CN101419297A - 一种产生空心光束的内外圆锥透镜的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生空心光束的圆锥透镜的加工方法，属于光学技术领域。本发明的加工方法包括内外圆锥透镜粗磨成型、精磨和抛光、检验等步骤。本发明在粗磨成型时控制粗磨成型的内圆锥透镜的锥面与锥底的夹角比成品小0.45°～0.55°、粗磨成型的外圆锥透镜的锥面与锥底的夹角比成品大0.45°～0.55°，使最终的圆锥透镜锥面与锥底的夹角刚好能满足要求；在内圆锥透镜轴心所在位置设置了一个直径约2mm的槽，使得内圆锥透镜进行精磨时，其中心易于加工，同时也是为了避免产生光束的会聚，可保证研磨的均匀性。本发明的圆锥透镜产品能产生质量好的准直空心光束。
Description
技术领域
本发明涉及一种产生空心光束的圆锥透镜的加工方法，属于光学技术领域。
背景技术
空心光束是指在光束的传播方向上中心光强较低或为零的环状光束，空心光束具有小暗斑尺寸、具有自旋和轨道角动量、传输不变性等特性，使之在现代物理、生物医学、光通信、光传感、光钳、光学漏斗、光学扳手等领域有着非常广泛的应用。例如，利用空心光束的特性，可以对包括为纳米粒子、分子、原子、自由电子在内的微观粒子进行精确无接触控制，实现对微小介质粒子的光学囚禁与四维操控以及冷原子的激光导引，并且对所囚禁的粒子没有折射率的限制。可利用空心光束对生物细胞进行操作，由于空心光束中心光强较低或为零，所以由光吸收而造成的粒子热损伤的可能性大大减小。随着物理、生物、通讯等方面的发展，激光空心光束的应用越来越广。
产生空心光束的方式主要有圆锥透镜、空心光纤、相位振幅全息和相位板等几种方法。从形成的空心光束的质量以及实施方式的难易程度来看，利用圆锥透镜的方法来产生空心光束最为简便易行且效果较好，特别是利用两个光轴重合、锥面与锥底所形成的夹角相等的内外圆锥透镜的组合，可以获得质量较好的准直空心光束(内外圆锥透镜组合产生空心光束的原理图见附图1所示)。但是利用内外圆锥透镜产生空心光束，对圆锥透镜的加工精度有着较高的要求。而目前还没有可靠的内外圆锥透镜的加工方法能达到这一要求，这是内外圆锥透镜组合产生空心光束发展和应用的瓶颈。因此，虽然国内外都有使用圆锥镜产生空心光束的设计报道，但始终因为加工的难度没有相关成型的报道。传统的透镜加工是主轴转动，镜盘摆动或偏心加工，圆锥透镜不能采用这些加工方法，因为圆锥是轴对称的，不能允许有偏心或镜盘摆动。有书上记载有使用车床加工外圆锥透镜的(田守信：高精度光学零件的加工)，车床加工存在抛光和精磨的吻合性难度大以及中心和边缘转动速度相差大的问题，目前还没有利用车床加工完成内外圆锥透镜精密加工的报道。在圆锥透镜的加工过程中，透镜轴心的位置往往是加工的盲点，因为主轴转动的速度越靠近中心线速度越低，最中心位置的线速度接近零，即在加工过程中圆锥透镜最中心的锥顶位置的线速度为零，往往加工不到，特别是内圆锥透镜中心的锥顶位置更难加工到，该部位在加工过程中往往容易形成一个球面，而很难按要求形成一个非球面的夹角。由于圆锥透镜加工过程中所存在的困难，目前采用内外圆锥透镜产生空心光束的技术尚处于研制的初期阶段，而目前国内加工圆锥镜厂家则几乎没有。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种能产生准直空心光束的内外圆锥透镜的加工方法。
本发明实现上述发明目的的技术方案包括内外圆锥透镜粗磨成型、精磨面形、抛光、检验等步骤，粗磨成型时需保证锥面与锥底的角度、内外圆锥透镜的偏心，以保证圆锥透镜的成像质量，精磨面形时包括内外圆锥透镜精磨抛光平面、外圆锥透镜精磨锥面面形、外圆锥透镜检验、内圆锥透镜精磨锥面面形、内圆锥透镜检验、对研修改面形、内外锥精磨检验、抛光、最终检验等几个步骤。本发明产生空心光束的内外圆锥透镜的具体加工方法如下：
1)、内外圆锥透镜粗磨成型：
