大口径光学元件微纳加工与检测技术研究与应用
光学微纳加工技术的研究
光学微纳加工技术的研究第一章：绪论随着科技的不断进步，微纳加工技术日益成熟，其中光学微纳加工技术成为了一个研究的热点。
光学微纳加工技术是利用光的特性对微纳尺度的物质进行加工，并以此制作微型器件、光学器件等。
该技术具有制作精度高、加工速度快、可加工物质种类多等优点。
本文将分别从光学微纳加工技术的概念、发展历程、加工原理、加工方法以及应用领域等几个方面进行探讨。
第二章：光学微纳加工技术的概念光学微纳加工技术是指利用光的特性对微纳尺度的物质进行加工的一种加工技术。
与传统的机械加工、化学加工等方式相比，该技术具有制作精度高、加工速度快、可加工物质种类多等优点。
随着科技的不断进步，光学微纳加工技术也不断发展和完善。
第三章：光学微纳加工技术的发展历程早在20世纪70年代初期，分子束技术和电子束技术等微纳加工技术已经开始萌芽。
20世纪80年代，随着激光技术的发展，人们开始将激光技术引入到微纳加工领域。
1997年，激光直写加工技术得到了广泛应用。
此后，人们又将飞秒激光技术引入到光学微纳加工技术中，使得加工精度得到了大幅提升。
21世纪初期，随着光学元件的应用范围的不断扩大，光学微纳加工技术也逐渐得到了广泛应用。
第四章：光学微纳加工技术的加工原理光学微纳加工技术利用光的特性对微纳尺度的物质进行加工。
光学微纳加工技术主要涉及到激光束的照射和光化学反应等，光的性质对加工产生了很大的影响。
在加工时，需要根据不同的加工要求选择不同的激光源、光学元件等，以实现精确加工。
第五章：光学微纳加工技术的加工方法光学微纳加工技术的加工方法主要包括激光直写、多光子聚焦、光刻等。
激光直写是一种基于激光束的照射和光化学反应的直接加工方法，可实现高精度的加工。
多光子聚焦是利用飞秒激光的特性对材料进行加工。
光刻则是利用可见光、紫外线等对光敏剂进行曝光的方法进行加工。
第六章：光学微纳加工技术的应用领域光学微纳加工技术已经被广泛应用于微电子、光学、生物医学等领域。
微纳加工技术及其应用
微纳加工技术及其应用微纳加工技术是以微米和纳米为尺度的加工技术，主要包括微电子加工、微机电系统（MEMS）加工和纳米加工等。
随着微纳技术的发展，包括光电子、生物医药、能源环保、纳米传感等等领域的应用层出不穷。
本篇文章将就微纳加工技术的基本原理与方法、应用现状及未来发展进行简要介绍。
微纳加工技术的基本原理与方法微纳加工技术通过对材料的切削加工、吸附脱附、光影刻蚀、微影、微流控等手段，将微米、纳米级别的结构和器件加工出来。
其中，微电子加工是指使用光刻和薄膜技术，在半导体晶片表面制备电子元件和电路。
而MEMS加工则通过热压法、刻蚀法、电化学的电解金属加工、激光束加工等方式在晶圆上制造出微机电传感器和执行器等器件。
纳米加工则主要是通过控制材料原子的运动来予以加工。
光电子领域是微纳加工技术中应用较为广泛的领域之一。
微型化的光电子器件可以具有更高的速度、更高的分辨率、更高的稳定性，使得光学检测技术有着更为广泛的应用。
比如，MEMS驱动式的投影仪、MEMS激光听觉波达仪可以实现对声波和光传播中的障碍物的探测，对于通讯系统等领域有着应用前景。
在生物医药领域上，微纳加工技术可以制作出高精度的微流控芯片、生物芯片和生物传感器。
这些器件可以实现对细胞、蛋白等微生物级别的定量分析，比如基于生物芯片的蛋白质芯片技术、血糖传感器技术等等。
此外，微型针头技术也可以被应用于微创手术、药物输送等医疗领域，实现治疗效果更加精准化的目的。
