CN118342668B - 一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阵列式光学元件超精密加工技术领域，本发明要解决的技术问题是效率低、加工精度及表面加工质量不稳定的问题。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备及方法。本发明的工件固定模块包括连接在机床底座上的移动组件以及连接在移动组件上的工件主轴；移动组件和工件主轴分别驱动被加工件沿X轴和Y轴移动以及沿工件主轴的轴线旋转；移动旋转组件带动加工刀具在水平面中旋转、沿Z轴移动以及沿B轴回转台转动；刀具主轴以及滑动组件分别驱动加工刀具沿刀具主轴的轴线旋转以及沿旋转所在的平面的径向移动。本发明提升加工效率，提高加工精度及表面加工质量的稳定性。

Description

一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备及方法

技术领域

本发明涉及阵列式光学元件超精密加工技术领域，尤其是指一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备及方法。

背景技术

超精密加工技术是机械制造中的重要领域，对尖端技术和国防工艺的发展具有重要影响。而光学元件超精密加工技术是其中很重要的一个分支。

随着超精密加工技术的发展和应用，传统光学加工方法得以突破，光学表面可以被直接加工成亚微米量级面形精度和纳米量级表面粗糙度。现有的超精密加工技术在光学元件加工行业的应用，主要是基于超精密单点金刚石车床。

随着光学行业的高速发展，光学面形设计越来越复杂，一般可由非对称、不规则、复杂的自由曲面随意组合而成，进而对加工提出了更高的要求。但是现有技术中存在效率低、加工精度以及加工表面质量不稳定的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的上述问题。

为解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，包括：

机床底座；

工件固定模块，包括连接在机床底座上的移动组件以及连接在移动组件上的工件主轴；工件主轴的轴线与Z轴平行；移动组件和工件主轴分别被配置为驱动被加工件沿X轴和Y轴移动以及沿工件主轴的轴线旋转，用以切换被加工件的工件阵列的不同单元；X轴、Y轴以及Z轴构成三维坐标系；

刀具固定模块，包括连接在机床底座上的移动旋转组件、与移动旋转组件连接的刀具主轴以及连接在刀具主轴端部的滑动组件和加工刀具；加工刀具与滑动组件连接；移动旋转组件被配置为带动加工刀具在B轴水平面中旋转以及沿Z轴移动；刀具主轴以及滑动组件分别被配置为驱动加工刀具沿刀具主轴的轴线旋转以及沿旋转所在的平面的径向移动，用以实现加工刀具做变直径的旋转运动。

在本发明的一个实施例中，刀具固定模块还包括转盘，转盘与刀具主轴同轴连接，加工刀具通过滑动组件连接在转盘上。

在本发明的一个实施例中，滑动组件包括驱动部、滑块以及导轨；驱动部以及导轨连接在刀具主轴端部；驱动部的输出端与滑块连接，滑块与导轨滑动连接；加工刀具连接在滑块上；驱动部被配置为驱动滑块以及加工刀具滑动。

在本发明的一个实施例中，刀具固定模块还包括连接于转盘的离心力平衡机构；沿转盘的径向，离心力平衡机构与滑动组件分别位于刀具主轴轴线的两侧，离心力平衡机构用于抵消滑动组件和加工刀具偏心旋转产生的离心力。

在本发明的一个实施例中，刀具固定模块还包括动平衡机构，动平衡机构连接在转盘上；在转盘上，动平衡机构与滑块同步且进行相反方向运动。

在本发明的一个实施例中，刀具固定模块还包括光栅尺，光栅尺的尺体连接在滑块的一侧，光栅尺的读数头连接于转盘。

在本发明的一个实施例中，滑动组件还包括滑环，滑环连接在转盘上。

在本发明的一个实施例中，移动旋转组件包括B轴回转台以及沿Z轴滑动的Z轴移动件；B轴回转台连接在Z轴移动件上，Z轴移动件通过导轨连接在机床底座上。

在本发明的一个实施例中，工件固定模块还包括连接组件，连接组件连接在工件主轴的端部，连接组件被配置为将被加工件连接在工件主轴的端面。

在本发明的一个实施例中，移动组件包括X轴移动件以及Y轴移动件，X轴移动件通过导轨连接在机床底座上，Y轴移动件通过导轨垂直连接在X轴移动件的台面上。

另一方面，本发明提供了一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工方法，采用上述任一项实施例中的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备进行加工，步骤包括：