将制作内外圆锥透镜的玻璃材料分别切割、下料，并滚圆成两端面平整、端面与侧壁垂直度良好的圆柱形玻璃毛坯，在滚圆过程中控制圆柱形玻璃毛坯的两端面与侧壁的垂直度以及两端面之间的平行度，端面与侧壁的垂直度保证在90°±3’，两端面的平行度误差控制在0.02mm以内；
用钻头在制作内圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯的一端面的中部打孔(即在圆锥的轴心所在位置打孔)，所打孔的深度比成品内圆锥透镜的锥高深2～3mm；
将打孔后的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的圆锥形模具上粗磨成型，粗磨成型的过程中控制透镜锥面的偏心，并用角度尺检验锥面与锥底的夹角，粗磨成型的内圆锥透镜锥面的偏心应小于0.1mm，锥面与锥底的夹角比成品小0.45°～0.55°，锥顶处有一直径2～2.5mm的槽，槽的深度2～3mm；
将制作外圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的伞形磨具上粗磨成型，粗磨成型过程中控制透镜锥面的偏心并用角度尺检验锥面与锥底的角度，粗磨成型的外圆锥透镜锥面的偏心应小于0.1mm，锥面与锥底的夹角比成品大0.45°～0.55°；
粗磨成型的外圆锥透镜的锥面外圆直径比内圆锥透镜的实际内锥的外圆直径小0.8～1.2mm，以便内外圆锥透镜对研时，内圆锥透镜对外圆锥透镜具有限位作用，以避免内外圆锥透镜对研时，由于主轴转动使得外锥容易跑出内锥面，即摆动太大会造成面形和角度的改变；
对粗磨成型的内外圆锥透镜进行检查，锥面不得有凹凸不平，不得有损坏；
2)内外圆锥透镜精磨面形：
(1)精磨抛光端面：将内外圆锥透镜的圆柱端面精磨后采用普通上盘或石膏上盘进行抛光，抛光后光洁度满足要求达到4级光洁度或图纸要求的光洁度，光圈达到±2道圈；
(2)用精磨抛光机对外圆锥透镜的锥面进行精磨，调整好主轴转动时外圆锥透镜圆柱端面的跳动幅度，使其小于0.03mm，精磨时使用圆锥形模具进行修正，边磨边用角度测量尺进行测量，待精磨完成最后一道砂(W10)后，不换砂改用修过边缘棱线的方块玻璃的成一条直线的棱边加砂修改锥面面形，使得锥面表面均匀；
用精磨抛光机对内圆锥透镜的锥面进行精磨，内圆锥透镜的锥面精磨方法同外圆锥透镜锥面精磨；
(3)内圆锥透镜锥面精磨完成后将内外圆锥透镜一起进行对研，此时由于内锥中心有直径2mm的槽，外锥和内锥中心不会相互阻碍，同时，在研磨的过程中，由于边缘的线速度要大于中心的线速度，所以对于内锥角度会变大一些，外锥角度会变小一些，对研时机床的主轴速度控制在18～22rpm，研磨时间控制在15分钟以内，在精磨最后一道砂(W10)时，当粗砂面去除后，每隔1～2分钟即将内外圆锥透镜置于镜筒内进行检验，在5～8m的范围观察空心光束，直至所产生的空心光束无会聚、杂光少、光环均匀，光环内环的直径比要求的大1～2mm；
3)抛光：采用沥青抛光对内外圆锥透镜进行抛光，抛光时主轴速度控制在18～22rpm，内外圆锥透镜与主轴的同轴度误差不大于0.03mm，抛光控制在30分钟内完成，抛光时，先将锥面中心用小的抛光模抛光，再用大的抛光模对整个面形进行抛光，直到整个面形抛光完成，注意在最后即将抛光完成时，每隔1～2分钟就要对内外圆锥透镜所产生的空心光束进行检验，当所产生的空心光束满足设计要求的时候，说明抛光达到要求，即可将内外圆锥透镜进行封装；
所述空心光束的检验方法为：将成对的内外圆锥透镜进行装配后采用光束质量测试仪对光束进行检验，若在5～10m之间没有光束的会聚和发散，空心光束大小满足设计要求、光环大小均匀一致、在任一扫描区域内环上与环外光能量的比值大于95％，则表明杂光在允许的范围之内，抛光达到要求，否则需要重新抛光。
内外圆锥透镜对研完成后对透镜所产生的空心光束的检测方法为：将内外圆锥透镜所产生的空心光束照射在没有反光的白板上进行检测和测量，若光环有清晰的边缘，并且光环上的光亮度远大于光环外的光亮度，没有任何集中的光点出现，光环内环的直径比成品大1～2mm，则说明对研达到要求，否则需要重新对研。
