CN104297822A - 一种楔形透镜组件及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种楔形透镜组件及其加工方法，该楔形透镜组件包括平凹透镜、楔形镜和平凸透镜，所述平凹透镜和楔形镜同光轴设置，所述楔形镜上与光轴垂直的垂直面与平凹透镜的平面紧密贴合；楔形镜上与垂直面相对的斜面与平凸透镜的平面紧密贴合；所述楔形透镜组件左右对称，左右两端面平齐，形成与对称面平行的第一面和第二面；平凹透镜、楔形镜和平凸透镜的下端面平齐且形成逐渐远离光轴的斜面。本发明的楔形透镜组件，实现了对光学系统较大像差的校正，保证光学系统较高的成像质量；依照光线轨迹对楔形透镜组件外形进行切割成型，解决了圆形楔形透镜组件不切割时造成的光学系统重量太大的问题，充分满足光学系统对重量的要求。

Description

一种楔形透镜组件及其加工方法

技术领域

本发明属于光学制造技术领域，具体涉及一种楔形透镜组件，同时还涉及一种楔形透镜组件的加工方法。

背景技术

像差是指光学中，实际像与根据单透镜理论确定的理想像的偏差，这些偏差是折射作用造成的。像差是由透镜对色光的不同弯曲能力所致，并造成带有色晕的像。与色无关的像差（单色像差）包括使像变形的像差（畸变、像场弯曲）和使像模糊的像差（面像、形像、散光）。像差在光学系统中可以通过透镜的组合减小到最低限度。但是，透镜组合往往会增大光学系统的重量；减少透镜组合的透镜数量，又影响光学系统的成像质量，因此，现有技术中的透镜组合还不能满足光学系统对于重量和成像质量的双重要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种楔形透镜组件，用于校正光学系统的像差，解决现有的透镜组合不能满足光学系统对于重量和成像质量的双重要求的问题。

本发明的第二个目的是提供一种楔形透镜组件的加工方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种楔形透镜组件，包括平凹透镜、楔形镜和平凸透镜，所述平凹透镜和楔形镜同光轴设置，所述楔形镜的一面与光轴垂直，为垂直面，该垂直面与平凹透镜的平面紧密贴合；所述楔形镜上与垂直面相对的斜面与平凸透镜的平面紧密贴合；所述楔形透镜组件左右对称，平凹透镜、楔形镜和平凸透镜的左右两端面平齐，形成与对称面平行的第一面和第二面；平凹透镜、楔形镜和平凸透镜的下端面平齐且形成逐渐远离光轴的斜面。

一种上述的楔形透镜组件的加工方法，包括下列步骤：

1）取待加工组件，设计与对称面平行的虚拟面为设计基准面；

2）将待加工组件粘接在玻璃块的上端面上，使平凹透镜的凹面平台与玻璃块的上端面紧密贴合，待加工组件的外圆边缘与玻璃块的前端面对齐，设计基准面与玻璃块的前端面平行；

3）装夹，编制第一面加工程序，加工第一面；

4）测量第一面距设计基准面的实际距离d1’，将d1’与设计要求d’进行比较，如符合要求，进入步骤5）；

如不符合要求，根据d1’与d’的差值修正第一面加工程序，修正加工第一面至符合要求；

5）将加工组件从玻璃块上拆下后重新粘接在玻璃块的上端面上，使平凹透镜的凹面平台与玻璃块的上端面紧密贴合，加工组件的外圆边缘与玻璃块的前端面对齐，设计基准面及第一面与玻璃块的前端面平行；

6）装夹，编制第二面加工程序，加工第二面；

7）测量第二面距第一面的实际距离d2’，将d2’与设计要求d”进行比较，如符合要求，进入步骤8）；

如不符合要求，根据d2’与d”的差值修正第二面加工程序，修正加工第二面至符合要求；

8）将加工组件从玻璃块上拆下后重新粘接在玻璃块的上端面上，使加工组件的第一面与玻璃块的上端面紧密贴合，平凹透镜的凹面平台与玻璃块的左侧面对齐，外圆与玻璃块的后端面对齐；

9）装夹，编制斜面加工程序，加工斜面；

10）测量斜面与光轴的夹角α，如α符合要求，进入步骤11）；

如α不符合要求，根据实际值与设计要求的差值修正斜面加工程序，修正加工斜面至符合要求；

11）测量平凹透镜与楔形镜的贴合面与斜面的交线距外圆的距离L’，根据L’与设计值L的差值，修改斜面加工程序中的E值，修正加工斜面至L’符合要求；

所述E值为加工程序中机床回转中心至待加工面的距离。

12）将加工组件从玻璃块上拆下，清洗，即得。

所述待加工组件为平凹透镜、楔形镜和平凸透镜粘合而成的透镜组件。所述平凹透镜、平凸透镜为圆形；楔形镜为大半个圆形且存在一个与对称轴平行的基准面。平凹透镜与楔形镜的外圆尺寸相同，平凸透镜的外圆尺寸比平凹透镜的外圆尺寸小2mm。

