超精密機械加工技術在微光學元件制造中的應用
作者： 2013年07月22日 來源： 瀏覽量：
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1微光學概述1.1定義與名稱微光學是一門屬于多門前沿學科交叉領域的新興科學。微光學借助于微電子工業技術的最新研究成果，是國際上最前沿研究方向之一，并具有廣泛的應用前途。微光學元件（MOC），指面形精度可達亞
1 微光學概述
1.1 定義與名稱
微光學是一門屬于多門前沿學科交叉領域的新興科學。微光學借助于微電子工業技術的最新研究成果，是國際上最前沿研究方向之一，并具有廣泛的應用前途。微光學元件（MOC），指面形精度可達亞微米級，表面粗糙度可達納米級的自由光學曲面及微結構光學元件。自由光學曲面包括有回轉軸的回轉非球面（如拋物面、漸開面等），和沒有任何對稱軸的非回轉非球面，如Zernike 像差方程曲面。微結構是指具有特定功能的微小表面拓撲形狀，如凹槽、微透鏡陣列等，微金字塔結構表面。這些結構決定了對光線的反射，透射或衍射性能，便于光學設計者優化光學系統，減輕重量，縮小體積。典型微光學元件如全息透鏡、衍射光學元件（DOE）和梯度折射率透鏡等，將這些微光學元件應用在各種光電子儀器中，可以使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化。
1.2 微光學元件的應用
微光學元件是制造小型光電子系統的關鍵元件，它具有體積小、質量輕、造價低等優點，并且能夠實現普通光學元件難以實現的微小、陣列、集成、成像和波面轉換等新功能。隨著系統小型化不斷的成為一種趨勢，幾乎在所有的工程應用領域中，無論是現代國防科學技術領域，還是普通的工業領域的應用前景。軍用方面，西方國家在70 年代以后研制和生產的軍用光電系統，如軍用激光裝置、熱成像裝置、微光夜視頭盔、紅外掃描裝置、導彈引導頭和各種變焦鏡頭，均已在不同程度上采用了非球面光學零件。在一般民用光電系統方面，自由非球面零件可以大量地應用到各種光電成像系統中。如飛機中提供飛行信息的顯示系統；攝像機的取景器、變焦鏡頭；紅外廣角地平儀中的鍺透鏡；錄像、錄音用顯微物鏡讀出頭；醫療診斷用的間接眼底鏡，內窺鏡，漸進鏡片等。微結構光學元件應用更是廣泛，如光纖連接器中的微槽結構，液晶顯示屏的微透鏡陣列，及用于激光掃描的F-theta 鏡片，激光頭的分光器等，這些微結構光學元件在很多我們日常使用的產品中都有應用，比如手機、掌上電腦、CD 和DVD 等。
1.3 微光學元件加工方法
由于受應用需求的驅動，對微光學元件加工技術的研究也在不斷深入，出現了多種現代加工技術，如電子束寫技術、激光束寫技術、光刻技術、蝕刻技術、LIGA 技術，復制技術和鍍膜技術等，其中最為成熟的技術是蝕刻技術和LIGA 技術。這些技術基本都是從微電子元器件的微細加工技術發展而來，但與電子原件不同，三維成型精度和裝配精度對光學元件來說是至關重要的，將會直接影響其性能，因此這些方法各自都有它自身的缺陷和使用的局限性。如由于視場深度的限制，光刻技術僅限于二微結構和小深寬比三維結構的加工；采用犧牲層蝕刻技術，雖然可以實現準三維加工，但易使材料產生內應力，影響最終的機械性能，且設備造價非常昂貴；LIGA 技術利用的高準直度的X 射線光源，一般要通過同步輻射加速器得到，造價比光刻設備還要高許多，一般實驗室和企業都很難負擔得起；電子束寫技術能夠加工納米級的精密結構，但效率低，難以進行批量生產。復制技術，包括熱壓成型法、模壓成型法和注射成型法等，是一種適于批量生產的低成本技術，但要求其模具具有較高精度和耐用性。