精磨外圆锥透镜锥面完成后，将其放在镜筒内(事先应修好内锥样板)，通过判断1～8m的距离之间光是否有会聚、光环是否有杂光、光环是否均匀、光环直径是否满足要求，以检验精磨角度和锥面面形，若1～8m的距离之间光没有会聚，杂光少，光环均匀，光环的直径比设计的大1～2mm，则说明精磨角度和面形已达到要求，如果1～8m的距离之间光有会聚、光环不均匀、杂光比较多，则说明锥面面形没有磨好，需要重新进行精磨；精磨内圆锥透镜锥面完成后，将其放在事先修好外圆锥透镜的镜筒内检验，检验方法同外圆锥透镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果：由于主轴转动的速度越靠近中心线速度越低，最中心位置的线速度接近零，因此圆锥透镜中心的加工精度难以达到要求，特别是内圆锥透镜的中心加工难度更大，在研磨的过程中，圆锥透镜锥顶处(即圆锥透镜中心)容易形成一个球面，很难研磨成一个死角，这样会导致光斑的会聚，造成杂光的出现。并且在加工的过程中，锥面与锥底的角度、研磨主轴速度及时间的控制也很重要，否则会影响锥面面形及角度，最终影响所产生的空心光束的质量。因此，为了完成内、外圆锥镜的加工，首先要解决的问题就是怎样克服由于主轴中心和边缘线速度相差的问题，保证抛光面同时对于面形均匀性的测试方法以及加工中的控制也是很重要的。
针对目前圆锥透镜加工过程中所存在的困难，本发明提供了一种内外圆锥透镜的加工方法，本发明的加工方法包括内外圆锥透镜粗磨成型、精磨面形两个步骤。由于在研磨的过程中，边缘的线速度大于中心的线速度，所以对于内锥角度会变大一些，外锥角度会变小一些，因此本发明在粗磨成型时控制粗磨成型的内圆锥透镜的锥面与锥底的夹角比成品小0.45°～0.55°、粗磨成型的外圆锥透镜的锥面与锥底的夹角比成品大0.45°～0.55°，使最终的圆锥透镜锥面与锥底的夹角刚好能满足要求。本发明在粗磨成型时在内圆锥透镜轴心所在位置设置了一个直径约2mm的槽，使得内外圆锥透镜一起进行对研时，内外圆锥透镜的中心不会相互阻碍，可保证研磨的均匀性。本发明通过反复试验，最终确定主轴转动的速度及研磨时间，并且通过内外圆锥透镜进行装配后检验所产生的空心光束的是否在规定的距离内有会聚、光环是否均匀一致、杂光是否在允许的范围内，来控制内外圆锥透镜的面形与角度，使得最终的圆锥透镜产品能产生质量好的准直空心光束。
附图说明
图1为空心光束产生原理图。
图2为内圆锥透镜剖面图。
图3为外圆锥透镜剖面图。
图中α为圆锥透镜锥面与锥底的夹角，Φ1为内圆锥透镜圆柱的直径，Φ2为内圆锥透镜圆锥的直径，L1为内圆锥透镜圆柱的高，d1为内圆锥透镜圆锥的高，Φ3为外圆锥透镜圆锥及圆柱的直径，L2为外圆锥透镜圆柱的高，d2为外圆锥透镜圆锥的高，0.012表示的是抛光面的粗糙度要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
一种产生空心光束的内外圆锥透镜的加工方法，包括以下步骤：
1)、内外圆锥透镜粗磨成型：
将制作内外圆锥透镜的玻璃材料分别切割、下料，并滚圆成两端面平整、端面与侧壁垂直度良好的圆柱形玻璃毛坯，本实施例的内圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯的直径Φ1为40mm，圆柱高L1为17mm；外圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯的直径Φ3为30mm，圆柱的高为10mm。成品要求圆锥面与圆柱端面(即圆锥底面)之间的夹角α为22.5°，外圆锥透镜锥高d2为7mm，内圆锥透镜锥高为6.5mm。在滚圆过程中控制圆柱形玻璃毛坯的两端面与侧壁的垂直度以及两端面之间的平行度，端面与侧壁的垂直度保证在90°±3’，两端面的平行度误差控制在0.02mm以内。
