一种微结构阵列的高保真加工方法与流程

本发明属于微结构阵列技术领域，具体涉及一种微结构阵列的加工方法。

背景技术：

微结构广泛应用于各类光机电产品中，例如，微透/反射镜阵列，应用于集成成像或显示系统，光场相机，裸眼3D电视等，如图1所示。

微结构阵列的广泛应用，必将涉及其加工及制造工艺，包括这些微结构阵列的模具的超精密加工。超精密加工微结构阵列的工艺有微端铣（MEM）、微凿切（MDC）、基于单点金刚石车削(SPDT)的快刀伺服加工(FTS)和慢刀伺服加工（STS）等。一般常用的加工方法，即基于单点金刚石的快刀伺服加工或慢刀伺服加工工艺，如图2所示。工件绕主轴旋转，金刚石刀具则沿工件回转的反方向，依次切削每个微结构单元，见图2(a)；同时，刀具一般要完全跟随微结构阵列的轮廓设计（可分步），没有延伸刀具轨迹，见图2(b)。

因此，由于加工误差以及材料变形，微结构阵列加工过程中，常会出现一系列问题，例如陡边及尖锐特征被破坏或严重变形（如图3（a）所示）；同时，由于金刚石刀具的振动和惯性误差，也会导致尖锐特征被破坏（如图3(b)所示），使得所加工微结构阵列出现较大的误差，从而严重影响微结构阵列的最终性能。这使得精密微结构阵列的加工难度增大，从而也使制造成本增加。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明的目的在于提出一种加工难度低、保真度高的超精密微结构阵列的加工方法。

本发明提出的超精密微结构阵列的加工方法，流程如图4所示，分两大部分及7个步骤，具体如下：

I:微结构单元分组

（1）首先，根据微结构阵列的分布特点，确定阵列单元的个数及排列，例如，微结构为4x4的阵列,见图4(a)；

（2）将阵列适当分为若干组单元模块，在单元模块内对微结构单元进行顺序编号，例如，矩形区域微结构阵列，可按1,2,3,4进行编号,见图4(b)；

（3）将步骤（2）中形成的单元模块，依次拓展至整个微结构阵列，使所有微结构单元均有编号，见图4(c)；

II: 微结构单元的顺序加工

（4）根据微结构单元的尺寸，确定加工时的每次进给量以及加工总进给次数；

（5）根据材料特性和微结构轮廓，确定刀具轨迹的保形距离。刀具轨迹的保形距离见图5所示。例如，铝合金材料的微结构加工，可采用0.05mm的保形距离；

（6）依据微结构单元的编号，进行顺序加工。例如，首先进行加工编号为1的微结构单元，接着加工编号为2的微结构单元，依次类推，完成所有编号的微结构单元加工；

（7）根据每次进给量和进给总次数，完成最终微结构阵列的加工。多次进给加工示意图见图6所示。

本发明通过微结构单元分组，进行分布式加工，解决材料在陡边处的变形问题；通过刀具的保形运动路径规划，解决刀具惯性的影响。通过上述工艺，可以确保微结构的尖锐棱边和尖点的加工实现，从而确保微结构阵列高占比（有效工作面占整个工件表面的比例），提高微结构阵列的实际功效性能（比如微透镜阵列的成像质量）。

附图说明

图1为微结构阵列及应用。其中，(a)各种不同微结构阵列；（b）微结构阵列应用于集成成像及3D显示。

图2为加工微结构阵列采用的一般工艺方法。其中，(a)沿周向（回转反方向）顺序切削每个微结构单元，(b)刀具轨迹跟随微结构设计轮廓。

图3为现有微阵列加工问题图示。其中，（a）微结构阵列加工过程中出现的问题；(b)常规加工过程对尖锐特征的破坏示意图。

图4为本发明微结构阵列的单元分组加工工艺示意图。

图5为本发明采用保形刀具轨迹的微结构阵列加工。

图6为本发明微结构阵列加工多次进给示意图。

图7为本发明超精科金刚石加工微结构阵列图示。其中，(a)超精密加工过程；(b)加工的微结构阵列显微结构。

具体实施方式

微结构阵列的加工方法，可采用一般通用多轴（2轴及以上）精密及超精密机床实现。作为实例验证，使用一台五轴超精密金刚石加工机床 (Nanoform 700)，进行微镜阵列加工。设计的球面微结构口径为0.5mm，深度为0.1mm；切削加工参数为：主轴转速28 rpm；金刚石刀具圆弧半径0.1mm；保形距离0.05mm。

图7(a)是采用本发明加工方法进行微结构阵列的加工过程，图7（b）是加工完成的微结构阵列在显微镜下的图像。从图中可以看出，所加工的微结构的棱边及尖角非常清晰。