CN104238020A

CN104238020A - 一种塑料光纤微透镜的制作方法

Info

Publication number: CN104238020A
Application number: CN201310232042.3A
Authority: CN
Inventors: 耿旭辉; 关亚风; 吴大朋
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN104238020B

Abstract

一种塑料光纤微透镜的制作方法，所述塑料光纤微透镜使用数控机床精车、超精研抛及手动二次抛光制作而成。本制作方法有利于具体实施例中塑料光纤微透镜参数的优化。而且，数控机床的加工精度为微米级，一般塑料光纤的直径为毫米级，本制作方法能够得到较好的加工精度和重现性。

Description

一种塑料光纤微透镜的制作方法

技术领域

本发明涉及一种塑料光纤微透镜的制作方法。具体的，用数控机床精车、超精研抛及手动二次抛光制作而成。

背景技术

近年来，由于塑料光纤（POF）具有成本低、机械强度高、弹性良好、热稳定性高和抗潮湿能力强等优点，它逐渐被应用在短距离的光学网络中。整个POF系统的性能很强地依赖于光源与POF的耦合效率。为了有效地改进耦合效率，经常使用的办法是引入光纤微透镜，因为它简单、紧凑且一步同轴校准。目前，许多研究机构和公司加工制作各种各样的POF微透镜用来有效地耦合不同种类的光源，如半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）。

制作POF微透镜通常有三个方法，即化学蚀刻法、加热模压法和聚合物浸沾法。近来，Chandrappan课题组同时采用加热模压法和聚合物浸沾法加工制作了球面POF微透镜，并得到了27%的耦合效率增益。作者论述，聚合物浸沾法要优于加热模压法因为它不产生加热模压法引起的变形的“耳朵”（IEEETRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES,2009,32(3):593-599）。尽管上述三种制作方法都有各自独特的优点，但是它们都是基于化学或者物理原理，不方便对微透镜参数进行精确优化和加工，加工精度也无法保证。

本发明专利基于POF优良的机械加工性能，即低硬度、不易碎裂和易研磨，提出了采用数控机床加工制作POF微透镜的方法。数控机床加工技术是一种成熟的机械加工技术，广泛地用于各种机械加工。但到目前为止，还没有文献和专利报道将其应用于POF微透镜的加工制作。

发明内容

一种塑料光纤微透镜的制作方法，所述塑料光纤微透镜使用数控机床精车、超精研抛及手动二次抛光制作而成。用夹具将塑料光纤装夹在数控机床的加工台上；根据所要加工的塑料光纤微透镜的形状和尺寸参数，确定刀具的加工路线，即刀具相对零件塑料光纤的运动轨迹和方向；用1级精加工用刀具对塑料光纤的端面进行精车，形成塑料光纤微透镜，精车过程保证换刀和刀具移位时的重复定位精度和刀尖位置精度（即刀尖的X、Y、Z坐标精度），使精车后，塑料光纤微透镜的表面粗糙度≤Ra0.01；在精密研抛机上用超精研抛法抛光塑料光纤微透镜，使其表面接近镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.008；抛光过程采用的研磨液用直径为5nm-30nm的SiO₂微粉末与纯净水的混合液，浓度为5%-30%；研磨盘材料采用软质金属，如铅、锡等，转速为15rpm-150rpm；用牙膏做为研磨剂，眼镜布等细布作为磨具对塑料光纤微透镜进行手动二次抛光，使其表面透明，完全达到镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.005。

本发明的技术方案是：

一种塑料光纤微透镜的制作方法，其特征在于：所述塑料光纤微透镜使用数控机床精车、超精研抛及手动二次抛光制作而成，具体过程如下：

1）用夹具将塑料光纤装夹在数控机床的加工台上；

2）根据所要加工的塑料光纤微透镜的形状和尺寸参数，确定刀具的加工路线，即刀具相对零件塑料光纤的运动轨迹和方向；

3）用1级精加工用刀具对塑料光纤的端面进行精车，形成塑料光纤微透镜，精车过程保证换刀和刀具移位时的重复定位精度和刀尖位置精度（即刀尖的X、Y、Z坐标精度），使精车后，塑料光纤微透镜的表面粗糙度≤Ra0.01；