在能源环保领域，微纳加工技术可以制备出电池、电容等储能和转化材料，还能够制作出可以将太阳能和机械能转换为可用电能的器件。
此外，纳米催化剂可以用于三元催化转化器，用于减少机动车尾气排放的有害物质。
微纳加工技术的未来发展微纳加工技术具有无限的发展潜力。
未来，微纳加工技术的致密化、快速化将会是发展的主要方向。
另外，生物医药领域将是微纳加工技术的重点应用领域，未来也涌现了一大批微纳加工技术与医疗应用公司。
微纳加工技术还可以为物联网提供重要的支持，特别是在微型化的传感器和控制系统方面。
微纳光学加工及应用
微纳光学加工及应用孙奇一、微纳光学结构光是一种电磁波，是由同相相互垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动而形成的，其传播方向垂直于电场与磁场所构成的平面，电磁波能有效的传递能量和动量[1]。
从低频到高频，电磁波可以分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和γ射线等，人眼可见波长在380nm至780nm之间，如图1所示。
(a)(b)图1. (a) 电磁波传播方式(b) 电磁波按频率分段图（图片来自网络）传统光学只研究可见光与物质的相互作用，而现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。
随着微加工技术的日臻成熟，电磁波在微纳结构中的传播，散射和吸收等性质开始逐渐被人们研究。
1987年，Yabnolovich和John首次提出了光子晶体的概念[2, 3]；1998年，Ebbesen等人发现在打了周期性亚波长纳米空洞的厚金属膜上存在着超强的光投射峰，这一发现激起了对金属周期结构中表面等离激元的研究热潮[4]。
从1987年至今，各领域对光学微纳结构的研究一直在迅猛发展。
1.1光子晶体从固体物理的概念中可以得知，当电子在周期性的势场中运动时，由于电子受到周期性势场的布拉格散射的作用形成了电子的能带结构，同时电子的能带与能带之间在一定的晶格条件下将存在带隙。
在带隙能量范围内的电子其传播是被禁止的。
运动的电子实际上也是一种物质波。
无论何种波动形式，只要其受到相应周期性的调制，都将有类似于电子的能带结构同样也都可能出现禁止相应频率传播的带隙。
微纳光学结构技术是指通过在材料中引入微纳光学结构，实现新型光学功能器件。
1987年，Yabnolovitch和John在讨论如何抑制原子的自发辐射和光子局域的问题时，把电子的能带概念拓展到光学中，提出了光子晶体的概念。
光子晶体就是规律性的三维微结构，其周期远小于波长，形成光子禁带，通过引入局部缺陷，控制光的传播与分束。
同样的，固体物理晶格中的许多概念都可以类似的运用到光子晶体中，诸如倒格矢空间、布里渊区、色散关系、Bloch函数、Van Hove奇点等物理概念。
微纳加工技术的研究与应用
微纳加工技术的研究与应用随着科技的进步，微纳加工技术已经越来越受到各行业的关注与应用，被誉为“新兴科技领域的基础性技术”。
微纳加工技术在半导体芯片制造、光学元件制造、生物医学、MEMS器件制造等方面有着广泛的应用。
接下来，本文将会从微纳加工技术的定义、特点及应用方面进行详细的探讨。
一、微纳加工技术的定义微纳加工技术是通过采用光刻、薄膜沉积、离子注入、蚀刻、退火、电镀等方法，对纳米及微米级别的材料进行加工和调控。
在微纳加工技术的实现过程中，需要借助于半导体工艺、化学过程、物理和材料学等各种学科的综合应用。
二、微纳加工技术的特点1、高精度：微纳加工技术可以在微米甚至纳米级别上进行加工，具有极高的精度，使得其在科学研究、医疗器械等领域具有广泛的应用价值。