将待加工组件或加工组件粘接在玻璃块的上端面的方法是：将待加工组件或加工组件、玻璃块加热至70～80℃，在平凹透镜的凹面平台或加工组件的第一面、玻璃块的上端面上涂覆一层蜂蜡，将涂覆蜂蜡的两面紧密贴合，自然冷却至室温，即得。

所述设计要求d’的计算方法为：精确测量待加工组件的外圆尺寸外圆距设计基准面的尺寸dj，计算得设计基准面距对称面的距离设计要求第一面距对称面的距离为d1，则第一面距设计基准面的设计要求

步骤3）和步骤6）中，所述装夹为将玻璃块的前端面与夹具的定位面靠紧，压杆压在玻璃块上。

步骤9）中所述装夹是在玻璃块的底面及夹具上表面涂覆蜂蜡，将玻璃块的底面与夹具的上表面对齐粘接。

所述夹具包括圆柱形的底座，所述底座上端面设有支撑件，支撑件的上端面用于与玻璃块的底面紧密配合；所述底座上端面上环设有两个以上安装孔，底座下端面中心设有凹槽；所述底座侧面上设有用于与加工设备定位件紧密配合的通槽。

步骤11）中所述修改斜面加工程序中的E值，ΔE=（L’-L）·cosα。

所述ΔE为E值的修正量。

步骤12）中将加工组件从玻璃块上拆下后，对加工组件的锐角进行保护性倒角0.3mm×45°。

步骤12）中所述清洗是依次采用汽油、乙醇进行清洗。

本发明的楔形透镜组件，由平凹透镜、楔透镜和平凸透镜胶合而成，实现了对光学系统较大像差的校正；外形设计合理，依靠其精密的外形进行定位，保证光学系统较高的成像质量；依照光线轨迹对楔形透镜组件外形进行切割成型，下端面为斜面，解决了圆形楔形透镜组件不切割时造成的光学系统重量太大的问题，在保证成像质量的同时，充分满足光学系统对重量的要求。

本发明的楔形透镜组件的加工方法，在待加工组件上建立不影响组件最终成型的设计基准面，将设计基准面作为第一面的工艺基准，通过精确控制第一面距设计基准面的距离来控制第一面距对称面的距离，实现第一面与对称面的距离尺寸控制；第一面加工完成后，将加工号的第一面合理传递为第二面加工的工艺基准，控制第二面距对称面的距离，实现第二面的精确加工；斜面的加工是将玻璃块与加工组件看作加工六面体的一个面，加工出一个初始面，测量出平凹透镜的凹面平台与斜面的角度，间接得出斜面与光轴的夹角，修正程序，补偿角度值，首先保证角度的准确，然后测量楔形镜与平凹透镜的贴合面与斜面的交线距外圆的距离，再编制程序，修正几何尺寸误差；实现了楔形透镜组件的精密成型，工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1为实施例1的楔形透镜组件的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为实施例1的加工方法加工第一面时的胶合件A的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为实施例1的加工方法加工第二面时的胶合件B的结构示意图；

图6为实施例1的加工方法加工斜面时的胶合件C的结构示意图；

图7为实施例1所用夹具的结构示意图；

图8为图7的俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的楔形透镜组件，如图1、2所示，包括平凹透镜1、楔形镜2和平凸透镜3，所述平凹透镜1和楔形镜2同光轴设置，所述楔形镜2的一面与光轴垂直，为垂直面，该垂直面与平凹透镜1的平面紧密贴合；所述楔形镜2上与垂直面相对的斜面与平凸透镜3的平面紧密贴合；所述楔形透镜组件左右对称，平凹透镜1、楔形镜2和平凸透镜3的左右两端面平齐，形成与对称面平行的第一面5和第二面6；平凹透镜1、楔形镜2和平凸透镜3的下端面平齐且形成逐渐远离光轴的斜面4。

本实施例所要加工的楔形透镜组件的设计要求如下：

第一面距对称面的距离d1=9.4±0.02；

第二面距对称面的距离d2=9.4±0.02；

斜面与光轴的夹角α=22°49′±1′；

楔形镜与平凹透镜贴合面与斜面的交线距外圆的距离L=22.19±0.05。

本实施例的楔形透镜组件的加工方法，包括下列步骤：

1）取待加工组件及工装夹具并清洗，设计与对称面平行的虚拟面为设计基准面；

所述待加工组件为平凹透镜、楔形镜和平凸透镜粘合而成的透镜组件；所述平凹透镜、平凸透镜为圆形；楔形镜为大半个圆形且存在一个与对称轴平行的基准面；平凹透镜与楔形镜的外圆尺寸相同，平凸透镜的外圆尺寸比平凹透镜的外圆尺寸小2mm；

