在线多波段光感应解耦的微光学部件成型过程监控方法

本发明涉及智能制造技术和加工过程监控领域，具体涉及一种在线多波段光感应解耦的微光学部件成型过程监控方法。

背景技术：

1、微光学部件具有尺寸微小、集成度高等特点，可以改善零部件的光学、物理、化学特性，提高产品的附加值。在微光学部件表面微细的多级微透镜阵列结构，可具有更加优越的产品附加值，形成具有更加复杂光学功能特性的微结构具有高集成化，微型化和多功能化的特点。光学高附加值产品往往要求制造出复合微透镜阵列。例如两级微透镜阵列可运用于健康护眼照明、仿生复眼结构等方面。

2、热压成型具有低成本、效率高的特点，使得微光学部件表面复合微透镜阵列结构生产具有产业化的可能。但在光学复合微透镜阵列的快速热压印成型生产过程中，由于热压印工艺参数和复合微透镜阵列成型高度之间关系的非线性和复杂性，热压印过程工件表面应力难以预测，导致精度不足难以及时发现，是产线自动化的瓶颈之一。此外，设备受到环境因素，传感器漂移，设备老化等影响，工艺参数漂移的潜在问题难以发现，导致生产精度下降。因此有必要在微光学部件成型的生产过程中结合热压印成型机理进行在线精度控制和设备状态监测。

3、为解决上述问题，一种宏观光感应微阵列热压成型的实时控制装置及方法(cn201710226928.5)公开了一种宏观光感应微阵列热压成型的实时控制方法，实现了对产品宏观表面微阵列成型效果的自适应控制，从而降低了生产成本，提高了加工质量和效率。但该专利的光学检测仅运用于单层微结构，无法针对复合微透镜阵列进行在线检测。且该方法只通过线性关系拟合成型高度与照度之间的关系，无法反映复合微透镜阵列成型尺度与热压印工艺参数将的非线性关系。该方法未使用多波段多方位光感应技术且该方法未对设备状态进行监测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对微光学部件加工成型精度及设备状态容易受到环境变化、传感器精度漂移、设备老化等的影响，提供一种在线多波段光感应解耦的微光学部件成型过程监控方法，通过解耦加工过程中多波段照度曲线，建立热压印过程参数、光照度值和成型尺度间的关联数据库，在加工中经验概率算法通过检测的光照度值并基于关联数据库在线预测当前各级微透镜阵列成型尺度和设备加工过程参数，并通过反馈调整实现加工过程监控。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、在线多波段光感应解耦的微光学部件成型过程监控方法，包括以下步骤：

4、s1、设置系统参数，设定期望复合微透镜高度hi*；

5、s2、根据期望复合微透镜高度，根据过往加工形成的经验数据库，基于先验概率选出适用于本次热压加工的热压印工艺参数，热压印工艺参数包括热压温度、热压压力和保压时间；

6、s3、热压印成型阶段，在工件周围放置n个光源和n个光线接收装置，每个光源均对应一个光线接收装置，用于可持续检测工作台运动至不同位置时的光线值；预设热压印工艺参数，在热压印平台开始向上运动时，打开所有光源，这些光源能发射红色、绿色和蓝色三种颜色的光，发射的光一部分被光线接收装置接收；

7、s4、将光源接收装置接收到的每种颜色光对应测量值的照度曲线特征化，每条照度曲线提取多个照度特征值，得到本次热压印成型的所有照度特征值；每条照度曲线通过每个光源每种颜色的波长对应照度特征值，并根据经验数据库通过基于先验概率的算法得到在线检测热压印工艺参数、模芯成型合模时的运动速度、工件成型的平整度，并根据复合微透镜阵列热压印成型理论模型，通过热压印工艺参数，得到实际工件表面应力和热压印成型高度；

8、s5、若预测热压印工艺参数与设定热压印工艺参数之差超过设定阈值，则设备出现故障，需要对设备工艺参数进行反馈控制；若在设定阈值之内则执行步骤s6；

9、s6、工作站比较期望成型高度和预测成型高度，若超出允许的误差范围，则重新设定复合微透镜高度并返回步骤s2调整热压印工艺参数，若未超出允许的误差范围返回步骤s3继续加工。

10、进一步地，基于先验概率选出适用于本次热压加工的热压印工艺参数为：

11、

12、式中，ki为本次加工时所采用的热压印工艺参数，hi为复合微透镜阵列结构各级阵列高度；p(ki|hi)为本次期望复合微透镜阵列高度对应到经验数据中得到的工艺参数的概率；p(hi|ki)为经验数据库中在工艺参数ki下得到的hi的概率；p(hi)为经验数据库中hi的概率；选择最大概率p(ki|hi)为本次选择的工艺参数；