4）在精密研抛机上用超精研抛法抛光塑料光纤微透镜，使其表面接近镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.008；抛光过程采用的研磨液用直径为5nm-30nm的SiO₂微粉末与纯净水的混合液，浓度为5%-30%；研磨盘材料采用软质金属，如铅、锡等，转速为15rpm-150rpm；

5）用牙膏做为研磨剂，眼镜布等细布作为磨具对塑料光纤微透镜进行手动二次抛光，使其表面透明，完全达到镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.005。

所述塑料光纤的纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）或聚碳酸酯（PC）等高透明聚合物材料。

所述塑料光纤的芯径d一般为0.25mm至5mm。

所述塑料光纤微透镜的形状为柱面、球面、锥面或双曲面等中的一种或二种以上的组合。

所述塑料光纤微透镜的形状对应的尺寸参数为：柱和球的直径为d-0.1+2.5×d²，d为塑料光纤的芯径；锥角为10°-170°等。

所述数控机床为有车削功能的程序控制系统的自动化机床，包括普通数控机床、加工中心等。

本发明专利具有如下优点：

1．数控机床加工方法可以通过计算机编程来精确优化和加工塑料光纤微透镜的参数，要改变参数只需修改程序即可，有利于具体实施例中塑料光纤微透镜参数的优化。

2．数控机床的加工精度为微米级，一般塑料光纤的直径为毫米级，数控机床加工制作塑料光纤微透镜能够得到较好的加工精度和重现性。

附图说明

图1为球（锥）面塑料光纤微透镜的示意图。图中：101为塑料光纤，102为塑料光纤微透镜。

图2为实施例加工制作的锥球面塑料光纤微透镜的实物图。图中：锥球面微透镜的锥角=140°，小球半径=0.15mm。

具体实施方式

如图1所示，一种塑料光纤微透镜的制作方法，所述塑料光纤微透镜102使用数控机床精车、超精研抛及手动二次抛光制作而成。

具体实施步骤：

1）用夹具将塑料光纤101装夹在数控机床的加工台上；

2）根据所要加工的塑料光纤微透镜102的形状和尺寸参数，确定刀具的加工路线，即刀具相对零件塑料光纤的运动轨迹和方向；

3）用1级精加工用刀具对塑料光纤101的端面进行精车，形成塑料光纤微透镜，精车过程保证换刀和刀具移位时的重复定位精度和刀尖位置精度（即刀尖的X、Y、Z坐标精度），使精车后，塑料光纤微透镜102的表面粗糙度≤Ra0.01；

4）在精密研抛机上用超精研抛法抛光塑料光纤微透镜102，使其表面接近镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.008；抛光过程采用的研磨液用直径为5nm-30nm的SiO₂微粉末与纯净水的混合液，浓度为5%-30%；研磨盘材料采用软质金属，如铅、锡等，转速为15rpm-150rpm；

5）用牙膏做为研磨剂，眼镜布等细布作为磨具对塑料光纤微透镜102进行手动二次抛光，使其表面透明，完全达到镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.005。