2、多层次加工：微纳加工技术可以在同一材料表面上不断重复进行加工，实现不同深度的加工，从而形成多层次的结构。
3、无损加工：微纳加工技术大多采用非接触式的加工方法，具有无损加工的特点，可以高效地降低对材料的破坏性。
4、高效率：微纳加工所需的设备相对较小，加工、测试、维护都比较容易，而且可以进行批量加工，从而使其具有高效率的特点。
三、微纳加工技术的应用1、半导体芯片制造：微纳加工技术可以制造出高密度和高集成度的半导体芯片结构，这种技术可以大大提高微芯片的运算速度和功能，为智能手机、电脑等电子产品的诞生提供必要技术支持。
2、光学元件制造：光学元件制造在很多领域都有着广泛的应用，例如投影仪、显示器、激光器和光学通讯等领域。
微纳加工技术可以制造出纳米或者微米级别的光学元件，从而可以使这些元件具有更强的效率和性能。
3、生物医学：微纳加工技术已经在人类的健康领域展现出其重要的地位。
微纳加工技术可以用于生物芯片的制造、药物的释放、组织工程以及基因工程等领域，突破了传统生物医学的瓶颈，对未来的医学诊断、治疗等领域提供了新的选择。
4、MEMS器件制造：MEMS，即微电子机械系统，是一种集成电路产业和微机械制造产业的产物，利用微纳加工技术可以制造出小型化的、低功耗并具有巨大应用价值的MEMS器件，例如传感器、锂电池、刻度微拆合器等等。
微纳制造技术的研究与应用
微纳制造技术的研究与应用引言微纳制造技术是指通过对微米和纳米尺度下材料和结构进行控制和组装，实现精密加工和制造的技术。
微纳制造技术的研究与应用在诸多领域都有深远的影响，包括电子、光学、生物、医药、材料等。
本文将从微纳制造技术的概念、研究进展和应用案例等方面进行探讨。
微纳制造技术的概念微纳制造技术是一种基于微米和纳米尺度的制造工艺，通过对材料和结构进行精密控制和组装，实现对微小物体的加工和制造。
微纳制造技术主要包括微纳加工、微纳组装和微纳测量等方面的内容。
微纳加工微纳加工是指通过光刻、离子束刻蚀、激光加工等技术，在微米和纳米尺度下对材料进行加工和雕刻。
微纳加工技术的出现，使得制造出具有纳米特性的器件成为可能，如纳米电子元件、纳米光学元件等。
微纳组装微纳组装是指将微米和纳米尺度的零部件组装成功能完整的器件或系统。
微纳组装技术可以通过自组装、机器人组装等方式实现。
微纳组装技术的研究和应用，是实现微纳器件可靠性和复杂度的关键。
微纳测量微纳测量是指对微米和纳米尺度下材料和结构的测量和分析。
微纳测量技术可以通过扫描电子显微镜、原子力显微镜等设备实现，能够观察和分析微米和纳米级别的结构特征和性能。
微纳制造技术的研究进展微纳制造技术的研究与发展已经取得了许多重要进展，以下是几个方面的研究进展介绍。
纳米光子学领域的研究纳米光子学是将光子学与纳米技术相结合的研究领域。
通过微纳制造技术，可以制备出纳米级别的光学器件，如纳米光波导、纳米天线等。
这些纳米光学器件具有微小体积和高效性能的特点，可以应用于光通信、光传感和光计算等领域。
微纳机械系统的研究微纳机械系统是将机械学与微纳制造技术相结合的研究领域。
通过微纳制造技术，可以制备出微纳机械器件，如微型电机、微型臂等。
这些微纳机械系统具有体积小、功耗低、响应快的特点，可以应用于微型机器人、生物医学等领域。
纳米材料的制备与表征纳米材料是一种具有纳米级尺寸的材料，具有独特的物理、化学和生物学特性。
微纳光学和纳米光学的研究及其应用前景
微纳光学和纳米光学的研究及其应用前景微纳光学和纳米光学是在微观和纳米尺度下研究光学现象和光学器件的领域。
