一种离轴抛物面多镜系统集成加工方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明属于光学零件制造技术领域，涉及一种离轴抛物面多镜系统集成加工方法
【背景技术】
[0002]离轴光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点，是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。离轴抛物面镜是从旋转对称的抛物面镜中取用不包含对称轴的一个部分的镜面，由于它能以简单的面形产生高质量的无中心遮拦的平行光束，近年来逐渐成为一种应用较广的光学零件，常用于激光器反射型准直器或光纤耦合器件。和透镜不一样，反射镜的焦距在一个宽的波长范围内保持不变，因此，一个抛物面反射镜准直器并不需要为适应各种波长的光而进行调整，这使它们成为使用多色光的理想选择。
[0003]在实际使用中，由于一般激光器均有一定发散角，为了保证其能被耦合到具有特定接收角的光纤中，需要借助两个离轴抛物面镜配合完成准直和耦合。同时，为了将激光器能量汇集到不同光纤中，因此，还需要借助分光和第三个离轴抛物面镜实现不同光纤耦合。图2中所显示的离轴抛物面镜使用情况，在实际使用中很常见。然而，这种系统对于不同离轴抛物面镜的装配位置要求很严格，否则，会降低耦合效率和能量不必要的损失。一般装配方法常采用人工调整方式，耗时耗力。因此，有必要提出一种方法可避免或降低后期光学镜面的装配过程和精度要求。
【发明内容】
[0004]本发明旨在设计一种离轴抛物面镜一体加工方法，一次性加工多个离轴抛物面镜，从而避免后期光学镜面繁琐的装配过程，降低光学器件的装配难度。本发明的技术方案如下:
[0005]一种离轴抛物面多镜系统集成加工方法，该方法采用的加工机床，具有一个可以实现角度控制的旋转主轴和三个直线运动轴，金刚石刀具沿径向固定在旋转主轴上，此方法为:
[0006](I)根据离轴抛物面多镜系统的结构设计，加工每个离轴抛物面镜毛坯；
[0007](2)根据结构设计中的各个离轴抛物面镜之间的位置关系制作夹具，各个离轴抛物面镜位于夹具内侧并在利用夹具夹持后的位置关系与结构设计中的位置关系一致；
[0008](3)保证金刚石刀具旋转半径小于相邻的离轴抛物面镜之间的最小距离的一半，
[0009](4)将各个离轴抛物面镜毛坯固定在夹具上，并固定于加工机床上；
[0010](5)对每个离轴抛物面镜进行切削加工。
[0011]本发明针对多个离轴抛物面镜高精度装配问题，提出了一体加工方法，借助超精密机床的加工精度直接保证反射镜之间的高精度位置关系，避免了装配调整的繁琐过程。本发明的加工思路不仅可以用于多个离轴抛物面镜的系统一体加工，而且可以用于其他具有多个光学器件需要高精度装配关系的光学系统的一体加工，通过一体加工方式有效避免复杂的光学装配过程。
【附图说明】
[0012]图1本发明的加工示意图
[0013]图2离轴抛物面使用情况(a)用于激光器准直及光纤耦合(b)用于激光器准直及多路光纤耦合。
[0014]图3金刚石刀具和离轴抛物面多镜系统
[0015]图中，I为主轴，2为金刚石刀具，3为离轴抛物面镜。
【具体实施方式】
[0016]本发明实现包含多个离轴抛物面镜配合使用的系统的一体加工。图1是加工三个离轴抛物面镜的示意图，其中所需加工的离轴抛物面镜毛坯按照设计要求放置到相应的位置，固定于恰当的夹具上，同时放置于超精密加工机床上进行一体超精密加工。在整个加工过程中，被加工离轴抛物面镜不必拆卸下来，完全靠超精密机床的运动轴控制金刚石刀具对其需加工镜面进行镜面加工。而金刚石刀具运动的轨迹都是按照设计的理想模型进行计算，从而借助超精密机床的高精度，不仅保证了离轴抛物面镜的加工质量和面形精度，同时保证了被加工多个离轴抛物面镜的位置精度，而避免装配调整的繁琐过程。