微光學元件的另一加工方法是超精密機械加工技術。最近“財富”雜志上有這樣一句話：“超精密加工技術對光學元件的作用猶如當初集成電路對電子元件的作用”。這句話雖然不無夸張，卻說明了用超精密機械加工技術進行微光學元件的加工已經引起人們極大的重視。超精密機械加工技術在微光學元件加工中的應用將在下一節詳細論述。
2 超精密機械加工技術在微光學元件加工中的應用
超精密機械加工技術是利用刀具改變材料形狀或破壞材料表層，以切削形式來達到所要求的形狀。如單晶金剛石車削與銑削、磨削、快速切削和機械拋光等。本節主要講述超精密機械加工技術用于加工光學元件及其模具。
2.1 超精密機床關鍵技術發展
計算機輔助設計技術，尤其是有限元分析技術的發展，為超精密機床整體結構優化設計提供了便利手段，使得機床剛度和穩定性不斷提高。目前單晶金剛石車床的典型結構具有“T”型布局結構，主軸一般裝在X 向導軌上，刀具裝在Z 向導軌上。在近十幾年內，隨著計算機技術的高速發展，超精密機床的一些關鍵技術，如控制技術、反饋系統、伺服驅動裝置等方面有了很大的進步，提高了超精密機床的加工精度，目前，超精密已能夠直接加工出粗糙度達1nm 的表面。這些關鍵技術的發展概括起來有以下幾個方面：用天然花崗巖作機床床身，它具有非常高的熱穩定性和機械穩定性；利用空氣彈簧系統隔振；利用液體或氣體靜壓導軌，使阻尼增大，運動光滑，無摩擦；直流直線電機快速驅動系統，具有較好的動態剛度；高速空氣主軸，承載能力高，剛度大，可提高加工精度；開放式計算機數控技術（CNC），便于應用第三方控制軟件，提高加工精度；高分辨率檢測裝置，可以提供精確的位置反饋；利用快速伺服機構，實現多軸系統的宏微結合技術，用以加工復雜型面；在線測量和誤差補償技術，正確測量工件殘余誤差并最終消除誤差。
2.2 應用實例
電子技術及光學技術的發展，大大促進了自由非球面及其他非傳統幾何形狀微結構光學元件的應用。一些光學設計軟件的出現，使得光學設計者可以方便地對光學系統進行性能優化，但這同時也會使得光學元件變得復雜，這就要求微光學元件制造技術能夠勝任加工出這些復雜的光學元件。對微光學元件設計者和制造者來說，單晶金剛石超精密加工技術具有很多優勢，比如，能夠加工真正的三維結構；加工零件的成形精度達亞微米級；表面粗糙度達Ra 值5nm，有些材料甚至可以達到1nm；能夠加
工大深寬比的結構等。因此，在過去十幾年內，超精密加工技術在微光學元件加工中的應用實例也在逐漸增多。如單晶金剛石超精密加工技術已成功應用于隱形眼鏡、棱鏡、非球面透鏡、微透鏡陣列、金字塔微結構表面、減反射光柵等結構的加工。用單晶金剛石車床加工的微結構。雖然超精密加工技術對某些結構光學元件的加工具有很多優點，但將超精密加工技術與復制成型技術結合起來或許是加工微光學元件最有效的方式，即用超精密加工技術來加工復制模具，然后利用該模具制作出微光學元件。用單晶金剛石車床加工光學元件模具，需要注意選擇合適的加工參數，以減小毛刺，降低模具的誤差，另外要能加工出合適的金剛石刀具。用金剛石車床加工的模具來制作的菲涅爾透鏡用于高架投影儀已獲得巨大成功。
3 總結
微光學技術的不斷發展，對微光學元件制造技術提出了更高的要求，超精密機械加工技術，經過最近十多年來的快速發展，具有很多傳統光學制造技術，如光刻技術和LIGA 技術等所不具有的優勢：①能加工真正的三維結構，且精度達納米級；②能在模具上加工浮動對準結構；③能在同一元件上加工出不同深寬比的結構。在微光學制造領域，很多類似產品卻是由很多不同方法加工而成的，這說明了微光學制造技術的不成熟性，盡管超精密機械加工技術在微光學元件及其模具加工中的應用具有很多的優點，但也仍是處于初步發展階段。因此，超精密加工技術還具有很大的發展潛力。我們相信，超精密加工技術與復制成型技術結合，必將會推動微光學及其集成技術的大力發展。