随着现代科技的发展和人们对科技应用的需求，微纳光学和纳米光学领域的研究受到越来越多的关注，其研究和应用前景也十分广阔。
一、微纳光学和纳米光学的研究微纳光学和纳米光学的研究主要围绕着微观和纳米尺度下的光学现象和光学器件展开。
在微纳尺度下，材料的光学性质和大尺度下有很大不同，对于研究和制造新型光学器件具有重要的意义。
例如，微纳米尺度下的局域场增强效应成为了纳米光学研究中的重点领域之一。
这种局域场增强效应可以增强光与材料的相互作用，提高光的灵敏度和增强光的信号。
局域场增强效应在光学传感器、表面增强拉曼光谱等领域具有应用前景。
另外，微纳结构的优异光学性质使其在光电器件领域具有广泛的应用前景。
如利用微纳管道结构的吸波性能，可以在太阳电池中制造高效率的光伏元件；利用微纳孔洞结构的高透过率和较低反射率，可以制造高透过率的光学衬底。
二、微纳光学和纳米光学的应用前景微纳光学和纳米光学具有广泛的应用前景，已经在生物医学、能源、照明、信息技术等领域得到了广泛的应用。
以下针对其中几个领域进行简要介绍。
1、生物医学微纳米光学技术在生物医学领域的应用也越来越广泛。
例如，利用表面增强拉曼光谱（SERS）技术可以进行药物分子的结构分析，帮助药物的研制和配制。
还可以将SERS技术用于癌细胞检测，提高检测的准确率。
另外，光纤检测技术可用于神经生物学的研究。
2、能源微纳光学和纳米光学的应用也涉及到能源领域。
如利用纳米结构提高太阳能电池的效率，开发新型的太阳能电池；同时利用纳米结构组成的光子晶体来改善LED的效率和光衰；利用纳米材料可实现电解水产氢、电池优化等地能源转换应用。
3、照明新型照明技术在现代社会中得到了越来越广泛的应用，而微纳光学和纳米光学也有重要的地位。
研究人员可以采用纳米结构来调控光的波长和方向、提高光的亮度和均匀度，从而实现更加高效、节能的照明系统。
微纳加工技术的研究现状及其应用
微纳加工技术的研究现状及其应用随着科技的不断发展，微纳加工技术也随之不断突破。
微纳加工技术是指对材料、器件、系统等微观尺度下进行加工和制备的一种技术，通常包括3D打印、激光刻蚀、电化学腐蚀、离子束刻蚀等技术。
这些技术的发展让微纳级尺度下的加工成为可能，并为纳米科学和技术领域的制备和应用提供了强有力的支持。
目前，微纳加工技术已经在众多领域得到了广泛的应用。
下面将分别介绍紧凑型二氧化硅压电驱动器件、微电阻器、微压力传感器等产品的具体应用。
第一个应用是紧凑型二氧化硅压电驱动器件。
该产品是一种微纳级尺寸的压电驱动元件，可用于驱动纳米级运动，例如实现调节微型透镜、微镜头等领域的焦点。
该产品具有高驱动效率、低开销等优点，所以在光学制造领域得到广泛的应用。
第二个应用是微电阻器。
这种产品是一种微型电阻器，其大小仅仅为毫米或者更小，能在拥挤的电路板上占据更少的空间。
微电阻器在微小的微控制器和计算机系统单元中发挥着重要的作用。
微电阻器不仅具有非常高的精度，而且易于安装，可以帮助设计师在设计微小器件时获得更高的灵活性。
第三个应用是微压力传感器。
这是一种为极小的压力测量而专门设计的微型机械传感器。
这种传感器的结构非常精细，微型化的体积使得其可以应用于很多领域，例如流量测量、医疗器械等。
由于压力传感器具有很高的测量精度，因此它们成为各种系统的必备元件。
总的来说，随着微纳加工技术的不断进步，其应用也越来越广泛。
从微型透镜、微电阻器和微压力传感器等应用领域的例子，我们可以看到微纳加工技术的重要性。
未来，这种技术的发展将继续推动微系统领域的创新，从而对各种科学、医疗和其他领域产生更大的影响。