[0017]本发明的加工设备为超精密车床，具有一个可以实现角度控制的旋转主轴(C轴)和三个直线运动轴(X轴、Y轴、Z轴)，如图1所示，每个运动轴都具有纳米级运动精度。目前重要的超精密机床厂商，NanoTech Moore公司的UPL350型号机床及Precitech公司的FreeformL型号机床都能满足本发明设备需要。加工工具为金刚石刀具，具有纳米刃口的锋利刀具，从而可实现被加工器件的镜面质量的加工。如图1所示，金刚石刀具被固定于旋转主轴上，金刚石刀具通过夹具保证沿着旋转主轴的径向安装，垂直于旋转主轴轴向。为了保证金刚石刀具能够在被加工器件之间进行旋转而不产生加工干涉，需要根据被加工器件的位置关系确定固定金刚石刀具的夹具尺寸，保证刀具旋转半径R小于各器件最小距离的Dmin的一半，如图3所不。
[0018]被加工的离轴抛物面镜一般选择铝合金或铜合金材料，适合采用金刚石刀具进行加工，而被加工后器件会进行后期光学镀膜等操作，予以表面保护和工作波长的限定。
[0019]在加工过程中，金刚石刀具分别对于各个离轴抛物面镜进行切削加工。刀具切削面在离轴抛物面镜上进行栅线切削运动，每条加工栅线是通过控制主轴旋转、X轴、Y轴联动带动金刚石刀具进行切削，而每条栅线是通过Z轴运动形成。每条栅线的加工可采用两种超精密加工方法。一个是被称为栅线铣削(Raster Milling)的加工方式(参考文献:Kong L B, Cheung C F，To S，et al.An investigat1n into surface generat1nin ultra-precis1n raster milling[J].Journal ofMaterials Processing Technology, 2009, 209(8):4178-4185.)，该加工方法刀具每转一周只在最接近工件的位置接触工件一次，其他位置都不能接触到工件，因此，每条栅线需要通过间断地刀具和工件的接触而加工出来。另一个是被称为慢刀伺服(Slow Slide Servo)的加工方式(参考文献:Fang F Z, Zhang X D, Hu X T.Cylindrical coordinate machining of opticalfreeformsurfaces [J].0ptics Express, 2008, 16 (10): 7323-7329.)，该加工方法刀具每转一次，会在被加工表面直接加工出一条栅线，因此，每条栅线是刀具和工件的连续去除加工出来的。而两个方法的加工路径生成方法都已成熟，可以参考相关文献实现。
【主权项】
1.一种离轴抛物面多镜系统集成加工方法，该方法采用的加工机床，具有一个可以实现角度控制的旋转主轴和三个直线运动轴，金刚石刀具沿径向固定在旋转主轴上，该方法为: (1)根据离轴抛物面多镜系统的结构设计，加工每个离轴抛物面镜毛坯； (2)根据结构设计中的各个离轴抛物面镜之间的位置关系制作夹具，各个离轴抛物面镜位于夹具内侧并在利用夹具夹持后的位置关系与结构设计中的位置关系一致； (3)保证金刚石刀具旋转半径小于相邻的离轴抛物面镜之间的最小距离的一半， (4)将各个离轴抛物面镜毛坯固定在夹具上，并固定于加工机床上； (5)对每个离轴抛物面镜进行切削加工。
【专利摘要】本发明提供一种离轴抛物面多镜系统集成加工方法，为：(1)根据离轴抛物面多镜系统的结构设计，加工每个离轴抛物面镜毛坯；(2)根据结构设计中的各个离轴抛物面镜之间的位置关系制作夹具，各个离轴抛物面镜位于夹具内侧并在利用夹具夹持后的位置关系与结构设计中的位置关系一致；(3)保证金刚石刀具旋转半径小于相邻的离轴抛物面镜之间的最小距离的一半；(4)将各个离轴抛物面镜毛坯固定在夹具上，并固定于加工机床上；(5)对每个离轴抛物面镜进行切削加工。本发明的加工方法，一次性加工多个离轴抛物面镜，从而避免后期光学镜面繁琐的装配过程，降低光学器件的装配难度。
【IPC分类】B23B1-00
【公开号】CN104841951
【申请号】CN201510192367
【发明人】张效栋, 房丰洲
【申请人】天津大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月20日