将被加工件安装于工件主轴端部的真空吸盘上，通过移动组件调节至所述工件主轴与所述刀具主轴初步对准；

将加工刀具安装在所述滑动组件上；

调整移动旋转组件，校正加工刀具与被加工件的加工平面之间的初始相对夹角角度，以及将加工刀具移动至被加工件的加工平面处；

通过移动组件调节至所述被加工件的回转中心与所述刀具主轴的回转中心重合；

被加工件随工件主轴旋转并在X轴移动件驱动下做进给运动，加工刀具在移动旋转组件的驱动下在Z轴作切深方向运动，完成晶圆表平面的车削加工；

所述移动组件移动将被加工件的第一个阵列单元的中心移动到与刀具主轴的旋转中心重合位置处；

设定刀具主轴旋转转速及滑动组件的进给速度；

刀具主轴、滑动组件及Z轴移动件工作完成晶圆上单个光学单元的加工。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备及方法，其通过加工刀具的高速旋转对被加工件进行加工，可提升晶圆级及阵列式光学元件及模具的加工效率，降低制造成本；加工过程中避免了被加工件旋转运动及X、Y轴的联动，从而避免了惯性冲击，使得保证加工精度以及提高加工表面质量的稳定性；此外，该装备及方法也可用于曲面阵列式光学元件及模具的高效、低成本超精密加工。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明优选实施例中一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备的三维示意图；

图2是图1的主视图；

图3是图1中刀具固定模块的结构示意图；

图4为图1中被加工件的晶圆级阵列式光学元件及模具的结构示意图；

图5为图1中被加工件的晶圆级阵列式光学元件及模具整体的平面车削加工示意图；

图6为图1中被加工件的晶圆级阵列式光学元件及模具单个光学单元加工示意图；

图7为图1中被加工件的晶圆级阵列式光学元件及模具阵列单元切换定位示意图；

图8为图1中一例被加工件的曲面阵列式光学元件及模具的结构示意图；

图9为图1中一例被加工件的曲面阵列式光学元件及模具的整体曲面车削加工示意图；

图10为图1中一例被加工件的曲面阵列式光学元件及模具的第一单元加工示意图；

图11为图1中一例被加工件的曲面阵列式光学元件及模具的第二单元加工示意图；

图12为图1中一例被加工件的曲面阵列式光学元件及模具的阵列单元切换定位示意图。

说明书附图标记说明：100、机床底座；

200、工件固定模块；210、工件主轴；220、连接组件；230、X轴移动件；240、Y轴移动件；

300、刀具固定模块；310、刀具主轴；320、滑动组件；321、驱动部；322、滑块；323、导轨；324、导轨固定座；325、滑环；330、加工刀具；340、转盘；350、移动旋转组件；351、B轴回转台；352、Z轴移动件；360、刀具微调单元；370、离心力平衡机构；380、动平衡机构；390、光栅尺；

400、被加工件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

在一些对比实施例中，其常采用在基于单点金刚石车床的飞刀切削、慢刀伺服、快刀伺服等工艺，以满足各种光学元件的加工需求。飞刀切削，是将单点金刚石刀具固定在机床主轴(C轴)上，刀具随主轴旋转，同时沿进给方向做直线运动(X&Y轴)。工件安装在工作台上(Z轴)，随着工作台向主轴方向进行Z轴直线进给运动。主轴每转一圈，旋转的飞刀与工件接触一次，完成单点的铣削加工，当一条刀具轨迹完成后，飞刀随主轴沿切削间距方向移动一定的距离进行另一条刀具轨迹的加工。飞刀切削加工过程是非连续的，效率低下，且因刀具与工件频繁撞击造成加工质量不稳定。同时，无法直接加工阵列式单元。

慢刀伺服采用联动控制机床的直线运动轴(X&Y&Z)与主轴的旋转同步，插补实现自由曲面加工运动轨迹。多轴联动插补模式下各轴的运动速度均相对较慢，主轴转速需与直线轴同步，因此主轴转速也相对较低，一般在几十rpm范围，在加工阵列式光学元件时，由于口径较小，切削速度远低于合理的范围，导致加工效率低下。同时X、Y、Z三轴自身均有一定的负载，且易产生较大的惯性冲击，进而使整个系统产生额外的振动，最终影响加工精度。慢刀伺服的动力学特性较差，在批量生产加工中效率低且精度无法保证。