13、在进行过程参数预测时，采用基于先验概率的算法可表述为：

14、

15、式中，ei为本次加工时光源接收装置测得的所有照度特征值，qi为本次加工时模芯成型合模时的运动速度、工件成型的平整度，p[(ki,qi)|ei]为本次加工时得到的照度特征值数据对应到经验数据库(11)中得到过程参数(ki,qi)的概率；p[ei|(ki,qi)]为经验数据库(11)中成型高度和过程参数(ki,qi)条件下测得照度特征值为ei的概率，选择最大概率p[(ki,qi)|ei]为本次预测的过程参数。

16、进一步地，采用复合微透镜阵列热压印成型理论模型预测过程参数中的工件表面应力：

17、σ＝σsδsin(θ0/2)/(r(1-cos(θ0/2))) (3)

18、其中θ0、r满足下列关系：

19、

20、其中hm通过下式求解：

21、

22、式中，e(t)为材料的弹性模量，hm为机械压缩高度，l为工件长度，l0为模芯平台宽度，hv为模芯表面v形微槽结构高度，θv为模芯表面v形微槽结构角度，θ0为微透镜圆弧角度，r为微透镜圆弧半径，δ为工件宽度，σs为丝网压力，σ为工件表面应力，t为热压温度，a为工件厚度，f为机械压缩力；

23、若预测复合微透镜阵列高度中大微棱镜高度h1和小微透镜高度h2：

24、

25、

26、式中，kr为回弹系数，r0为弹性网孔衬垫孔径，r0为微槽等效半径，η(t)为聚合物工件黏度，t为保压时间，n为等效系数。

27、进一步地，若预测得到的热压印工艺参数高于设定热压印工艺参数，需要对设备工艺参数进行反馈控制，设定热压印工艺参数ki’＝ki-1，ki为本次加工时所采用的热压印工艺参数；若实际工艺参数低于设定热压印工艺参数，则新设定工艺参数ki’＝ki+1。

28、进一步地，若预测得到的微透镜高度高于期望微透镜高度，需要重新设定复合微透镜高度，新设定微透镜高度hi’＝hi*-1，hi*为期望复合微透镜高度；若预测得到的微透镜高度低于期望微透镜高度，则新设定微透镜高度hi’＝hi+1。

29、进一步地，在构建经验数据库时，实际热压压力由热压传感平台测量，实际热压温度由热电偶测量，实际保压时间通过压力曲线的变化来测量。

30、进一步地，若成型复合微透镜阵列，需在工件和模芯间加入弹性微孔网衬垫为尼龙编织弹性网孔衬垫，目数为200～500目，孔径为10～40μm，裁剪为边长为85～90mm长的正方形。

31、进一步地，所述光线接收装置为光谱仪或者光照度计，光线接收装置针对混合发射的所有光，逐个计算不同波段的光的照度。

32、进一步地经验数据库中包括轮廓仪或共聚焦检测的复合微透镜阵列高度hi、热电偶和压力传感器检测的热压印过程实际工艺参数ki，其他监测的过程参数包括：模芯成型合模时的运动速度、工件成型的平整度，热压印过程照度曲线的照度特征值ei；经验数据库中数据不低于50组，且需定时更新经验数据库，以适应工况变化，数据库中数据各组保留时间不超过100天。

33、进一步地，光源接收装置测得照度进行特征化方法表述为：

34、在热压印平台上放置n个光源，对应n个光线接收装置，针对热压印过程中单个照度计接收到的一种波长的照度值，取热压印平台上移过程中照度的最大值为ea、合模过程中照度最低值eb、成型后工作台下移时的照度最高值和最低值ec、ed作为特征值。

35、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

36、1、本发明通过多波段及不同方位光波在不同微光学部件的折射和反射的状况不同，可反映出工件表面复合微结构阵列的高度。并且相较于运用泰勒轮廓仪、白光干涉仪等仪器进行产品成型质量检测具有高效率、低成本的优点。

37、2、通过经验数据库建立成型尺度和工艺参数、光照度特征值间的关联。再通过经验概率算法进行高度和工艺参数预测。整个过程可在加工过程中进行，可实时得到成型高度并实时监测设备状况。通过反馈控制可以控制复合微透镜的成型精度。

38、3、通过该方法可实现宏观表面的在线光学检测，实时反映生产状况，便于通过生产状况及时调整各种生产参数，提高生产精度和产线自动化水平，减少人力成本。