专利名称：一种费里棱镜的加工方法
技术领域：
本发明属于光学器件制造技术领域，涉及一种曲面棱镜的加工方法，具体涉及一种费里棱镜的单件加工方法。
背景技术：
为了使摄谱仪得到“纯净”的光谱，1910年费里提出用曲面棱镜取代平面棱镜，结果表明这种改进具有很多平面棱镜无法比拟的优点。经过一百多年的发展，费里棱镜以其吸收损失小、像散较大，结构紧凑、大视场、重量轻便等特点，在高亮背光显示、超光谱成像、虚拟现实、军事和反恐、航空航天领域等领域具有广阔的应用前景。鉴于曲面棱镜费里棱镜的众多用途，目前国内一些机构针对曲面棱镜的加工开展了大量的研究工作。例如，中国发明专利申请CN 102139376A公开了一种自由曲面棱镜加工方法，先将每个棱镜的侧面都初始化为平面以保证每个侧面按照基准平面进行位置调整，曲面之间的夹角需要采用精密多轴机床或加工中心一次装卡铣削成型，每一个曲面光轴之间的夹角依靠加工机床的旋转轴旋转精度保证。这样的加工方式需要专门制作用于固定金刚石刀具的刀架，改造机床设备组建自由曲面棱镜超精密加工系统。这种技术对于曲面棱镜费里棱镜的单件加工或者小批量加工成本过大。费里棱镜作为曲面棱镜中的一种通常由两个光轴成一定夹角的曲面构成，其结构既不同于各个面都为平面的棱镜结构也不同于只有一根光轴的双面透镜结构。费里棱镜光轴角度参数是其结构参数中非常重要参数，如果其光轴角度加工不准不仅严重影响光学系统成像质量还会使系统的装调变得十分困难。现有技术加工费里棱镜都需要依赖精密多轴机床来保证费里棱镜各结构参数精度。因此有必要发明一种适用于单件加工或者小批量加工的低成本不依赖精密多轴机床可以直接在普通的单轴机床上加工并能保证费里棱镜光轴夹角精度的方法。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种适用于单件加工或者小批量加工的低成本，无需采用高精度多轴数控加工设备，在一般光学加工中心即可加工保证费里棱镜光轴精度的加工方法。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是:一种费里棱镜的加工方法，包括如下步骤:
(1)加工曲面棱镜费里棱镜的初始结构，所述初始结构为圆柱体，所述圆柱体直径与费里棱镜第一个曲面的直径相等且两个端面都是与圆柱体轴心线垂直的平面，圆柱体的长度等于费里棱镜第一个曲面光轴轴向上工件最大长度尺寸加上切削去除量；
(2)以初始结构圆柱体的一个端面为基准面，在圆柱上切削加工一个与所述基准面间的夹角等于费里棱镜两镜面光轴夹角的椭圆形平面，获得费里棱镜的楔形圆柱结构，所述楔形圆柱结构空间上包容待加工的费里棱镜；(3)将步骤(2)加工后的楔形圆柱结构固定于光学加工中心旋转台上，调整工件位置使其圆柱轴心线与旋转台轴心线同轴，在圆柱圆形端面上加工出第一个曲面，加工的费里棱镜第一个曲面光轴与圆柱轴心线重合；
(4)将步骤(3)加工后的工件固定于光学加工中心旋转台上，调整工件位置使其椭圆形平面与旋转台台面平行且工件的旋转轴与待加工的第二个曲面光轴重合，在椭圆形平面上加工出第二个曲面。进一步的技术方案，加工时，步骤(I)中，初始结构圆柱体长度等于费里棱镜楔形圆柱结构圆柱体轴心线方向上楔形圆柱结构的椭圆端面到圆端面最大距离与最小距离的和加上切削去除量，将初始结构圆柱体按费里棱镜两个曲面光轴的夹角切割成两部分，切割部分别形成椭圆形平面，获得两个步骤(2)所述的楔形圆柱结构，分别加工成费里棱镜。