微纳加工技术在制造工艺中的应用
微纳加工技术在制造工艺中的应用随着科学技术的不断发展和进步，微纳加工技术逐渐得到广泛应用并在制造工艺中发挥着重要作用。
微纳加工技术是指在微观和纳米尺度上对材料进行加工和制造的技术，包括微观和纳米加工、微观和纳米装配、微观和纳米测量等方面的技术。
本文将就微纳加工技术在制造工艺中的应用进行阐述。
一、微纳加工技术在光学器件制造中的应用微纳加工技术在光学器件制造中起到了关键作用。
以光学纳米结构制造为例，利用微纳加工技术可以高精度地制造出微米尺寸的结构，从而实现了光学的自由控制。
微纳加工技术还可用于制造光电子器件、光纤器件等，极大地推动了光学领域的发展。
二、微纳加工技术在传感器制造中的应用微纳加工技术在传感器的制造中也起到了重要的作用。
传感器是一种用于检测和感知环境变化的装置，在工业、医疗、物联网等众多领域有着广泛应用。
利用微纳加工技术可以制造出高灵敏度、高精度的传感器，可以实时监测和记录所感知的信息，从而提高了传感器的性能和可靠性。
三、微纳加工技术在纳米材料制备中的应用纳米材料是一种具有特殊物理、化学和生物性能的材料，具有广泛的应用前景。
微纳加工技术可以精确地控制纳米材料的结构和形貌，制备出具有特殊功能的纳米材料。
例如，利用微纳加工技术可以制备出具有高导电性、高强度、高表面活性的纳米材料，这些材料在新能源、催化剂、生物传感器等方面都具有重要的应用价值。
四、微纳加工技术在微电子器件制造中的应用微电子器件是微纳加工技术的重要领域之一。
微纳加工技术可以制造出微米尺寸的电子元器件，如微型传感器、微型电容器、微型电感器等。
这些微电子器件具有体积小、功耗低、性能优良等特点，可以广泛应用于计算机、通信、医疗等领域，推动了微电子技术的发展。
五、微纳加工技术在生物医学领域中的应用微纳加工技术在生物医学领域中的应用也日益增多。
例如，利用微纳加工技术可以制造出微型药物输送系统，将药物精确地输送到病变部位，提高治疗效果。
微纳加工技术还可用于制造生物芯片、微型探针等，用于研究生物分子的结构和功能，提高基因测序和诊断技术的准确性和灵敏度。
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关键词: 微纳米加工; 检测; 超精密加工装备; 快速抛光; 加工监控; 表面织构化 中图分类号 : T G 58 文献标志码: A 文章编号: 0438 0479( 2011) 02 0286 07 熟[ 4 7] : 数控单点金刚车削 , 主要用于大中小口径有色 金属及少数光学晶体等材料加工, 加工精度及效率高、 重复性好 ; 非球面复制技术, 包括模压成型及环氧树脂 复制 , 适合于大批量生产小口径非球面 ( 100 mm 以 下) , 需要高精度模具 ; 非球面离子束加工, 适用于中小 口径非球面局部表面修整 , 能获得很好表面质量, 但效 率低且加工过程不易控制 ; 非球面研磨抛光技术, 如数 控小磨头抛光、 磁流变抛光、 电流变抛光等均能实现高 精度非球面, 是较为可控的方法; 非球面金刚石砂轮磨 削技术, 是非球面加工技术中的关键内容, 其加工对象 主要是光学玻璃、 黑色金属等硬脆性难切削材料, 随着 材料科学发展, 硬脆性材料的非球面应用趋势加强 , 因 此金刚石砂轮磨削技术在超精密加工领域起着越来越 重要的作用. 已开发的非球面加工方法, 基本上解决了各种中 小口径非球面镜的加工问题 , 并且相应加工设备的总 体成套水平较高 . 而由于大口径非球面在国防军事等 领域的应用, 相关的加工技术及装备开发等各方面研 究以国家经费投入较多 , 并且国外发达国家均对我国 进行严格技术和设备禁运. 从 20 世纪 90 年代以来 , 在 先进军事及空间光学系统、 激光核聚变、 大型天文望远 镜工程等国家重大光学工程任务的需求牵引下 , 大口 径非球面 , 尤其是大口径光学玻璃非球面的各种新型 光学制造和检测技术得到了快速的发展 . 就技术发展 趋势而言 , 超精密金刚石砂轮磨削技术、 确定性抛光技