快刀伺服是指在车削加工过程中，借助与安装在Z轴上的快刀伺服微进给机构驱动刀具作高频响、小幅值的轴向快速进给运动，并与高精度的主轴和径向进给相配合，完成车削加工过程。与Z轴一般几十赫兹的进刀频率相比，快刀伺服微进给机构的进刀频率可以达到几千赫兹甚至更高，从而大大提高了加工效率。快刀伺服的压电陶瓷行程一般只有几微米至几百微米，主要用于微结构光学单元的加工，不适用于晶圆级阵列式曲面单元的高效加工。

由此可见，对比实施例存在以下问题：效率低、成本高昂、加工表面质量不稳定等。另外，传统方法对于大尺寸晶圆级及阵列式光学元件及模具加工时，主轴带动工件旋转并配合X、Y的联动，运动过程笨拙且易产生惯性冲击，进而使机床产生额外变形或振动，最终降低加工精度。

参照图1～图3所示，针对上述问题本发明实施例提供了一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，包括：

机床底座100，水平设置；

工件固定模块200，包括连接在机床底座100上的移动组件以及连接在移动组件上的工件主轴210；工件主轴210的轴线与Z轴平行；被加工件400安装在工件主轴210的端部；工件主轴210绕C轴旋转，C轴Z轴平行。移动组件与工件主轴210分别被配置为驱动被加工件400沿X轴和Y轴移动以及沿工件主轴210的轴线旋转，用以切换被加工件400的工件阵列的不同单元；X轴、Y轴，Z轴构成三维直角坐标系；

刀具固定模块300，包括连接在机床底座100上的移动旋转组件350、与移动旋转组件350连接的刀具主轴310以及连接在刀具主轴310端部的滑动组件320和加工刀具330；刀具主轴310绕A轴旋转，A轴与Z轴平行。滑动组件320沿U轴移动，U轴为刀具主轴310的径向。加工刀具330与滑动组件320连接；移动旋转组件350被配置为带动加工刀具330在B轴水平面中旋转以及沿Z轴移动；刀具主轴310以及滑动组件320分别被配置为驱动加工刀具330沿刀具主轴310的轴线旋转以及沿旋转所在的平面的径向移动，用以实现加工刀具330做变直径的旋转运动。

具体地，本实施例通过加工刀具330的高速旋转对被加工件400进行加工，可提升晶圆级及阵列式光学元件及模具的加工效率，降低制造成本；加工过程中避免了被加工件400旋转运动及X、Y轴的联动，从而避免了惯性冲击，保证加工精度以及提高加工表面质量的稳定性。此外，该装备及方法也可用于曲面阵列式光学元件及模具的高效、低成本超精密加工。

本申请的适用性更广，加工刀具330固定时，可实现常规单点金刚石切削加工，加工旋转时，更高效率的实现晶圆级或阵列式面型的加工。

进一步地，刀具固定模块300还包括转盘340，转盘340与刀具主轴310同轴连接，加工刀具330通过滑动组件320连接在转盘340上。在一些实施例中，转盘340通过连接法兰与刀具主轴310同轴连接。滑动组件320包括驱动部321、滑块322以及导轨323；驱动部321以及导轨323连接在刀具主轴310端部的转盘340上；导轨323通过导轨固定座324连接在转盘340上；驱动部321的输出端与滑块322连接，滑块322与导轨323滑动连接；加工刀具330通过刀具微调单元360连接在滑块322上；驱动部321被配置为驱动滑块322以及加工刀具330沿转盘340的径向滑动，即加工刀具330旋转的同时进行径向移动，从而使得加工刀具330在作旋转运动的同时实现改变其旋转直径。在一些实施例中，驱动部321可以选用运动性能好的压电陶瓷电机或直线电机。导轨323为超高精度的交叉滚子导轨。

在一些实施例中，刀具主轴310可以选用高精度、高刚性、大负载的气浮主轴，其可配备高分辨率光学角度编码器，具有高精度角向定位功能，转速0-10000rpm、径向负载>1800N、轴向负载>2200N、运动误差<12nm。刀具主轴310可实现旋转角度误差小于5″的高精度角向定位。