优选的技术方案，本发明的费里棱镜初始结构具有如下特征:初始结构为圆柱体，所述圆柱体直径与费里棱镜第一个曲面的口径相等，两个端面都是与圆柱体轴心线垂直的圆形平面圆柱，其圆柱长度满足经过切削加工刚好可以得到两个相同的费里棱镜楔形圆柱结构要求。其初始结构圆柱体长度等于费里棱镜楔形圆柱结构圆柱体轴心线方向上楔形圆柱结构的椭圆端面到圆端面最大距离与最小距离的和，由于考虑切削时切削缝隙材料去除量影响实际初始结构圆柱体长度再加切削缝隙宽度在圆柱轴向方向上的投影长度。这样设计的好处是最大限度的节约了材料，一次切削即可得到两个楔角相等的楔形圆柱结构，这样加工后得到的两个费 里棱镜其光轴角度误差稳定性好。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点:
1、本发明通过切割形成椭圆形平面，实现了费里棱镜的加工，不需要采用高精度多轴数控加工设备，易于实现，特别适合于单件或小批量加工的需求。2、本发明中，圆柱端面和椭圆形平面间的夹角等于费里棱镜两个曲面光轴的夹角，因而，通过控制椭圆形平面的切削即可实现对费里棱镜两个曲面光轴夹角的精确加工。3、本发明可以利用一个初始结构组合加工2个费里棱镜，节省了材料，并且加工后得到的两个费里棱镜其光轴角度误差稳定性好。
图1为本发明实施例一中加工的曲面棱镜费里棱镜的初始结构示意 图2为本发明实施例一中初始结构圆柱上切削的费里棱镜楔形圆柱结构示意 图3为本发明实施例一中加工出第一个曲面的费里棱镜示意 图4为本发明实施例一中在椭圆端面上加工出第二个曲面的费里棱镜意 图5为本发明实施例一中切削圆柱得到费里棱镜的两个相同楔形圆柱结构示意图。其中:1、圆形端面；2、椭圆形平面；3、圆柱体轴心线；4、第一个曲面；5、工件旋转轴心线；6、第二个曲面；7、第一楔形圆柱结构；8、第二楔形圆柱结构。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例一:一种曲面棱镜费里棱镜的加工方法，包括如下步骤:
(I)依据需要加工曲面棱镜费里棱镜的初始结构，计算初始结构，参见图1所示，将其初始结构加工成圆柱体，该圆柱体直径与费里棱镜第一个曲面的口径相等且两个端面都是与圆柱体轴心线垂直的圆形平面；加工曲面棱镜费里棱镜的初始结构，所述初始结构为圆柱体，圆柱的长度略大于费里棱镜第一个曲面光轴轴向上工件最大长度尺寸；
(2)加工曲面棱镜费里棱镜的楔形圆柱结构，参见图2所示，以初始结构圆柱其中一个圆形端面I为基准面，在圆柱上切削加工一个与所述基准面楔角〃等于费里棱镜两镜面光轴夹角的椭圆形平面2，这一步是实现本发明实现准确控制费里棱镜光轴夹角的重要技术手段;
(3)将步骤(2)加工后的楔形圆柱固定于光学加工中心旋转台上，参见图3所示，调整工件位置使其圆柱体轴心线3与旋转台轴心线同轴，在圆柱圆形端面上加工出第一个曲面4，加工的费里棱镜第一个曲面光轴与圆柱轴心线重合；