术和与加工相配套的大尺寸高精度检测技术是各国研 究的重点 , 其技术特点以 超精密机械化 、 数字化 、 定量化 和 智能化 为标志. 通过分析各类非球面方程类型 , 可知 x 、 y、 z 三轴 联动的超精密平面磨床通过直线或圆弧包络方法可以
第2期
郭隐彪等 : 大口径光 学元件微纳加工与检测技术研究与应用
2
先进光学加工工艺
大口径光学元件金刚石砂轮磨削加工是利用数控
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厦门大学学报 ( 自然 科学版)
2011 年
机床对工具运动轨迹的精密复写来保证面形的 . 一个 完整的大口径光学元件加工体系应包括超精密加工机 床、 加工工具及修整等配套系统、 加工环境、 测量系统、 工件材料、 夹具系统、 磨削液、 计算机辅助制造软件、 操 作人员等要素. 在加工对象确定的情况下, 除了机床之 外, 要实现高精度高效加工, 加工工具及配套技术等应 达到较高要求. 金刚石砂轮对硬脆材料的加工具有较 好的形状精度及加工效率 , 在加工中必须保证金刚石 砂轮处于良好的加工状态 , 则其加工表面的修整及检 测方法也是影响砂轮磨削性能的重要因素 . 为了适应 日趋精密的工作精度需求及不断追求的高效率和高自 动化的目标, 高精度动平衡可控制砂轮振动在 0. 1 m 以下 , 动平衡已成为非球面磨削加工中必不可少的关 键手段. 为保证磨削得到的加工精度及充分发挥数控机床 精度特性 , 根据不同类型光学表面和具体机床结构方 式, 选择合理有效的加工规划控制方法是关键 , 即在机 床机械系统特性基础上实现数控轨迹 规划的高精度 化. 以提高大口径光学元件加工精度及优化工艺为目 的, 提出大口径非球面加工误差分离及补偿、 砂轮均匀 磨损与速度控制技术, 在精密磨床上实现了高精度加 工; 深入优化了金刚石砂轮修整技术参数, 极大提高修 整效率; 研究了精密磨床中整体平衡技术, 并实现加工 状态监控 ; 建立了磨削过程微小振动对加工精度的影 响模型, 实现了通过选用合理加工参数来提高表面精 度
[ 8 10]
图 3 加工控制系统软 件 F ig. 3 M achining co nt rol softw are
得第一次加工后工件精度很难达到要求 , 实际加工无 法完全按照理想加工曲线加工. 为保证非球面磨削各 个阶段的加工精度, 检测技术成为先进光学元件制造 技术的关键. 非球面测量一般有两方面内容, 一是粗精 加工阶段的在位测量 , 为补偿加工提供数据, 该阶段特 点是工件表面较粗糙 , 不能用常规的方法检测 , 如刀口 阴影法、 激光数字干涉仪等进行检测; 二是加工完成后 工件加工质量的离线检测及评价. 在位测量通常是在 机床主轴上安装接触式或非接触式高精度传感器, 如 激光位移传感器、 电感测微仪、 长度计等 , 利用机床的 运动机构按规划好的测量路径进行 . 离线测量方法很多 , 接触式中最常用的就是三坐 标测量机和轮廓仪, 测量精度高, 量程较大 . 该类设备 十分昂贵、 维护和使用环境要求很高, 尤其是测量精度 1 m 以下. 