实施例

使用数控机床加工制作了锥球面塑料光纤（POF）微透镜用来提高塑料光纤与平头发光二极管（LED）的耦合效率。塑料光纤的具体参数如下：有机玻璃（PMMA）芯径，3mm；长度，30mm；数值孔径（NA）=0.5；南京春辉科技有限公司。通过三步加工制作了锥球面塑料光纤微透镜。首先，用立式加工中心（日本MAZAK，小巨人机床有限公司，VCS430A）和1级硬质合金车刀（山高刀具上海有限公司，Minishaft小径槽刀）将塑料光纤的端面（单端或双端）精车出所需参数的锥球面（锥球面是指侧面为锥面，锥的尖端为球面，锥面与球面圆滑过渡、且同轴）；精车后，锥球面微透镜的表面粗糙度为Ra0.01；其次，在精密研抛机（沈阳科晶自动化设备有限公司，UNIPOL-810）上用超精研抛法抛光锥球面微透镜，使其表面粗糙度为Ra0.008；研磨液用直径为8nm的SiO₂微粉末与纯净水的混合液，浓度15%；研磨盘材料为纯锡，转速为60rpm；最后，用黑人牙膏做为研磨剂，眼镜布作为磨具，在实验桌上对锥球面微透镜进行手动二次抛光，使其表面完全达到镜面效果，表面粗糙度为Ra0.005。为了得到最高耦合效率，分别优化了锥角和小球半径。加工了七个相同小球半径=0.1mm的锥球面微透镜，锥角从120°变化到170°，分别为120°、130°、140°、150°、160°和170°，最高耦合效率对应最佳锥角=140°。加工了八个相同锥角=140°的微透镜，小球半径从0.1mm变化到0.5mm，分别为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm和0.5mm，最高耦合效率对应最佳小球半径=0.15mm。使用硅光电池（_s _max850nm，半发散角60°，光敏面积2.65mm×2.65mm，BPW34S，欧司朗科技，德国）和万用表测定由塑料光纤的另一端输出的光电流来考察耦合效率。与平面光纤耦合相比，双端加工的锥球面微透镜锥角=140°，小球半径=0.15mm带来20.4%（65.2%-44.8%）的耦合效率增益。为评价本塑料光纤微透镜制作方法的加工精度和重现性，加工了三个锥球面微透镜锥角=140°，小球半径=0.15mm，实物图如图2所示。它们与平头LED的耦合效率的相对标准偏差（R.S.D.）小于0.3%。这说明，本制作方法能够得到较好的加工精度和重现性。

Claims

1.一种塑料光纤微透镜的制作方法，其特征在于：所述塑料光纤微透镜（102）使用数控机床精车、超精研抛及手动二次抛光制作而成，具体过程如下：

1）用夹具将塑料光纤（101）装夹在数控机床的加工台上；

2）根据所要加工的塑料光纤微透镜（102）的形状和尺寸参数，确定刀具的加工路线，即刀具相对零件塑料光纤的运动轨迹和方向；

3）用1级精加工用刀具对塑料光纤（101）的端面进行精车，形成塑料光纤微透镜，精车过程保证换刀和刀具移位时的重复定位精度和刀尖位置精度（即刀尖的X、Y、Z坐标精度），使精车后，塑料光纤微透镜（102）的表面粗糙度≤Ra0.01；

4）在精密研抛机上用超精研抛法抛光塑料光纤微透镜（102），使其表面接近镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.008；抛光过程采用的研磨液用直径为5nm-30nm的SiO₂微粉末与纯净水的混合液，浓度为5%-30%；研磨盘材料采用软质金属，如铅或锡等，转速为15rpm-150rpm；

5）用牙膏做为研磨剂，眼镜布等细布作为磨具对塑料光纤微透镜（102）进行手动二次抛光，使其表面透明，完全达到镜面效果，表面粗糙度≤Ra0.005。

2.按照权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述塑料光纤（101）的纤芯材料为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）或聚碳酸酯（PC）等高透明聚合物材料。

3.按照权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述塑料光纤（101）的芯径d一般为0.25mm至5mm。

4.按照权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述塑料光纤微透镜（102）的形状为柱面、球面、锥面或双曲面等中的一种或二种以上的组合。

5.按照权利要求1或4所述的制作方法，其特征在于：所述塑料光纤微透镜（102）的形状对应的尺寸参数为：柱和球的直径为d-0.1+2.5×d²，d为塑料光纤（101）的芯径；锥角为10°-170°等。

6.按照权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述数控机床为有车削功能的程序控制系统的自动化机床，包括普通数控机床和/或加工中心等。