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光学自由曲面的超精密加工技术及应用

摘要:光学自由曲面是指非对称性、不规则、不适合用统一的光学方程式来描述的光学曲面。自由曲面光学元件在光电产品及光通讯产品中的应用日益广泛。采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙的高精度水平。文章介绍了光学自由曲面的超精密加工技术及其在光电产品领域的应用,并开发适合几种典型光学自由曲面超精密加工的刀具轨迹自动生成软件。

关键词:超精密加工;光学自由曲面;刀具轨迹生成器

数码相机、传真机、扫描仪、激光雕刻机、光电显示器、光纤通讯等光电产品和光通讯产品已形成了一个数以万亿计的全球市场。自由曲面光学元件已成为用于光电及通讯产品的关键零部件。本文主要讨论V形槽列阵、微镜列阵和f-theta透镜等几种具有代表性的光学自由曲面。

V形槽光学曲面是指在基体介质上采用压痕、腐蚀、切削等方法加工出V形的沟槽,用于光纤或光电设备连接的光学元件。V形槽主要用于光纤接头、激光二极管、有源波导、无源波导、MEMS和光电开光等光电设备中。光纤阵列是下一代光通讯网络的关键设备之一。如图1所示是SenkoAdvancedComponents,Inc.公司生产的光纤接头。该光纤接头的V形槽采用精密磨削的方法加工而成,能满足高精度、高均匀性的要求。如图2所示是OZOptics公司生产的几种光纤接头。V形槽在各种背光组模部件中也得到了广泛应用。典型的背光组模主要由光源、光导通路等两部分组成。图3表示V形槽光导通路原理示意图。

微透镜阵列是指在一个平面基体上制作成一系列微透镜阵列,主要用于做显示设备的背光组模。如图4所示是用微透镜阵列做背光组模的LCD的结构示意图。

f-theta透镜主要用于扫描系统进行读取和打印。如图5所示,对于一般的光学透镜,当一束激光射向处于透镜焦点的反射镜时,光线通过反射镜反射和透镜折射后汇聚于透镜的像面上,其理想像高y=f·tanθ(其中:y为像高,θ为入射角,f为透镜焦距),即像高y与入射角θ的正切值成正比。这种透镜用于激光扫描系统时,由于理想像高与扫描角θ之间不成线性关系,因此以等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度并不是常数。为了实现等速扫描,应使聚焦透镜产生一定的负畸变,使它的实际像高比几何光学确定的理想像高小并与扫描角θ成线性关系,为此必须用两个或两个以上的镜片组成的镜片组来取代单个镜片。所谓f-theta镜,就是经过严格的设计,使像高与扫描角满足关系式y=f·θ的镜头,因此f-theta镜又称线性镜头。如图6所示,是3MProcisionLens公司生产的用于激光打印机的F-theta镜。

1 光学自由曲面超精密加工技术

自由曲面光学元件的设计和制造与传统光学元件有很大的差别。传统的球面和非球面光学透镜有回转对称轴,用传统的2轴超精密车床就可以加工。传统的加工设备和加工技术很难满足高精度光电产品中复杂自由曲面的加工要求。美国 Precitech Inc. 公司生产的超精密多轴自由曲面加工机床可以加工具有非对称轴的光学自由曲面,不需要抛光等后续加工就可以使加工精度达到亚微米级的形状精度和纳米级的表面粗糙度。

目前,多轴超精密加工技术方面的研究报道还比较少。有关自由曲面加工方面的研究工作大多针对普通多轴数控机床的端面铣削或球头铣削加工[2~9]。在多轴超精密机床上用单晶金刚石刀具加工f-theta、微型沟槽和微透镜阵列等光学曲面的研究相对还是比较少。香港理工大学先进光学制造中心引入了一台大型超精密五轴自由曲面加工中心(PrecitechFreeform705G,如图7)。适合于加工多种类型的光学元件及精密零件。其加工精度形状精度为亚微米级,表面粗糙度为纳米级。可进行三维自由曲面的铣削、磨削及飞刀加工,当然也可进行二维的超精密切削。加工设备除了拥有3个线性运动轴(x、y、z)外,还拥有2个旋转轴B轴和C轴。由于线性轴采用油静压导轨及配有反弹气垫,因而线性轴的移动具有极高的精度、重复精度、刚度及平稳度。其位置的反馈精度可达到816nm。主轴采用气浮轴承,其最高转速为10000r/min。可加工最大工件直径为700mm。3个方向的导轨行程分别为350mm(x)×150mm(y)×250mm(z)。

3 结语

本文综述了自由曲面光学元件的市场趋势及加工技术,并介绍了由香港理工大学先进光学制造中心开发的一套光学自由曲面刀具轨迹生成软件,该软件可用于超精密5轴数控机床上加工光纤通讯元件、微透镜阵列和f-theta透镜等光学自由曲面。

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