1.1 定義與名稱
微光學是一門屬于多門前沿學科交叉領域的新興科學。微光學借助于微電子工業技術的最新研究成果，是國際上最前沿研究方向之一，并具有廣泛的應用前途。微光學元件（MOC），指面形精度可達亞微米級，表面粗糙度可達納米級的自由光學曲面及微結構光學元件。自由光學曲面包括有回轉軸的回轉非球面（如拋物面、漸開面等），和沒有任何對稱軸的非回轉非球面，如Zernike 像差方程曲面。微結構是指具有特定功能的微小表面拓撲形狀，如凹槽、微透鏡陣列等，微金字塔結構表面。這些結構決定了對光線的反射，透射或衍射性能，便于光學設計者優化光學系統，減輕重量，縮小體積。典型微光學元件如全息透鏡、衍射光學元件（DOE）和梯度折射率透鏡等，將這些微光學元件應用在各種光電子儀器中，可以使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化。
1.2 微光學元件的應用
微光學元件是制造小型光電子系統的關鍵元件，它具有體積小、質量輕、造價低等優點，并且能夠實現普通光學元件難以實現的微小、陣列、集成、成像和波面轉換等新功能。隨著系統小型化不斷的成為一種趨勢，幾乎在所有的工程應用領域中，無論是現代國防科學技術領域，還是普通的工業領域的應用前景。軍用方面，西方國家在70 年代以后研制和生產的軍用光電系統，如軍用激光裝置、熱成像裝置、微光夜視頭盔、紅外掃描裝置、導彈引導頭和各種變焦鏡頭，均已在不同程度上采用了非球面光學零件。在一般民用光電系統方面，自由非球面零件可以大量地應用到各種光電成像系統中。如飛機中提供飛行信息的顯示系統；攝像機的取景器、變焦鏡頭；紅外廣角地平儀中的鍺透鏡；錄像、錄音用顯微物鏡讀出頭；醫療診斷用的間接眼底鏡，內窺鏡，漸進鏡片等。微結構光學元件應用更是廣泛，如光纖連接器中的微槽結構，液晶顯示屏的微透鏡陣列，及用于激光掃描的F-theta 鏡片，激光頭的分光器等，這些微結構光學元件在很多我們日常使用的產品中都有應用，比如手機、掌上電腦、CD 和DVD 等。
1.3 微光學元件加工方法
由于受應用需求的驅動，對微光學元件加工技術的研究也在不斷深入，出現了多種現代加工技術，如電子束寫技術、激光束寫技術、光刻技術、蝕刻技術、LIGA 技術，復制技術和鍍膜技術等，其中最為成熟的技術是蝕刻技術和LIGA 技術。這些技術基本都是從微電子元器件的微細加工技術發展而來，但與電子原件不同，三維成型精度和裝配精度對光學元件來說是至關重要的，將會直接影響其性能，因此這些方法各自都有它自身的缺陷和使用的局限性。如由于視場深度的限制，光刻技術僅限于二微結構和小深寬比三維結構的加工；采用犧牲層蝕刻技術，雖然可以實現準三維加工，但易使材料產生內應力，影響最終的機械性能，且設備造價非常昂貴；LIGA 技術利用的高準直度的X 射線光源，一般要通過同步輻射加速器得到，造價比光刻設備還要高許多，一般實驗室和企業都很難負擔得起；電子束寫技術能夠加工納米級的精密結構，但效率低，難以進行批量生產。復制技術，包括熱壓成型法、模壓成型法和注射成型法等，是一種適于批量生產的低成本技術，但要求其模具具有較高精度和耐用性。
微光學元件的另一加工方法是超精密機械加工技術。最近“財富”雜志上有這樣一句話：“超精密加工技術對光學元件的作用猶如當初集成電路對電子元件的作用”。這句話雖然不無夸張，卻說明了用超精密機械加工技術進行微光學元件的加工已經引起人們極大的重視。超精密機械加工技術在微光學元件加工中的應用將在下一節詳細論述。
