光学微透镜结构自由曲面的塑性域镜面磨削技术研究

The optical freeform surface patterned by microlens structure may produce more macroscopic micro-optical properties, but the high-performance optical component and its core insert are hard and brittle material such as single-crystal SiC, quartz glass, SiC ceramics and so on. Hence, the dry ED (Electro Discharge) dressed and truncated micro-profile of coarse diamond grinding wheel is proposed to realize efficient and accurate micro-optical mirror grinding by controlling many micro-grain cutting edges on micro wheel profile and brittle-crack-free ductile-mode cutting through machine vision and ultrasonic vibration. It is to replace the inefficient and polluted dissociated-abrasive polishing. The issues to be resolved are how to change brittle-mode cutting to ductile-mode cutting for micro-grains and how to recognize the micro-grain cut edges by machine. Accordingly, this research includes the influence of grain cutting parameters on ductile-mode grinding under ultrasonic vibration, the recognition mode of grain cutting edges on micro wheel profile, the synergic control of ED variables, grain cutting parameters and multi-axis movement and so on. The objective is to develop multi-axis mirror grinding technique of micro-lens structured freeform surface, and create the prototypes of micro-optical components for the applications of 3D displayers, light-emitting chip, photovoltaic cell and so on. It is also to solve the long-term issue of optical machining limited to artificial experience and offer the key technology for clean and intelligent micro-optical manufacture equipment.

光学自由曲面附加微透镜结构可产生更宏观的微光学特性，但是，高性能的光学部件及其成型模芯为单晶碳化硅、石英玻璃、碳化硅陶瓷等硬脆性材料，多轴机械运动会引起微加工的脆性破坏。因此，提出采用气中放电修锐修齐的粗金刚石砂轮微轮廓，利用机器视觉和超声波振动控制微轮廓上的微磨粒切削刃和无脆性破坏的塑性域切削状态，实现高效率、高精度的微光学镜面磨削，代替效率低、有污染的游离磨粒抛光。问题是：在多轴微磨削中，脆/塑性域磨粒切削状态如何转变？微磨粒切削刃如何被机器识别？为此，研究超声波振动下磨粒切削刃参数与塑性域切削的作用机制，微磨粒切削刃特征化识别模式，放电参数、磨粒切削刃参数与多轴运动间的协同控制等。旨在自主研发出微透镜结构自由曲面的多轴镜面磨削技术，开发应用于立体显示器、发光芯片、光伏电池等的微光学部件原型。最终，解决光学加工长期受限于人工经验的问题，为洁净、智能的微光学制造装备提供关键技术。

光学玻璃、单晶碳化硅、蓝宝石等硬脆性材料及成型模芯的微光学曲面加工技术瓶颈尚未攻克。因此，基于超硬金刚石磨粒技术，结合硬脆性材料纳米尺度加工的塑性域转变机制和空间分布磨粒的多轴数控技术，研究光学微透镜结构自由曲面的精密镜面磨削技术，并且，研究非等温快速热压微成型工艺，探索新型且高附加值的微光学零部件产品原型。.作为研究成果，已发表17篇国际SCI期刊论文,其中TOP期刊5篇；国内EI期刊论文4篇,其中,《机械工程学报》和《光学精密工程》各2篇；出版专著《Micro and Nano Fabrication Technology》（第九章）。获美国发明专利授权1项、国内发明专利授权17项，技术标准1件。具体成果如下：.1. 研究金刚石砂轮微尖端在位修整工艺，提出微尖端磨粒刃端的表层热化学修平思路，构建切屑和磨粒间脉冲放电热分布模型及其控制系统，金刚石磨粒表层热化学去除修平效率高达6435 μm3/min。.2. 研究微磨粒切削刃参数可控的塑性域镜面微磨削工艺，实现了石英玻璃、单晶碳化硅、蓝宝石等光学部件的微细、精密和镜面磨削。开发光学自由曲面玻璃镜头的五轴磨削技术，而且，研究微结构自由曲面模芯的五轴铣削技术。.3. 利用微磨削成型模芯，构建非等温热压微成型理论，研发3秒内的微透镜阵列快速精密成型工艺。开发产品宏观表面微透镜阵列成型精度的光感应技术，实现智能精准控制。.4. 成果应用方面，独立自主研制2台微光学加工设备，进而开发高性能的弧形微透镜阵列导光板、复合微透镜导光板和生物微流控芯片等产品原型。