一种曲面棱镜的加工方法与流程

本发明属于光学元件加工及超精密加工技术领域，涉及一种双面为球面的特殊棱镜的加工方法。

背景技术：

Féry.C.H于1911年基于罗兰圆原理提出的一种曲面棱镜，该棱镜的两个工作表面均为球面，且两个球面具有较大的面倾角，使其同时具有分光和成像能力。当其应用在光谱系统中作为分光元件时，可以大大简化系统的结构，减轻系统的质量。曲面棱镜带来极大的优势的同时，也给加工带来了很大难度。曲面棱镜为非回转对称零件，对于面倾角或离轴量有很高的精度要求，该离轴量无法直接测量，给加工带来了很大难度。

目前光学曲面棱镜的加工主要依靠金刚石车削技术来实现，即直接进行金刚石车削加工方法实现棱镜加工，或采用金刚石车削加工方法进行模芯加工，然后借助模压技术实现整个棱镜的制造。这两种方法对设备的依赖度非常高，机床设备需要满足多自由度高精度联动，非常昂贵，成本较高。

如中国发明专利CN102139376A公开了一种自由曲面棱镜加工方法，需要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多轴机床或加工中心一次装夹铣磨成型，每一个曲面光轴之间的夹角依靠加工机床的旋转轴精度保证，加工成本较高，不利于推广。中国发明专利CN 106392821 A中也存在同样的问题。

为了降低加工成本，提高加工效率，中国发明专利CN103111630 B介绍了一种采用特殊夹具曲面棱镜加工方法。该方法通过将曲面棱镜放入到预先设计加工好的偏轴夹具中实现面倾角的控制，由于夹具与曲面棱镜存在配合误差，偏轴夹具加工精度低等原因，该方法的曲面棱镜离轴量精度不高，且由于夹具与棱镜材料的匹配问题，加工过程中面形不容易保证，只适用于要求不高的情况下。

技术实现要素：

为了解决曲面棱镜难以加工，加工精度低或成本高的问题，本发明基于传统的光学冷加工手段，提出一种曲面棱镜的高精度加工方法，该方法无需采用贵重的多轴加工设备，能保证零件的加工便利性和精度，易于推广实现，离轴量精度易于保证。

本发明的技术解决方案是：

一种曲面棱镜的加工方法，包括以下步骤：

1)加工平凹透镜：将光学玻璃加工铣磨成平凹透镜，要求平凹透镜的同心度满足要求，其凹面半径等于曲面棱镜的凹面半径，外圆直径等于曲面棱镜的外圆直径，中心厚度大于曲面棱镜的厚度；

2)平凹透镜与圆形玻璃基板粘接：将平凹透镜偏心粘接在圆形玻璃基板上，要求偏心量等于曲面棱镜的离轴量，且平凹透镜的凹面朝向圆形玻璃基板；

3)粘接辅助块：在圆形玻璃基板上粘接玻璃材质的辅助块；

4)铣磨平凹透镜的凸面：将粘接好的辅助块、平凹透镜、圆形玻璃基板按照平凸透镜的加工方法铣磨凸面，要求平凸透镜的同心度满足要求，凸面的半径等于曲面棱镜的凸面半径，中心厚等于曲面棱镜的最大厚度加上玻璃基板的厚度；

5)从圆形玻璃基板上取下曲面棱镜，完成加工。

进一步地，上述步骤1还包括对铣磨后的平凹透镜进行倒边或倒角处理，然后抛光凹面到指定的面形的步骤。

进一步地，上述步骤1是通过等厚测量的方法保证平凹透镜的同心度。

进一步地，上述步骤2是通过测量平凹透镜外圆与玻璃基板的外圆相对位置实现离轴量的控制。

进一步地，上述步骤3中，要求粘接在一起的辅助块、平凹透镜和圆形玻璃基板，其整体质量趋于均匀。

进一步地，上述步骤4还包括抛光凸面的到指定的面形的步骤。

进一步地，上述步骤4中，以玻璃基板的外圆作为基准，通过等厚测量的方法保证平凸透镜的同心度。

进一步地，为保护加工好的平凹透镜，辅助块和平凹透镜之间设置有间隙。

本发明的有益效果：

曲面棱镜为非回转对称零件，对离轴量或面倾角有很高的精度要求，现有的加工手段存在成本太高或者加工精度不足的问题。本发明提出的曲面棱镜加工方法，基于传统光学冷加工方法，不需要多轴铣磨设备，将难以直接测量的离轴量转换成玻璃基板和平凹透镜的相对位置量，加工精度高，方法简单，易于推广实现。

附图说明

图1是本发明平凹透镜加工示意图；

图2是本发明平凹透镜与玻璃基板粘接示意图；

图3是本发明在玻璃基板上粘接辅助块示意图；

图4是本发明按平凸透镜加工凸面示意图；

图5是本发明所加工的曲面棱镜的结构和参数示意图；

其中：01-凹面的圆心，02-凸面的圆心，03-工件，04-圆形玻璃基板，05-辅助块，06-凹面，07-凸面，R1-凹面半径，R2-凸面半径，D-曲面棱镜外圆直径，H-曲面棱镜厚度，L-凸面的离轴量，θ-对应凸面的面倾角。

具体实施方式

本发明所加工的曲面棱镜如图5所示，凹面半径为R1，凸面半径为R2，外圆直径为D，其厚度为H，凸面的离轴量为L，对应凸面的面倾角为θ，O1，O2分别为凹面和凸面的圆心。

具体加工步骤参见图1至图4。

图1中，将光学玻璃加工铣磨成平凹透镜，其凹面半径等于R1，外圆直径等于D，中心厚略大于H，通过等厚测量的方法保证平凹透镜的同心度，对零件进行倒边或倒角处理，然后抛光凹面的到指定的面形；

图2中，将平凹透镜偏心粘接在圆形的玻璃基板上，偏心量等于L，通过测量平凹透镜外圆与玻璃基板的外圆相对位置实现离轴量的控制；

图3中，在玻璃基板上粘接辅助块，使整个零件的质量较为均匀，便于光学铣磨和抛光；

图4中，将粘接好的零件按照平凸透镜的加工方法铣磨凸面，令凸面的半径等于R2，中心厚等于H加上玻璃基板的厚度，以玻璃基板的外圆作为基准，通过等厚测量的方法保证平凸透镜的同心度，然后抛光凸面的到指定的面形；

最后，取下曲面棱镜，完成加工。