2 超精密機械加工技術在微光學元件加工中的應用
超精密機械加工技術是利用刀具改變材料形狀或破壞材料表層，以切削形式來達到所要求的形狀。如單晶金剛石車削與銑削、磨削、快速切削和機械拋光等。本節主要講述超精密機械加工技術用于加工光學元件及其模具。
2.1 超精密機床關鍵技術發展
計算機輔助設計技術，尤其是有限元分析技術的發展，為超精密機床整體結構優化設計提供了便利手段，使得機床剛度和穩定性不斷提高。目前單晶金剛石車床的典型結構具有“T”型布局結構，主軸一般裝在X 向導軌上，刀具裝在Z 向導軌上。在近十幾年內，隨著計算機技術的高速發展，超精密機床的一些關鍵技術，如控制技術、反饋系統、伺服驅動裝置等方面有了很大的進步，提高了超精密機床的加工精度，目前，超精密已能夠直接加工出粗糙度達1nm 的表面。這些關鍵技術的發展概括起來有以下幾個方面：用天然花崗巖作機床床身，它具有非常高的熱穩定性和機械穩定性；利用空氣彈簧系統隔振；利用液體或氣體靜壓導軌，使阻尼增大，運動光滑，無摩擦；直流直線電機快速驅動系統，具有較好的動態剛度；高速空氣主軸，承載能力高，剛度大，可提高加工精度；開放式計算機數控技術（CNC），便于應用第三方控制軟件，提高加工精度；高分辨率檢測裝置，可以提供精確的位置反饋；利用快速伺服機構，實現多軸系統的宏微結合技術，用以加工復雜型面；在線測量和誤差補償技術，正確測量工件殘余誤差并最終消除誤差。
2.2 應用實例
電子技術及光學技術的發展，大大促進了自由非球面及其他非傳統幾何形狀微結構光學元件的應用。一些光學設計軟件的出現，使得光學設計者可以方便地對光學系統進行性能優化，但這同時也會使得光學元件變得復雜，這就要求微光學元件制造技術能夠勝任加工出這些復雜的光學元件。對微光學元件設計者和制造者來說，單晶金剛石超精密加工技術具有很多優勢，比如，能夠加工真正的三維結構；加工零件的成形精度達亞微米級；表面粗糙度達Ra 值5nm，有些材料甚至可以達到1nm；能夠加
工大深寬比的結構等。因此，在過去十幾年內，超精密加工技術在微光學元件加工中的應用實例也在逐漸增多。如單晶金剛石超精密加工技術已成功應用于隱形眼鏡、棱鏡、非球面透鏡、微透鏡陣列、金字塔微結構表面、減反射光柵等結構的加工。用單晶金剛石車床加工的微結構。雖然超精密加工技術對某些結構光學元件的加工具有很多優點，但將超精密加工技術與復制成型技術結合起來或許是加工微光學元件最有效的方式，即用超精密加工技術來加工復制模具，然后利用該模具制作出微光學元件。用單晶金剛石車床加工光學元件模具，需要注意選擇合適的加工參數，以減小毛刺，降低模具的誤差，另外要能加工出合適的金剛石刀具。用金剛石車床加工的模具來制作的菲涅爾透鏡用于高架投影儀已獲得巨大成功。
3 總結
微光學技術的不斷發展，對微光學元件制造技術提出了更高的要求，超精密機械加工技術，經過最近十多年來的快速發展，具有很多傳統光學制造技術，如光刻技術和LIGA 技術等所不具有的優勢：①能加工真正的三維結構，且精度達納米級；②能在模具上加工浮動對準結構；③能在同一元件上加工出不同深寬比的結構。在微光學制造領域，很多類似產品卻是由很多不同方法加工而成的，這說明了微光學制造技術的不成熟性，盡管超精密機械加工技術在微光學元件及其模具加工中的應用具有很多的優點，但也仍是處于初步發展階段。因此，超精密加工技術還具有很大的發展潛力。我們相信，超精密加工技術與復制成型技術結合，必將會推動微光學及其集成技術的大力發展。
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