由于滑块322带动加工刀具330作直线运动偏离刀具主轴310的旋转中心时，这样在高速旋转运动下会使得滑块322及刀具微调单元360及加工刀具330会产生较大的离心力，如果所产生的离心力全部由驱动电机来克服，那么在保证高定位精度及高运动特性的前提下需要较高输出功率的电机来匹配，势必会使得整个机构变得相对过于庞大。所以本实施例的刀具固定模块300还包括连接于转盘340的离心力平衡机构370；沿转盘340的径向，离心力平衡机构370与滑动组件320分别位于刀具主轴310轴线的两侧，离心力平衡机构370用于抵消滑动组件320和加工刀具330偏心旋转产生的离心力。因离心力与移动距离成线性关系，所以在一些实施例中，离心力平衡机构370包括优质的矩形螺旋压缩弹簧、机械弹簧、电磁弹簧或气弹簧，用于抵消偏心旋转产生的离心力，降低对驱动电机出力需求，从而实现装置的结构紧凑、轻巧；同时，能满足高速旋转切削的需求。

进一步地，刀具固定模块300还包括动平衡机构380，动平衡机构380连接在转盘340上；在转盘340上，动平衡机构380与滑块322同步且进行相反方向运动。这样能够保证整个刀具固定模块300的重心在刀具主轴310的轴线上，从而在高速旋转中不影响刀具主轴310的动平衡。可避免加工刀具330运动造成对刀具主轴310旋转运动的动平衡影响，保证所选用的高精度气浮主轴可发挥出原有的精度水平，从而保证加工精度。

进一步地，刀具固定模块300还包括光栅尺390，光栅尺390的尺体连接在滑块322的一侧，光栅尺390的读数头连接于转盘340。在一些实施例中，光栅尺390为超精密皮米级光栅尺，通过闭环控制压电陶瓷电机(驱动部321)驱动能实现皮米级最小分辨率、实测纳米级步距的超高精度运动。

进一步地，滑动组件320还包括滑环325，滑环325连接在转盘340上。驱动部321等以及其他部件的电气部分通过滑环325与机床控制系统通讯连接，滑环325用于驱动部321和高精度的光栅尺390供电及信号传输，能够解决刀具固定模块300中电气元件的接线及控制难题。在一些实施例中，滑环325可以选用多通道导电滑环的方案，导电滑环实现给转盘340上的驱动部321及光栅尺390提供电源输入以及实现光栅尺390与控制系统之间的信号传输，满足刀具主轴310在3000rpm以上高速旋转的情况下光栅尺390信号稳定高速传输的要求。

进一步地，移动旋转组件350包括B轴回转台351以及沿Z轴滑动的Z轴移动件352；B轴回转台351绕B轴旋转，B轴与Y轴平行。B轴回转台351连接在Z轴移动件352上，Z轴移动件352通过导轨连接在机床底座100上。在一些实施例中，Z轴移动件352为直线滑动模组。B轴回转台351在B轴水平面中旋转，从而能够调整加工刀具330与被加工件400的加工平面之间的初始相对夹角角度。Z轴移动件352带动加工刀具330做被加工工件的曲面深度方向进给。

进一步地，工件固定模块200还包括连接组件220，连接组件220连接在工件主轴210的端部，连接组件220被配置为将被加工件400连接在工件主轴210的端面。在一些实施例中，工件主轴210为真空吸盘，便于将被加工件400快速的连接在工件主轴210上以及从工件主轴210上拆卸下来，另外在加工过程中实现被加工件400与工件主轴210的稳固连接。

进一步地，移动组件包括X轴移动件230以及Y轴移动件240，X轴移动件230通过导轨连接在机床底座100上，Y轴移动件240通过导轨垂直连接在X轴移动件230的台面上。在一些实施例中，X轴移动件230、Y轴移动件240为直线滑动模组。X轴移动件230以及Y轴移动件240能够实现工件主轴210与刀具主轴的轴线重合。

本申请通过联动控制刀具主轴310旋转、B轴回转台351旋转、滑动组件320移动、Z轴移动件352移动，实现单个光学单元的高速、高质量加工。通过控制X轴移动件230移动、Y轴移动件240移动及工件主轴210旋转，实现工件阵列不同单元的快速定位切换及加工，最终实现晶圆级阵列式光学元件及模具高效、精准加工。

