采用微刀具的菲涅耳器件超精密制造方法

　　0 引言

　　菲涅耳器件具有体积小、光学质量好、孔径大的特点，可借助电铸等技术进行批量生产，越来越多地应用于太阳能聚光镜、红外传感器、高性能光学成像系统等[1-2]。当其结构单元在波长量级甚至是亚波长量级时，具有较高的衍射效率，已在成像光谱、空间光学、信息光学、光通讯及绿色能源等领域得到广泛应用[3]。

　　长期以来，菲涅耳镜靠玻璃切割和抛光等方法加工而成，效率低，成本非常高。近些年来，注塑成型和数控加工技术快速发展，较高的加工精度同时保证了较高的光学质量。而菲涅耳衍射光学元件常采用VLSI 光刻技术制作台阶型轮廓结构代替连续面型，加工过程复杂，对器件衍射效率有较大影响[4-5]。可以制造连续浮雕衍射器件的方法主要有变灰度掩模法、激光直写法、电子束直写法等[1]。近年发展起来的单点金刚石切削技术是加工各类菲涅耳镜最合适的加工方法， 采用机械微加工方式可严格控制加工面形，而且随着多轴加工技术的开发，更适合加工形状复杂的微结构器件，如正弦光栅、透镜阵列等[6-7]。文中分析了刀具对菲涅耳器件形状的影响，提出基于聚焦离子束方法制备微刀具进行菲涅耳器件加工，并对加工方法和加工工艺等方面进行探讨，探索菲涅耳器件的高效和高精度制造方法。

　　1 菲涅耳微结构器件加工

　　菲涅耳器件是按照等宽度或高度将非球表面分成数个区域，将每个区域的中心厚度部分去除，只保留所需要的表面曲率， 不影响器件原有的光学能力，如图1 所示。在区域尺寸为亚波长或波长相当量时，主要为衍射现象，连续浮雕结构可达到理想的100%衍射效率。实际加工中，由于刀具不是绝对的尖点，因此，在相邻区域中的角落部分，会有一部分加工不到。这些区域直接影响器件的光学性能或衍射效率，从而形成成像系统的背景杂光，因此，在加工过程中尽量避免或减少。

　　如图2 所示，对于金刚石切削中常用的圆头刀在切削角度为θ 的尖角部分时， 图中的斜线区域S1为不可切削区域。设刀鼻半径为RT，则不可切削区域的宽度x1和面积S1分别为：

　　从公式(1)和(2)的宽度量可以直观看出：刀鼻半径RT越小，得到的不可切削区域越小，当RT=0 时，可达极限小。另一方面，从两式的宽度和面积量可以得出：采用半圆头刀具可以有效减小不可切削区域。菲涅耳器件一般为回转体，工件通过真空吸盘吸附在旋转主轴端面，主轴以转速S 匀速旋转，半圆头金刚石刀具在X 和Z 方向运动， 考虑刀具半径RT的补偿[6]，如图3 所示，尽量细分每个控制点的位置，并精确控制每个刀位点的坐标， 形成特定的加工路径，从而可以实现所需面形的超精密加工。刀具进给速率F 由S 和RT及表面粗糙度Ra 决定：