5mm、微柱体12上园直径为2. 6mm下园直径为3. Omm呈非线性变化的、透镜排列为5X5阵列、透镜材料为G9光学玻璃。制作过程分以下几步
一、(I)设计加工超声四孔磨头51,其圆柱形凹坑的深度为3. 5mm、直径为3. Imm、相邻坑边距离为3. 0mm。磨头所用的材料为工具钢。(2)设计加工超声波单孔磨头30，参照图8中的31，凹坑的大圆直径材料为3.0，小圆直径为2. 7mm。材料为工具钢。(3)参照图9设计加工抛光头40，弹簧41的内径为7mm。(4)按图2所示，在金刚砂磨轮20的工作面上加工出5条凹槽的磨刃，其深度为I. 8mm,凹槽的宽度2. 2mm,两个相邻凹槽之间凸起部的宽度为 I. 2mmo二、在精密平面磨床上用金刚砂磨轮在光学玻璃基片10上分别进行横向和纵向磨削，磨出长方形柱体13，如图3所示。三、使用超声波研磨装置用四孔的超声研磨头51研磨样品玻璃，对于5X5点阵的20个微柱体逐一进行研磨使之成为圆柱状，研磨时对磨头施加大约Ikg的压力。四、然后使用单孔超声波研磨头30对圆柱体进行逐一研磨，使柱状体成图8中12的形状。五、参照图9使用抛光头40对通过以上步骤研磨成球面形的微柱12进行抛光。先使用粒度220目的抛光粉进行粗抛，然后再使用粒度为320目的抛光粉进行精抛，直至光洁度达到要求为止。成品参见图10。实施例3
加工一款微型球面光学透镜阵列，器件整体外形尺寸为23mmX20mmX4. 5mm、单个透镜微柱体14的高度为I. 2mm、微柱体12上园直径为I. 9mm下园直径为2. 4臟、微柱体的侧面为球面直径2. 4mm、透镜排列为5X4阵列、透镜材料为G9光学玻璃。根据上述参数加工相关磨具
(I)设计加工超声四孔磨头51,其圆柱形凹坑31的深度为I. 6mm、直径为2. 6mm、相邻坑边距离为2. 8mm ;磨头所用的材料为工具钢。2)设计加工超声波单孔磨头30，参照图8中，凹坑31的大圆直径为2. 5，小圆直径为2. Omm;材料为工具钢。(3)参照图9设计加工抛光头40，弹簧41的内径为5. 0mm。(4)在金刚砂磨轮2.0的工作面上加工出5条凹槽的磨刃，其深度为I. 6mm，凹槽的宽度2. 6_，两个相邻凹槽之间凸起部的宽度为2. 4_。
其加工过程同实施例I。
权利要求
1.一种微型球面或非球面透镜阵列的制作方法，包括以下步骤 1)通过带有多条沟槽磨刃的砂轮在玻璃基片上分别研磨出相互垂直横向、纵向沟槽形成了端面为正方形的长方柱体矩阵； 2)利用具有圆柱形凹坑的超声波磨头，在使用悬磨料浮液及相关的工艺条件下，将在玻璃表面的长方柱体研磨成圆柱状； 3)利用金刚砂超声波磨头及悬磨料浮液，将圆柱形玻璃柱体研磨成球形镜面或非球面的微型镜体；换用较上一步骤粒度更小，对透镜镜体进行精研磨，使镜体的外形尺寸和平整度达到设计要求 4)利用微型抛光头与研磨剂对微型透镜体的镜面进行抛光，使光洁度达到设计要求。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所采用的金刚石砂轮在其工作面加工出多条沟槽，沟槽的宽度等于微透镜体的直径，沟槽深度略大于微透镜体的高度。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于超声波研磨头的工作面上设有数个圆柱形凹坑。
4.权利要求I所述制作方法涉及的抛光头，其特征在于微型抛光头的下端与弹簧连接，抛光纤维材料插入弹簧尾端的钢丝环之间，外侧涂上粘接胶，将抛光纤维固定于弹簧内；同时，用粘接胶将弹簧与柱体粘牢。
全文摘要
本发明一种微型球面或非球面透镜阵列的加工方法，通过带有多条沟槽磨刃的砂轮在玻璃基片上分别研磨出相互垂直横向、纵向沟槽形成了端面为正方形的长方柱体矩阵；对长方柱体再用凹形磨刃的磨头旋转研磨成球面或非球面面形的微型透镜基本体；换用粒度较小的同结构微型磨头对微型透镜基本体进行精研磨；利用微型抛光头对已经过精研磨的微型透镜基本体进行抛光，抛光时需不断加入研磨剂，研磨剂的粒度要由粗到细依次不断更换，直至光洁度达到设计要求。
文档编号B24B1/04GK102615554SQ20121010854
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月15日 优先权日2012年4月15日
发明者姚振罡, 李彦, 李长华, 马仁祥 申请人:长春中俄科技园股份有限公司