本发明在加工晶圆级阵列式光学元件及模具时能够大幅提升加工效率，且能保证较高的加工质量和一致性，同时也满足常规的基于单点金刚石车床的车削工艺应用。

本申请在兼具常规的基于单点金刚石车床的车削工艺应用的功能上，通过驱动控制高精度的滑动组件320，可实现加工刀具330的旋转直径连续稳定变化，配合高速旋转的刀具主轴310、高精度分度定位B轴回转台351及Z轴移动件352，可实现晶圆级阵列式光学单元及模具的高效率加工，同时有效的保证单个光学单元加工质量及阵列式单元的一致性，具有广阔的应用前景。

采用本加工装备对被加工件400进行加工的加工方法如下：

S1：如图1以及图4所示；将被加工件400安装于工件主轴210端部的真空吸盘上，通过移动组件反复调节以及测量直至所述工件主轴210与所述刀具主轴310初步对准，即工件主轴210的轴线与所述刀具主轴310的轴线重合；

S2：根据加工图纸选用合适的单点金刚石加工刀具330，将加工刀具330安装在所述滑动组件320上的刀具微调单元360上，通过调整刀具微调单元360使得加工刀具330的刀尖的中心初始位置与刀具主轴310的旋转中心重合；

S3：调整移动旋转组件350，即通过B轴回转台351校正加工刀具330在XZ平面内相对被加工件400的加工平面之间的初始相对夹角角度；以及通过Z轴移动件352将加工刀具330移动至被加工件400的加工平面处；

S4：通过移动组件调节至所述被加工件400的回转中心与所述刀具主轴310的回转中心重合；

S5：根据被加工件400的材质、晶圆口径、单点金刚石刀具等参数，选定合适的工件主轴210旋转转速及移动组件在X轴的进给速度；根据被加工件400设计图纸平面形状要求，控制移动组件在X轴移动、移动旋转组件350在Z轴移动以及工件主轴210旋转，并且锁定移动组件在Y轴移动、刀具主轴310旋转、移动旋转组件350的旋转及滑动组件320的滑动；被加工件400随工件主轴210旋转并在X轴移动件230驱动下做进给运动，加工刀具330在移动旋转组件350的驱动下在Z轴作切深方向运动，完成晶圆表平面的车削加工，如图5所示；S6：所述移动组件移动将被加工件400的第一个阵列单元的中心移动到与刀具主轴310的旋转中心重合位置处；

S7：根据被加工件400的材质、光学单元口径、单点金刚石刀具等参数，设定合适的刀具主轴310旋转转速及滑动组件320的进给速度；

S8：根光学单元的设计参数，编写刀具主轴310、滑动组件320及Z轴移动件352的联动程序，通过驱动三轴联动，实时检测定位数据及补偿，完成晶圆上单个光学单元的加工；被加工件400固定不动，加工刀具330随刀具主轴310作高速旋转运动，可达3000rpm以上，同步滑动组件320作高响应变直径高精度运动，实现光学单元高效率、高精度加工，如图6所示；

S9：使用光学检测仪器对加工表面进行面形精度及表面粗糙度进行检测，对比实测值与理论值，根据偏差对装备程序进行补偿，通过补偿程序再次对被加工件400进行修正加工，最终达到设计要求的面形精度及表面粗糙度；

S10：如图7所示，通过移动组件的移动，改变被加工件400相对加工刀具330的位置，按图所示路径实现阵列单元间的快速定位切换，循环上述S7～至S9的加工程序，实现晶圆级阵列光学元件及模具的高效率、高精度加工。

采用本加工装备对另一例被加工件400进行加工的加工方法如下：

S11：如图1以及图8所示；将被加工件400安装于工件主轴210端部的真空吸盘上，通过移动组件反复调节以及测量直至所述工件主轴210与所述刀具主轴310初步对准，即工件主轴210的轴线与所述刀具主轴310的轴线重合；

S12：根据加工图纸选用合适的单点金刚石加工刀具330，将加工刀具330安装在所述滑动组件320上的刀具微调单元360上，通过调整刀具微调单元360使得加工刀具330的刀尖的中心初始位置与刀具主轴310的旋转中心重合；