2）精确测量待加工组件的外圆尺寸

3）精确测量待加工组件的外圆距设计基准面的距离dj=27.5；

4）计算出设计基准面距对称面的距离

5）将玻璃块及待加工组件放在电热板上，缓慢加热至蜂蜡刚能熔化的温度70～80℃，在玻璃块的上端面、待加工组件的平凹透镜的凹面平台上各涂覆一层薄而均匀的蜂蜡，将平凹透镜的凹面平台与玻璃块的上端面紧密贴合，如图3、4所示，待加工组件12的外圆边缘与玻璃块7的前端面8对齐，设计基准面10与玻璃块7的前端面8平行；

6）自然冷却至室温，待加工组件粘接在玻璃块的上端面上，得胶合件A；

7）装夹，将胶合件A粘接在夹具上端面，玻璃块的前端面与夹具的前端面平齐，压杆压在玻璃块上；

8）编制第一面加工程序，加工第一面；

9）测量第一面距设计基准面的实际距离d1’=21.7；

10）设计要求中第一面距对称面的距离为d1=9.4，则第一面距设计基准面的距离应为计算实际距离与设计要求的差值Δ1=d1’-d’=21.7-21.41=0.29，根据差值修正第一面加工程序；

11）修正加工第一面，第一面距设计基准面的距离为21.4，即第一面距对称面的距离为21.4-12.01=9.39，符合设计要求；

12）拆胶，将玻璃块及加工组件的胶合件放在电热板上，缓慢加热至蜂蜡刚能熔化的温度，将加工组件慢慢从玻璃块上拆下；

13）自然冷却至室温；

14）将玻璃块及加工好第一面的加工组件放在电热板上，缓慢加热至蜂蜡刚能融化的温度70℃～80℃，在玻璃块的上端面、加工组件的平凹透镜的凹面平台上各涂覆一层薄而均匀的蜂蜡，使平凹透镜的凹面平台与玻璃块的上端面紧密贴合，如图5所示，加工组件14的外圆边缘与玻璃块7的前端面8对齐，设计基准面10及第一面13与玻璃块的前端面8平行；

15）自然冷却至室温，加工组件粘接在玻璃块的上端面上，得胶合件B；

16）装夹，将胶合件B粘接在夹具的上端面上，玻璃块的前端面与夹具的前端面平齐，压杆压在玻璃块上；编制第二面加工程序，加工第二面；

17）测量第二面距第一面的实际距离d2’=19；

18）设计要求第二面距对称面的距离为d2=9.4，第二面距第一面的距离为d″=d1+d2=9.4+9.4=18.8，实际距离与设计要求的差值Δ2=d2′-d″=19-18.8=0.2，根据d2’与d”的差值修正第二面加工程序；

19）修正加工第二面，第一面距第二面的距离为18.8，即第二面距光轴的距离为18.8-9.39=9.41，符合设计要求；

20）将加工组件从玻璃块上拆下后，将夹具、玻璃块及加工好两个面的加工组件放在电热板上，缓慢加热至蜂蜡刚能融化的温度70℃～80℃，在玻璃块的上端面、加工组件加工好的第一面上涂覆一层薄而均匀的蜂蜡，使加工组件的第一面与玻璃块的上端面紧密贴合，如图6所示，平凹透镜的凹面平台15与玻璃块7的左侧面11对齐，外圆与玻璃块7的后端面9对齐，加工组件14粘接在玻璃块7上，得胶合件C；再在玻璃块的底面及夹具上端面涂覆一层薄而均匀的蜂蜡，将玻璃块与夹具的上表面对齐粘接；

21）编制斜面加工程序，加工出与光轴成一定角度α的斜面；

22）测量平凹透镜的凹面平台与斜面的角度β=112°27′52″，则斜面与光轴的实际夹角α_实=β-90°=22°27′52″；

23）计算实际夹角与设计要求的差值Δα=α_实-α=22°27′52″-22°49′=-21′8″=-0.352°；

24）修改斜面加工程序中的角度值，修正加工斜面，测量得出β=112°49′20″，α=β-90°=112°49′20″-90°=22°49′20″，符合设计要求；

25）测量加工组件中平凹透镜与楔形镜的贴合面与斜面的交线距外圆的实际距离L’=23.2；

26）设计要求平凹透镜与楔形镜的贴合面与斜面的交线距外圆的距离L=22.19，则实际距离与设计要求的差值Δ3=L’-L=23.2-22.19=1.01，修改斜面加工程序中的E值，且ΔE=（L′-L）·cosα=1.01cos22°49′20″=1.01cos22.82°=0.931；

