CN103149609B - 超大口径菲涅尔透镜加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学设备领域，具体而言，涉及超大口径菲涅尔透镜加工方法。该方法包括：将欲加工的菲涅尔透镜划分成多个菲涅尔透镜分块；制作所述菲涅尔透镜分块的模板；根据所述欲加工的菲涅尔透镜的特征参数，得到工艺参数和加工程序；根据所述工艺参数和加工程序刻录所述菲涅尔透镜分块的模具；使用所述模具制作所述菲涅尔透镜分块；将所述制作好的菲涅尔透镜分块拼接为所述欲加工的菲涅尔透镜。本发明所提供的菲涅尔透镜加工方法，可以制造出直径大于5m的超大口径菲涅尔透镜，工艺简单。

Description

超大口径菲涅尔透镜加工方法

技术领域

本发明涉及光学设备领域，具体而言，涉及超大口径菲涅尔透镜加工方法。

背景技术

菲涅尔透镜（Fresnel lens），如图1所示，为一面为光面，另一面刻录有同心圆或者阿基米德螺线的透镜。

相关技术中的菲涅尔透镜的加工多采用大型机床刻录模具，再用刻录好的模具进行整体浇注或模压成型，或者直接在镜片基材上进行磨削、刻录而成。

但不管采用上述那种方法制造，菲涅尔透镜的口径都会受到机床加工能力的限制；例如，使用大型超精密五轴单晶金刚石龙门机床，最大只能加工直径3.4m的超大口径菲涅尔透镜，且工艺复杂，严重的制约了菲涅尔透镜在光学聚焦、太阳能热能利用等领域的发展。

目前，机床加工菲涅尔透镜的口径极限是5米，而直径超过5米的超大口径菲涅尔透镜，还没有加工方法可以实现。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供超大口径菲涅尔透镜加工方法，以解决上述的问题。

在本发明的实施例中提供了一种超大口径菲涅尔透镜加工方法，包括：

将欲加工的菲涅尔透镜划分成多个菲涅尔透镜分块；

制作所述菲涅尔透镜分块的模板；

根据所述欲加工的菲涅尔透镜的特征参数得到工艺参数和加工程序；

根据所述工艺参数和加工程序刻录每一个所述菲涅尔透镜分块的模具；

使用所述模具制作所述菲涅尔透镜分块；

将所述制作好的菲涅尔透镜分块拼接为所述欲加工的菲涅尔透镜。

本发明上述实施例的菲涅尔透镜加工方法，将原本需要整体加工的菲涅尔透镜预先划分为小块，然后对每一小块分别刻录模具并制作成形，再将小块拼接成整体菲涅尔透镜。这样，整体菲涅尔透镜的口径限制就被打破了，只要划分的小块足够多，理论上可以制造任意口径大小的菲涅尔透镜，且工艺简单。通过本发明实施例的菲涅尔透镜加工方法，可以制造出直径大于5m的超大口径菲涅尔透镜。

附图说明

图1示出了菲涅尔透镜；

图2示出了本发明实施例的菲涅尔透镜加工流程；

图3示出了本发明实施例对于同心圆形的菲涅尔透镜的一级区间的划分方式；

图4示出了本发明实施例对于同心圆形的菲涅尔透镜的二级区间的划分方式；

图5示出了本发明实施例对于阿基米德螺线形的菲涅尔透镜的划分方式；

图6示出了本发明实施例的菲涅尔透镜分块的具体结构；

图7示出了本发明实施例的菲涅尔透镜分块连接方式。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种菲涅尔透镜加工方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤201、将欲加工的菲涅尔透镜划分成多个菲涅尔透镜分块；

在本步骤中，具体的划分菲涅尔透镜的方式任意，划分出的菲涅尔透镜分块的形状、大小也是任意的，以下举一个具体的例子：

如图3所示，对于同心圆型的菲涅尔透镜，可以将菲涅尔透镜从圆心处划分为4个直角扇形一级区间，分别为右上部的一级A区间1、左上部的一级B区间2、左下部的一级C区间3、右下部的一级D区间4。进一步地，还可以再将每个一级区间进一步划分为多个二级区间，以一级A区间1为例，如图4所示，将一级A区间1划分为二级A区间8～14；其它一级区间也可以如此划分。