将直径为8mm的钻头的头部磨尖，使转头头部的直径为2～2.5mm，用该钻头在制作内圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯的一端端面的中部打孔(即在圆锥的轴心所在位置打孔)，孔的深度为8.5～9.5mm，比图纸要求内锥锥面深度6.5mm深2～3mm；
将打孔后的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的圆锥形模具上粗磨成型，粗磨成型过程中控制透镜锥面的偏心并用角度尺检验锥面与锥底的角度，粗磨成型的内圆锥透镜锥面的偏心小于0.1mm，锥面与锥底之间的夹角为22°，比成品小0.5°，锥顶处有一直径2～2.5mm的槽，槽的深度为2～3mm；
将制作外圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的伞形磨具上粗磨成型，粗磨成型过程中控制透镜锥面的偏心并用角度尺检验锥面与锥底的角度，粗磨成型的外圆锥透镜锥面的偏心小于0.1mm，锥面与锥底之间的夹角为23°，比成品大0.5°；
粗磨成型的外圆锥透镜的锥底直径为30mm比内圆锥透镜的锥底直径Φ2小1mm。
对粗磨成型的内外圆锥透镜进行检查，锥面不得有凹凸不平，不得有损坏。
2)内外圆锥透镜精磨面形：
(1)精磨抛光端面：采用小型精磨抛光机将内外圆锥的圆柱端面精磨后进行抛光，或采用石膏上盘进行抛光，抛光后光洁度满足要求达到4级光洁度，光圈达到±2道圈。
(2)用精磨抛光机对外圆锥透镜的锥面进行精磨，精磨时调整好主轴转动时外圆锥透镜端面的跳动幅度，使其小于0.03mm，先后采用三道砂(W28、W20、W10)对透镜锥面进行精磨，并且精磨时使用圆锥形模具进行修正，边磨边用角度测量尺进行测量，待精磨完成最后一道砂(W10)后，不换砂改用修过边缘棱线的方块玻璃的成一条直线的棱边加砂修改锥面面形，使得锥面表面均匀。
精磨外圆锥透镜锥面完成后，将其放在实际的镜筒内(事先应修好内锥样板)，通过看光斑判断锥面面形，如果面形不好的话，杂光比较多；精磨的面形看到的空心光束比设计的要稍微大一些，实际看光环的直径，要比设计的大1～2mm；同时，判断从1m～8m之间，光是否有会聚，是否有杂光，光环是否均匀；如果光没有会聚，杂光少，光环均匀，则说明精磨角度和面形已基本可以，否则需要重新精磨。
(3)用精磨抛光机对内圆锥透镜的锥面进行精磨，内圆锥透镜的锥面精磨方法同外圆锥透镜锥面精磨，内外圆锥透镜锥面精磨先后采用三道砂W28、W20、W10，最后用W10的金刚砂将内外圆锥透镜锥面相对，一起进行对研，对研时机床的主轴速度控制在18～22rpm，对研时间控制在15分钟以内，在对研最后一道砂(W10)时，当粗砂面去除后，每隔1～2分钟即将内外圆锥透镜置于镜筒内，对内外圆锥透镜所产生的空心光束照射在没有反光的白板上进行检测和测量，在5～8m的范围观察空心光束，直至所产生的空心光束光环有清晰的边缘，光环上的光亮度远大于光环外的光亮度，没有任何集中的光点出现，无会聚、杂光少、光环均匀，光环内环的直径比成品大1～2mm，则说明对研达到要求，否则需要重新对研。
3)抛光：采用沥青抛光对内外圆锥透镜进行抛光，抛光时主轴速度控制在18～22rpm，内外圆锥透镜与主轴的同轴度误差不大于0.03mm，抛光控制在30分钟内完成，抛光时，先将中心用小的抛光模抛光，再用大的抛光模对整个面形进行抛光，直到整个面形抛光完成，在最后即将抛光完成时，每隔1～2分钟即对内外圆锥透镜所产生的空心光束进行检验，当抛光到要求的空心光束的时候，即取下封装。
检验方法为：将成对的内外圆锥透镜进行装配后采用光束质量测试仪对光束进行检验，若在5～10m之间没有光束的会聚和发散，空心光束大小满足设计要求、光环大小均匀一致、在任一扫描区域内环上与环外光能量的比值大于95％，则表明杂光在允许的范围之内，抛光达到要求，否则需要重新抛光。
Claims (3)