已有商业化三坐标测量机空间精度 0. 6+ L / 600 m, 探测精度 0. 6 m. 轮廓 仪方面以 T aylo r H obson 公司的 P GI1240 非球面测 量系统最为出色, 具有 200 m m 12. 5 mm 的测量范围、 0. 8 nm 的传感 器分辨率 . 在各种非接触式测量方法中 , 干涉法以其灵 敏度高, 加之补偿镜、 计算全息、 移相、 外差、 锁相、 条纹 扫描等先进技术的出现 , 一直成为非球面检测的主要 途径 . 该领域世界知名企业 , 英国 T ay lor H obso n、 美 国 Zyg o 和 Veeco 、 日本三鹰光器等公司均有亚纳米级 激光干涉系统产品, 用于非球面的非接触式三维测量. 伴随着非球面加工技术的发展, 近年来在原有的非球 面零位检验基础上, 相继出现了一些新的检测技术 , 可 应用于高精度大口径非球面的离线测量 , 如: 计算全息 检测技术、 子孔径拼接干涉法、 数字莫尔条纹法等 . 大口径光学元件的检测难点在粗精加工阶段, 即 相应精度等级的在位检测 , 可为大口径元件补偿加工 提供数据 , 或指导工件进入后续抛光工艺, 从而缩短工
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பைடு நூலகம்
实现各类大口径凸面非球面加工, 更具通用性 . 根据当 前设备水平, 对于大口径光学元件 , 通常加工工序为铣 磨成型 粗磨 精磨 抛光 精修, 该工序流程中加 工精度逐渐提高 , 而材料去除率迅速降低, 因此采用高 精度平面磨床的粗磨精磨加工精度将制约工件的整个 加工周期 . 本文以大尺寸光学元件的高精度平面磨削加工技 术为主要研究内容, 涉及到光学非球面的加工机床 , 以 及加工工艺、 面形检测、 加工监控、 表面织构化等关键 技术 , 阐述实现各类非球面元件高精度、 高效率、 高自 动化程度的磨削加工工艺系统的研究发展情况.
大口径光学元件通常包括平面及非球面 . 非球面 一般是指轴对称非球面及非轴对称非球面 , 根据光学 设计应用需求, 在基本类型的基础上又衍生出几种广 义的非球面, 如离轴非球面、 楔形非球面等 . 光学非球 面元件相比球面而言 , 能提高光学系统的相对口径比, 因此可简化结构 , 同时非球面能消除球面元件在光传 递过程中产生的球差、 慧差、 像差、 场曲等不利影响 , 减 少光能损失, 从而获得高质量的图像效果和高品质的 光学特征 . 当前非球面广泛应用在航天航空、 国防、 天 文、 医疗以及光电等高技术领域, 其中大口径光学非球 面元件( 400 mm 以上) 在激光核聚变装置、 高能激 光、 红外热成像、 卫星用光学系统、 大型天文望远镜、 医 疗影像设备等国家重大光学工程及国防尖端技术中需 求急速增长, 而中小型非球面更多应用于民用光电产 品领域, 作为信息传递的关键组件 , 在计算机、 光通讯、 手机、 数码照相机以及视听设备等各种最新的电子产 品中 , 起着极其重要的作用
( 厦门大学 物理与 机电工程学院 , 微纳米加工与检测联合实验室 , 福建 厦门 361005)
摘要 : 超精密金刚石砂轮磨削是 大口径先进光学元件微纳加 工的主 要技术, 是实 现确定 性批量 加工的 重要保 证. 以 实
现高 精度、 高效率、 高自动化程度加工为目的 , 阐述了大口径光学元 件微纳加工与检测的加工技术系统 , 详 细分析高精 度 加工设备及工艺控制、 大尺寸检测、 加工环境监控、 快速抛 光、 表面织构化等研究应用情况 .