上述划分方式中，二级区间的实际尺寸和形状各不相同，但A、B、C、D四个一级区间之间是轴对称关系，各一级区间对应的二级小区间的尺寸和形状完全相同，因此上述划分方式，在后续制作模具的过程中，间只需按A区间各二级小区间实际尺寸和形状分别设计出其菲涅尔透镜模具，其他一级区间可以套用A区间的对应模具，从而节省模具制作的时间。

如图5所示，对于阿基米德螺线型的菲涅尔透镜，划分方法相同，只不过划分出的每个分块都不相同，所以在后续模具制作中需要刻录所有区间的模具，不能使用一级A区间复用的方法。

步骤202、制作每一个所述菲涅尔透镜分块的模板；

模具刻录前可以先进行A区间模具定型，按A区间各小区间的形状和尺寸制作出相应形状和尺寸的模板；

进一步地，可以为每块模板编号，例如在每块模板背面按顺序打好编号钢印，帮助排序，减少出现错误的可能。

步骤203、根据所述欲加工的菲涅尔透镜的特征参数得到工艺参数和加工程序；

本步骤用于得到刻录菲涅尔透镜分块的模具，所要使用到的工艺参数和加工程序；

一般菲涅尔透镜分块的模具需要使用到精密机床，例如可以使用大型超精密五轴单晶金刚石龙门机床，使用该机床刻录模具，需要输入预先设计好的工艺参数和加工程序。

具体设计时，可以根据菲涅尔透镜的口径、面积、焦距长度、聚光比要求、材质、比重、折射率、加工方式、透镜形状等欲加工的菲涅尔透镜的特征参数，用ZEMAX或ASAP等光学软件的非序列模式设计出各个菲涅尔透镜分块，及各个菲涅尔透镜分块的排序以及齿高、齿距、脱模角、齿高度角等工艺参数和加工程序。

例如，一块直径1m的透镜，一般会划分为500个左右透镜分块，每一个单元的排列位置、脱模角、齿高、齿距等都有区别，用光学软件设计时须按透镜分块进行排序，与分块的排序有区别，透镜分块的排序涉及刀具进刀量、齿槽间角度调整等。另外，一般的透镜可以采取序列模式设计，我们的透镜需要采用非序列模式设计。

由于每块菲涅尔透镜分块的模具上的每条齿槽都不是完整的圆环，因此设计加工程序时只需设计刀具的进刀量和齿槽间角度的微调量，不需输入退刀和重新定位程序，可以显著地提高刻录精度和速度。

步骤204、根据所述工艺参数和加工程序刻录每一个所述菲涅尔透镜分块的模具；

将所编程序输入超精密多轴单晶金刚石机床控制台，即可控制机床按顺序分别刻录出每块模具。

刻录模具时，机床可以不作改动，机床的主轴工作台仍然以圆环旋转的方式运动，便可刻录出所需模具。

当然，为进一步提高工作速度和功效，也可以将机床的主轴工作台改装成弧形往复运动形式，机床主轴不需要旋转一周，从而可以更快地刻录出各种齿形模具。机床主轴工作台弧形往复运动角度可以根据具体要求进行调整。

采用本步骤中这种刻录模具的方法，不仅可以刻录平面齿形的菲涅尔透镜模具，输入二次抛物面齿形菲涅尔透镜的二次函数计算公式及工艺程序或阿基米德螺线齿形菲涅尔透镜齿尖劈元函数及工艺程序，调换相应的金刚石刀具，就可以分别刻录二次抛物面齿形或阿基米德螺线齿形菲涅尔透镜模具。

对于阿基米德螺线型透镜需要刻录所有区间的模具，不能使用一级A区间复用的方法，其他工艺相同。

步骤205、使用所述模具制作所述菲涅尔透镜分块；

制作好模具后，即可根据该模具制作菲涅尔透镜分块，制作方法可以采用浇注、模压等工艺；产量较少时，也可以直接采用车削工艺，其方法和加工模具相同，制成的菲涅尔透镜分块可以如图6所示，形成由基面22、齿面24、连接部件（图6中为连接槽23）。