S13：调整移动旋转组件350，即通过B轴回转台351校正加工刀具330与被加工件400的加工平面之间的初始相对夹角角度；以及通过Z轴移动件352将加工刀具330移动至被加工件400的加工曲面处；

S14：通过移动组件调节至所述被加工件400的回转中心与所述刀具主轴310的回转中心重合；

S15：根据被加工件400的材质、口径、单点金刚石刀具等参数，选定合适的工件主轴210旋转转速及移动组件在X轴的进给速度；根据被加工件400设计图纸曲面形状要求，控制移动组件在X轴移动、移动旋转组件350在Z轴移动以及工件主轴210旋转，并且锁定移动组件在Y轴移动、刀具主轴310旋转、移动旋转组件350的旋转及滑动组件320的滑动；被加工件400随工件主轴210旋转并在X轴移动件230驱动下做进给运动，加工刀具330在移动旋转组件350的驱动下在Z轴作切深方向运动，完成工件曲面的整体车削加工，如图9所示；

S16：所述移动组件移动将被加工件400的第一个阵列单元的中心移动到与刀具主轴310的旋转中心重合位置处；

S17：根据被加工件400的材质、光学单元口径、单点金刚石刀具等参数，设定合适的刀具主轴310旋转转速及滑动组件320的进给速度；

S18：根光学单元的设计参数，编写刀具主轴310、滑动组件320及Z轴移动件352的联动程序，通过驱动三轴联动，实时检测定位数据及补偿，完成曲面上单个光学单元的加工；被加工件400固定不动，加工刀具330随刀具主轴310作高速旋转运动，可达3000rpm以上，同步滑动组件320作高响应变直径高精度运动，实现光学单元高效率、高精度加工，如图10所示；

S19：使用光学检测仪器对加工表面进行面形精度及表面粗糙度进行检测，对比实测值与理论值，根据偏差对装备程序进行补偿，通过补偿程序再次对被加工件400进行修正加工，最终达到设计要求的面形精度及表面粗糙度；

S20：如图11所示，通过移动旋转组件350，即通过B轴回转台351旋转使得加工刀具330与被加工件400的第二阵列单元的回转轴线相平行；通过移动组件X轴的移动，改变被加工件400相对加工刀具330的位置，使得第二阵列单元的回转轴线与加工刀具330的转盘340轴线相重合；

S21:通过编写四轴联动程序驱动刀具主轴310、滑动组件320、Z轴移动件352以及X轴移动件230，实时检测定位数据及补偿，完成曲面上第二阵列单元的高效率、高精度加工。

S22:使用光学检测仪器对加工表面进行面形精度及表面粗糙度进行检测，对比实测值与理论值，根据偏差对装备程序进行补偿，通过补偿程序再次对被加工件400进行修正加工，最终达到设计要求的面形精度及表面粗糙度；

S23：如图12所示，通过工件主轴210(C轴)旋转，依次将第三至第九阵列单元旋转至第二阵列单元同一Y值位；通过移动组件X轴的移动，改变被加工件400相对加工刀具330的位置，按图所示路径实现阵列单元间的快速定位切换，循环上述S21～S22的加工程序，实现图8所示曲面阵列式光学元件及模具的高效率、高精度加工。

本方法不仅可以用于平面阵列式光学元件及模具的超精密加工，也可用于曲面阵列式光学元件及模具的超精密加工。其中用于曲面阵列式光学元件及模具的超精密加工方法步骤包括：

将被加工件400安装于工件主轴210端部的真空吸盘上，通过移动组件调节至所述工件主轴210与所述刀具主轴310初步对准；

将加工刀具330安装在所述滑动组件320上；

调整移动旋转组件350，校正加工刀具330与被加工件400的加工平面之间的初始相对夹角角度，以及将加工刀具330移动至被加工件400的加工曲面处；

通过移动组件调节至所述被加工件400的回转中心与所述刀具主轴310的回转中心重合；

被加工件400随工件主轴210旋转并在X轴移动件230驱动下做进给运动，加工刀具330在移动旋转组件350的驱动下在Z轴作切深方向运动，完成工件整体曲面的车削加工；

所述移动组件移动将被加工件400的第一个阵列单元的中心移动到与刀具主轴310的旋转中心重合位置处；

设定刀具主轴310旋转转速及滑动组件320的进给速度；

刀具主轴310、X轴移动件230、滑动组件320及Z轴移动件352工作完成工件曲面上单个光学单元的加工。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，其特征在于，包括：