- 【权利要求1】一种产生空心光束的内外圆锥透镜的加工方法，其特征在于包括如下步骤：1)、内外圆锥透镜粗磨成型：将制作内外圆锥透镜的玻璃材料分别切割、下料，并滚圆成两端面平整、端面与侧壁垂直度良好的圆柱形玻璃毛坯；用钻头在制作内圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯的一端端面的中部打孔，所打孔的深度比成品内圆锥透镜的锥高深2～3mm；将打孔后的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的圆锥形模具上粗磨成型，粗磨成型的内圆锥透镜锥面的偏心小于0.1mm，锥面与锥底的夹角比成品小0.45°～0.55°，锥顶处有一直径2～2.5mm、深度为的2～3mm槽；将制作外圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的伞形磨具上粗磨成型，粗磨成型的外圆锥透镜锥面的偏心小于0.1mm，锥面与锥底的夹角比成品大0.45°～0.55°；粗磨成型的外圆锥透镜的锥底直径比内圆锥透镜的锥底直径小0.8～1.2mm；2)内外圆锥透镜精磨面形：(1)精磨抛光端面：将内外圆锥透镜的圆柱端面精磨后采用普通上盘或石膏上盘进行抛光，抛光后光洁度达到4级光洁度或图纸要求的光洁度，光圈达到±2道圈；(2)用精磨抛光机对外圆锥透镜的锥面进行精磨，调整好主轴转动时外圆锥透镜圆柱端面的跳动幅度，使其小于0.03mm，精磨时使用圆锥形模具进行修正，边磨边用角度测量尺进行测量，待精磨完成最后一道砂后，不换砂改用修过边缘棱线的方块玻璃的成一条直线的棱边加砂修改锥面面形，使得锥面表面均匀；用精磨抛光机对内圆锥透镜的锥面进行精磨，内圆锥透镜的锥面精磨方法同外圆锥透镜锥面精磨；(3)内圆锥透镜锥面精磨完成后将内外圆锥透镜一起进行对研，对研时机床的主轴速度控制在18～22rpm，研磨时间控制在15分钟以内，在精磨最后一道砂时，当粗砂面去除后，每隔1～2分钟即将内外圆锥透镜置于镜筒内进行检验，在5～8m的范围检测空心光束，直至所产生的空心光束无会聚、杂光少、光环均匀，光环内环的直径比成品大1～2mm；3)抛光：采用沥青抛光对内外圆锥透镜进行抛光，抛光时主轴速度控制在18～22rpm，内外圆锥透镜与主轴的同轴度误差不大于0.03mm，抛光时间控制在30分钟内完成，抛光时，先将锥面中心用小的抛光模抛光，再用大的抛光模对整个面形进行抛光，直到整个面形抛光完成；在抛光即将完成时，每隔1～2分钟即对内外圆锥透镜所产生的空心光束进行检验，当所产生的空心光束满足设计要求的时候，说明抛光达到要求，即可将内外圆锥透镜进行封装；所述检验方法为：将成对的内外圆锥透镜进行装配后采用光束质量测试仪对光束进行检验，若在5～10m之间没有光束的会聚和发散，空心光束大小满足设计要求、光环大小均匀一致、在任一扫描区域内环上与环外光能量的比值大于95％，则表明杂光在允许的范围之内，抛光达到要求，否则需要重新抛光。
- 【权利要求2】根据权利要求1所述的一种产生空心光束的内外圆锥透镜的加工方法，其特征在于：内外圆锥透镜对研完成后对透镜所产生的空心光束的检测方法为：将透镜所产生的空心光束照射在没有反光的白板上进行检测和测量，若光环有清晰的边缘，并且光环上的光亮度远大于光环外的光亮度，没有任何集中的光点出现，光环内环的直径比成品大1～2mm，则说明对研达到要求，否则需要重新对研。
- 【权利要求3】根据权利要求1或2所述的一种产生空心光束的内外圆锥透镜的加工方法，其特征在于：精磨外圆锥透镜锥面完成后，将其放在事先修好内圆锥透镜的镜筒内，通过判断1～8m的距离之间光是否有会聚、光环是否有杂光、光环是否均匀、光环直径是否满足要求，以检验精磨角度和锥面面形，若1～8m的距离之间光没有会聚，杂光少，光环均匀，光环内环的直径比设计的大1～2mm，则说明精磨角度和面形已达到要求，如果1～8m的距离之间光有会聚、光环不均匀、杂光比较多，则说明锥面面形没有磨好，需要重新进行精磨；精磨内圆锥透镜锥面完成后，将其放在事先修好外圆锥透镜的镜筒内检验，检验方法同外圆锥透镜。
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