采用浇注工艺时，除模具外，还需按设计的厚度要求另外制作对应的底模，并预留连接件相应空间（如图7中互相配合的连接槽23和连接凸起25），再将模具和底模合而为一进行浇注，即可。

采用模压工艺时，先选择好光学材料如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），采用聚碳酸酯（PC）光学材料时须先作抗紫外线（UV）处理。

按A区间各小区间的形状和尺寸，把PMMA或PC材料裁切成块，有矩形凸缘的材料预留出凸缘所需尺寸，两至四个侧面按计算要求，无论凹槽侧面或凸缘侧面，均从出射界面往入射界面作轻微的倒角收缩，同时将裁切成块的材料按要求加工出矩形凹槽和矩形凸缘，并将凹槽和凸缘作抛光处理。然后按顺序用模板和裁切好的对应材料进行模压加工。

进行模压工艺时，因为单块透镜材料和模具相对较小，可以使用相对较小吨位和较小承压平台的压机，掌握好温度、干燥和冷却时间即可。

步骤206、将所述制作好的菲涅尔透镜分块拼接为所述欲加工的菲涅尔透镜。

将加工好的镜片按顺序进行对应嵌接，如图7所示，将连接槽23和与其配合的连接凸起25

嵌接前，连接槽23、连接凸起25等接触面可以涂抹粘性强、耐候性好、光线透过率高的液体胶，嵌接时严格对正相应齿槽、齿高度角、脱模角和两镜片之间倒角，掌握好胶液凝固时间，保证面形精度。

镜片组装完成后，镜片外沿还可以加装适当强度和深度的槽型金属外框，以保证拼接后的整体强度，并形成具一定弧度角的弧形基面超大口径菲涅尔透镜。

另外，在上述拼接好的菲涅尔透镜上还可以涂敷反射层，形成超大口径菲涅尔反射镜。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超大口径菲涅尔透镜加工方法，其特征在于，包括：

将欲加工的菲涅尔透镜划分成多个菲涅尔透镜分块；

制作所述菲涅尔透镜分块的模板；

根据所述欲加工的菲涅尔透镜的特征参数，得到工艺参数和加工程序；

根据所述工艺参数和加工程序刻录所述菲涅尔透镜分块的模具；

使用所述模具制作所述菲涅尔透镜分块；

将所述制作好的菲涅尔透镜分块拼接为所述欲加工的菲涅尔透镜；

所述将欲加工的菲涅尔透镜划分成多个菲涅尔透镜分块，包括：

将所述欲加工的菲涅尔透镜从圆心处划分为多个呈扇形的一级区间；再将所述一级区间划分为多个相对体积更小的二级、三级或更小的区间；

再将所述二级或更小的区间划分为菲涅尔透镜分块。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制作每一个所述菲涅尔透镜分块的模板包括：

按一级区间各小区间的形状和尺寸制作出相应形状和尺寸的菲涅尔透镜分块的模板，并为每块所述模板编号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征参数，包括：

所述欲加工的菲涅尔透镜的口径、面积、焦距、聚光比、材质、比重、折射率、加工方式和透镜形状中的任意多种的组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺参数，包括：

齿高、齿距、脱模角和齿高度角。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述加工程序包括：

所述各菲涅尔透镜分块的排序、刀具的进刀量和齿槽间角度的调整量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻录每一个所述菲涅尔透镜分块的模具，包括：

通过精密机床的主轴工作台弧形往复运动刻录每一个所述菲涅尔透镜分块的模具；

通过调换相应刀具，刻录平面齿形、二次抛物面齿形、阿基米德螺线齿形的所述菲涅尔透镜分块的模具。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用所述模具制作所述菲涅尔透镜分块，包括：

使用所述模具，通过浇注或模压形成所述菲涅尔透镜分块。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将制作好的菲涅尔透镜分块拼接为所述欲加工的菲涅尔透镜之后，该方法进一步包括：

在所述欲加工的菲涅尔透镜边缘加装外框，形成弧形基面的菲涅尔透镜。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将制作好的菲涅尔透镜分块拼接为所述欲加工的菲涅尔透镜之后，该方法进一步包括：

在所述欲加工的菲涅尔透镜表面涂敷反射层。