(4)参见图4所示，将步骤(3)加工后的费里棱镜固定于光学加工中心旋转台上，调整工件位置使其椭圆形平面2与旋转台台面平行且工件旋转轴心线5与待加工的第二个曲面光轴重合，在费里棱镜椭圆端面上加工出第二个曲面6。本发明通过步骤(3)与步骤(4)的技术手段来实现光轴夹角β到控制楔角Θ的转化。实施过程中提到的初始结构优选实施方式为:将费里棱镜初始结构设计为具有如下特征:初始结构为圆柱体，所述圆柱体直径与费里棱镜第一个曲面的口径相等，参见图5所示，两个端面都是与圆柱体轴心线垂直的圆形平面圆柱，其圆柱长度满足经过权利要求1所述所述步骤(2)的切削加工刚好可以得到两个相同的费里棱镜楔形圆柱结构要求，其初始结构圆柱体长度等于费里棱镜楔形圆柱结构圆柱体轴心线方向上楔形圆柱结构的椭圆端面到圆端面最大距离与最小距离的和，由于考虑切削时切削缝隙材料去除量影响实际初始结构圆柱体长度再加切削缝隙宽度在圆柱轴向方向上的投影长度。该技术手段的好处是最大限度的节约了材料，一次切削即可得到两个楔角相等的第一楔形圆柱结构7与第二楔形圆柱结构8，这样加工后的得到的两个费里棱镜其光轴角度误差稳定性好。本发明的曲面棱镜费里棱镜的加工方法，不需要使用高精密多转轴机床也不需要改造现有设备，仅需要按照费里棱镜的结构参数制作出楔形圆柱结构，通过本发明的技术手段来实现光轴夹角控制到楔形圆柱结构楔角控制的转化。因此，本发明具有加工工艺简单、成本低、 光轴夹角精度易于控制适用于单件加工或小批量加工的特点。
权利要求
1.一种费里棱镜的加工方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)加工曲面棱镜费里棱镜的初始结构，所述初始结构为圆柱体，所述圆柱体直径与费里棱镜第一个曲面的直径相等且两个端面都是与圆柱体轴心线垂直的平面，圆柱体的长度等于费里棱镜第一个曲面光轴轴向上工件最大长度尺寸加上切削去除量； (2)以初始结构圆柱体的一个端面为基准面，在圆柱上切削加工一个与所述基准面间的夹角等于费里棱镜两镜面光轴夹角的椭圆形平面，获得费里棱镜的楔形圆柱结构，所述楔形圆柱结构空间上包容待加工的费里棱镜； (3)将步骤(2)加工后的楔形圆柱结构固定于光学加工中心旋转台上，调整工件位置使其圆柱轴心线与旋转台轴心线同轴，在圆柱圆形端面上加工出第一个曲面，加工的费里棱镜第一个曲面光轴与圆柱轴心线重合； (4)将步骤(3)加工后的工件固定于光学加工中心旋转台上，调整工件位置使其椭圆形平面与旋转台台面平行且工件的旋转轴与待加工的第二个曲面光轴重合，在椭圆形平面上加工出第二个曲面。
2.一种费里棱镜的 加工方法，采用权利要求1所述的加工方法加工，其特征在于:步骤(I)中，初始结构圆柱体长度等于费里棱镜楔形圆柱结构圆柱体轴心线方向上楔形圆柱结构的椭圆端面到圆端面最大距离与最小距离的和加上切削去除量，将初始结构圆柱体按费里棱镜两个曲面光轴的夹角切割成两部分，切割部分别形成椭圆形平面，获得两个步骤(2)所述的楔形圆柱结构，分别加工成费里棱镜。
全文摘要
本发明公开了一种费里棱镜的加工方法，包括如下步骤(1)加工曲面棱镜费里棱镜的初始结构圆柱体，直径与费里棱镜第一个曲面的直径相等且两个端面都是与圆柱体轴心线垂直的平面，圆柱体的长度等于费里棱镜第一个曲面光轴轴向上工件最大长度尺寸加上切削去除量；(2)在圆柱上切削加工一个椭圆形平面，获得费里棱镜的楔形圆柱结构，楔形圆柱结构空间上包容待加工的费里棱镜；(3)在圆柱圆形端面上加工出第一个曲面；(4)在椭圆形平面上加工出第二个曲面。本发明工艺简单、成本低、光轴夹角精度易于控制，适于单件加工或小批量加工。
文档编号B23B1/00GK103212722SQ20131013357
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月17日 优先权日2013年4月17日
发明者陈曦, 郭培基 申请人:苏州大学