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高精度磨削加工设备
超精密加工经过数十年发展已形成了一整套完整
的超精密制造技术系统, 可以说超精密加工是综合的、 系统的技术组合 . 目前除了超精密加工机床及加工工 具外 , 实现一个完整的非球面超精密磨削加工过程 , 还 应该包括的关键配套技术有 : 超精密加工工艺控制方 法、 金刚石砂轮修整及动平衡技术、 与加工精度相适应 的测量方法及误差补偿、 超精密加工环境控制 ( 包括恒 温、 隔振、 洁净控制等 ) . 此外, 加工监控、 计算机辅助制 造软件系统等也是提高加工精度、 效率以及提高自动 化程度的必要措施. 因此 , 基于高精度平面磨床的加工 技术系统如图 1 所示 . 从国内现有装备发展水平来看, 目前在大口径非球面等光学元件加工领域 , 研制开发 相应大尺寸高精度平面磨床及开展加工配套技术研究 是重点.
[ 1 3]
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加工技术总是随着需求的增长而发展 . 非球面是 光学领域的重要发展, 其广泛应用给精密超精密加工 技术提出了迫切要求 , 尤其是在提高制造精度及效率、 降低成本方面, 国内外普遍认为数控加工技术是解决 非球面加工难的根本途径 . 在传统手工加工技术基础 上, 从 20 世纪 80 年代开始在各工业发达国家研究推 动下, 一 批先进的 高精度非 球面加工 技术已日 趋成
拖板移动式具有结构简单、 总体刚性好、 磨削效率高等 特点 , 且左右和前后的独立运动, 可进一步减少复合误 差. 随着制造技术发展, 当前精密与超精密平面磨床的 综合性技术趋于成熟 , 并形成相应的结构特点 : 1) T 形整体布局的模块化设计 ; 2) 采用液体动静压轴承的 主轴单元 ; 3) 具有液体静压或空气静压平面导轨结构 的直线运动单元 . 4) 采用光栅尺或激光干涉仪的位置 反馈全闭环结构的运动反馈单元; 5) 具有高的编程分 辨率 ( 0. 1 m 及以上精度 ) 的数控系统和高精度的伺 服控制软硬件环境, 能实现高控制速度 ( 毫秒级响应) 、 微纳米级轮廓控制与插补 ; 6) 设计中预先控制的热对 称性及热稳定性 . 目前, 垂直、 横向最小进给量 0. 1 m 的大型超精 密平面磨床在国际上已相当普遍, 在超精密磨削加工 领域 , 具有代表性 的如日本长濑工 机公司的 N C C、 N 2 C U 及 SGC 系列, 冈本公司的 U PG 及 P SG 系列, 德国保宁的 P rof imat 系列. 从国外应用 情况来看, 美 国、 德国等国家在大口径光学元件加工技术的开发计 划中都提出并实现了大型超精密多轴机床来完成从玻 璃毛坯到高精度光学表面的直接磨削成型加工 . 因此 针对国家重要光学工程需求, 本课题组研制了如图 2 所示 的 立 柱 移 动 式 数 控 卧 轴 矩 台 平 面 磨 床 MGK7160, 工作台加工范围 800 mm 600 mm, 各轴 分辨率 0. 1 m , 主轴最高转速 3000 r/ min, x 轴移动 速度最大 20 m/ min, y 、 z 两轴 移 动速 度 最大 5 m/ min. 机床整体采用模块化结构, 机械结构部分由床身 工作台、 立柱、 底座、 磨头、 砂轮修整装置、 动平衡系统、 外围防护罩、 电磁吸盘等组成 ; 电气及辅助部分主要有 电气及数控系统、 光栅反馈系统、 液压系统、 冷却系统、 过滤系统、 润滑系统、 空气净化装置等.