[发明专利]一种微透镜阵列模具车削加工中的反射焦距在位检测方法

说明书

本发明提出了一种微透镜阵列模具的表面测量方法。通过机床加工系统、反射焦距测量系统和上位机系统实现，其中上位机系统包括机床轨迹代码生成系统、CCD视觉处理系统和误差分析系统。在完成微透镜阵列模具的加工后，机床加工系统按照机床轨迹代码生成系统生成的测量轨迹进行运动，通过反射焦距测量系统对微透镜阵列模具上各个子单元进行焦距测量，并分析其加工误差。该方法可使用在超精密机床上，实现微透镜阵列模具的反射焦距、加工一致性的在位检测，也可确保模具在注塑时的注塑透镜阵列焦距及一致性。

技术领域

本发明属于超精密加工的光学曲面测量技术领域，涉及一种微透镜阵列模具的表面测量方法。

背景技术

随着光学技术的发展，阵列式的光学元件在国防、工业、民用等各个领域的应用日益广泛，如各种微透镜阵列的光学元件，具有体积小、集成度高、成像清晰等优势，广泛应用于各种光学领域。

对于微透镜阵列，我们需要确保单个透镜单元的尺寸精度、多个透镜单元的相对位置精度、多个透镜单元的光学性质等。在传统的制造中，生产者一般使用超精密快刀伺服车削或慢刀伺服车削的方法完成微透镜结构阵列模具的加工。若使用慢刀伺服技术超精密车削技术加工透镜阵列模具，主轴按照位置控制模式进行旋转，机床的C,X,Z轴联动。刀具所在的刀架处于Z轴上，根据C轴反馈的位置信号，进行Z轴方向的移动。在加工前，操作人员根据加工件的形貌尺寸，计算不同C轴角度和X轴位移所对应的Z轴的高度，从而编写加工程序进行加工。在加工后，操作人员将工件取下，在测量装置上对模具上各个子单元进行尺寸的检测，后再重新装夹进行补偿加工。

然而，这样的方法测量操作繁琐，尤其对阵列上子单元数量多的工件耗时长，由于引入装夹误差，也增加了补偿加工的难度。因此，需要一种针对微透镜阵列模具的结构特点，能提高检测速度、避免二次装夹误差超精密微透镜结构阵列模具加工的检测方法。

使用测量微透镜阵列模具的反射光学特性的方法，可以提高检测的速度，实现自动检测。通过在位检测的形式，可以充分利用超精密机床的运动机构、以及加工路径轨迹，既能避免二次装夹误差，也能进一步提高检测速度，实现自动检测。

发明内容

本发明目的为了解决传统微透镜阵列加工误差的测量方法存在的耗时长、成本高等问题，提出通过透镜模具的反射光学特性来确认加工质量的一种在位测量方法。该方法充分利用超精密机床各轴的运动，以及微透镜阵列的加工代码、轨迹，实现对透镜阵列模具的表面反射焦距的在位测量。基于对微透镜阵列中各个子单元反射焦距的测量，得出各子单元的加工尺寸精度及一致性是否达标。此方法硬件成本低，测量精度有保障，测量速度快，能便捷地比对各个子透镜反射焦距的一致性。

本发明中微透镜阵列模具上各子单元为凹面镜形状，实现本发明中面向微透镜阵列模具超精密车削加工中的模具反射焦距在位检测方法的装置包括：一套机床加工系统、一套用于凹面反射镜的反射焦距测量系统和一套上位机系统。所述上位机系统包括机床轨迹代码生成系统、CCD视觉处理系统和误差分析系统。机床加工系统是一种超精密五轴加工机床，配置了XYZBC五个轴，加工时，工件安装在C轴上，既能够随着C轴旋转，又能够随着XY轴在XY平面上移动，刀具安装在B轴转台上，既能够随B轴旋转，又能够随Z轴平移。反射焦距测量系统安装在B轴转台上，用于对加工后的微透镜阵列模具上子单元进行反射成像。CCD视觉处理系统用于接收该反射成像信号，并对成像信号进行分析和处理。

该方法包括以下步骤：

(1)进行反射焦距测量系统与机床加工系统的标定工作，选用一个在端面中心加工了凹面镜且加工质量合格的圆柱形工件作为标准标定工件，用于进行所述标定，该圆柱形工件高度为h₀，反射焦距为f₀，将标准标定工件装夹在机床C轴中心上，调整工件的装夹位置，使得标准标定工件的凹面镜中心轴线与C轴回转中心同轴，将机床B轴旋转，使得反射焦距测量系统基本对准工件。