机床底座；

工件固定模块，包括连接在所述机床底座上的移动组件以及连接在所述移动组件上的工件主轴；所述工件主轴的轴线与Z轴平行；所述移动组件和所述工件主轴分别被配置为驱动被加工件沿X轴和Y轴移动以及沿所述工件主轴的轴线旋转，用以切换所述被加工件的工件阵列的不同单元；所述X轴、所述Y轴以及所述Z轴构成三维坐标系；

刀具固定模块，包括连接在所述机床底座上的移动旋转组件、与所述移动旋转组件连接的刀具主轴以及连接在所述刀具主轴端部的滑动组件和加工刀具；所述刀具主轴采用气浮主轴；所述加工刀具与所述滑动组件连接；所述移动旋转组件被配置为带动所述加工刀具在B轴水平面中旋转以及沿所述Z轴移动；所述刀具主轴以及所述滑动组件分别被配置为驱动所述加工刀具沿所述刀具主轴的轴线旋转以及沿旋转所在的平面的径向移动，用以实现所述加工刀具做变直径的旋转运动；所述滑动组件包括驱动部、滑块以及导轨；所述驱动部以及所述导轨连接在所述刀具主轴端部；所述驱动部的输出端与所述滑块连接，所述滑块与所述导轨滑动连接；所述加工刀具连接在所述滑块上；所述驱动部被配置为驱动所述滑块以及所述加工刀具滑动；所述导轨为超高精度的交叉滚子导轨；所述驱动部采用压电陶瓷电机；

所述刀具固定模块还包括转盘、以及连接于所述转盘的离心力平衡机构；沿所述转盘的径向，所述离心力平衡机构与所述滑动组件分别位于所述刀具主轴轴线的两侧，所述离心力平衡机构用于抵消所述滑动组件和加工刀具偏心旋转产生的离心力。

2.根据权利要求1所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，其特征在于：所述转盘与所述刀具主轴同轴连接，所述加工刀具通过所述滑动组件连接在所述转盘上。

3.根据权利要求1所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，其特征在于：所述刀具固定模块还包括动平衡机构，所述动平衡机构连接在所述转盘上；在所述转盘上，所述动平衡机构与所述滑块同步且进行相反方向运动。

4.根据权利要求1所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，其特征在于：所述刀具固定模块还包括光栅尺，所述光栅尺的尺体连接在所述滑块的一侧，所述光栅尺的读数头连接于所述转盘。

5.根据权利要求1所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，其特征在于：所述滑动组件还包括滑环，所述滑环连接在所述转盘上。

6.根据权利要求1所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，其特征在于：所述移动旋转组件包括B轴回转台以及沿所述Z轴滑动的Z轴移动件；所述B轴回转台连接在所述Z轴移动件上，所述Z轴移动件连接在所述机床底座上。

7.根据权利要求1所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备，其特征在于：所述移动组件包括X轴移动件以及Y轴移动件，所述X轴移动件连接在所述机床底座上，所述Y轴移动件垂直连接在所述X轴移动件的台面上。

8.一种用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工方法，其特征在于：采用权利要求1~7中任一项所述的用于晶圆级阵列式光学元件及模具的加工装备进行加工，步骤包括：

将被加工件安装于工件主轴端部的真空吸盘上，通过移动组件调节至所述工件主轴与所述刀具主轴初步对准；

将加工刀具安装在所述滑动组件上；

调整移动旋转组件，校正加工刀具与被加工件的加工平面之间的初始相对夹角角度，以及将加工刀具移动至被加工件的加工平面处；

通过移动组件调节至所述被加工件的回转中心与所述刀具主轴的回转中心重合；

被加工件随工件主轴旋转并在X轴移动件驱动下做进给运动，加工刀具在移动旋转组件的驱动下在Z轴作切深方向运动，完成晶圆表平面的车削加工；

所述移动组件移动将被加工件的第一个阵列单元的中心移动到与刀具主轴的旋转中心重合位置处；

设定刀具主轴旋转转速及滑动组件的进给速度；

刀具主轴、滑动组件及Z轴移动件工作完成晶圆上单个光学单元的加工。