27）再次修正加工斜面，测量加工组件中平凹透镜与楔形镜的贴合面与斜面的交线距外圆的实际距离L’=22.23，符合设计要求；

28）拆胶：将加工组件从玻璃块上拆下；

29）将加工组件的锐角进行保护性倒角0.3mm×45°；

30）将加工组件先用汽油，再用乙醇清洗干净，即得。

本实施例所用夹具，如图7、8所示，包括圆柱形的底座16，所述底座16上端面设有支撑件17，支撑件17的上端面21用于与玻璃块的底面紧密配合；所述底座16上端面上环设有三个安装通孔18，底座17下端面中心设有凹槽20；所述底座16侧面上设有用于与加工设备定位件紧密配合的通槽19。所述支撑件的上端面的长宽尺寸与玻璃块的底面长宽尺寸一致，便于将玻璃块的底面与支撑件的上端面粘接。所述支撑件的上端面的高度低于加工设备上磨轮（砂轮）的最低点，保证不与磨轮（砂轮）接触。所述支撑件的上端面与安装底面平行，保证基准面与磨轮端面的平行。所述安装通孔为上大下小的台阶孔。所述底座侧面上的通槽与加工设备定位件紧密配合，保证离线测量后重新安装的定位精度。

Claims (10)

1.一种楔形透镜组件，其特征在于：包括平凹透镜、楔形镜和平凸透镜，所述平凹透镜和楔形镜同光轴设置，所述楔形镜的一面与光轴垂直，为垂直面，该垂直面与平凹透镜的平面紧密贴合；所述楔形镜上与垂直面相对的斜面与平凸透镜的平面紧密贴合；所述楔形透镜组件左右对称，平凹透镜、楔形镜和平凸透镜的左右两端面平齐，形成与对称面平行的第一面和第二面；平凹透镜、楔形镜和平凸透镜的下端面平齐且形成逐渐远离光轴的斜面。

2.一种如权利要求1所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：包括下列步骤：

1）取待加工组件，设计与对称面平行的虚拟面为设计基准面；

2）将待加工组件粘接在玻璃块的上端面上，使平凹透镜的凹面平台与玻璃块的上端面紧密贴合，待加工组件的外圆边缘与玻璃块的前端面对齐，设计基准面与玻璃块的前端面平行；

3）装夹，编制第一面加工程序，加工第一面；

4）测量第一面距设计基准面的实际距离d1’，将d1’与设计要求d’进行比较，如符合要求，进入步骤5）；

如不符合要求，根据d1’与d’的差值修正第一面加工程序，修正加工第一面至符合要求；

5）将加工组件从玻璃块上拆下后重新粘接在玻璃块的上端面上，使平凹透镜的凹面平台与玻璃块的上端面紧密贴合，加工组件的外圆边缘与玻璃块的前端面对齐，设计基准面及第一面与玻璃块的前端面平行；

6）装夹，编制第二面加工程序，加工第二面；

7）测量第二面距第一面的实际距离d2’，将d2’与设计要求d”进行比较，如符合要求，进入步骤8）；

如不符合要求，根据d2’与d”的差值修正第二面加工程序，修正加工第二面至符合要求；

8）将加工组件从玻璃块上拆下后重新粘接在玻璃块的上端面上，使加工组件的第一面与玻璃块的上端面紧密贴合，平凹透镜的凹面平台与玻璃块的左侧面对齐，外圆与玻璃块的后端面对齐；

9）装夹，编制斜面加工程序，加工斜面；

10）测量斜面与光轴的夹角α，如α符合要求，进入步骤11）；

如α不符合要求，根据实际值与设计要求的差值修正斜面加工程序，修正加工斜面至符合要求；

11）测量平凹透镜与楔形镜的贴合面与斜面的交线距外圆的距离L’，根据L’与设计值L的差值，修改斜面加工程序中的E值，修正加工斜面至L’符合要求；

12）将加工组件从玻璃块上拆下，清洗，即得。

3.根据权利要求2所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：将待加工组件或加工组件粘接在玻璃块的上端面的方法是：将待加工组件或加工组件、玻璃块加热至70～80℃，在平凹透镜的凹面平台或加工组件的第一面、玻璃块的上端面上涂覆一层蜂蜡，将涂覆蜂蜡的两面紧密贴合，自然冷却至室温，即得。

4.根据权利要求2所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：所述设计要求d’的计算方法为：精确测量待加工组件的外圆尺寸外圆距设计基准面的尺寸dj，计算得设计基准面距对称面的距离设计要求第一面距对称面的距离为d1，则第一面距设计基准面的设计要求

5.根据权利要求2所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：步骤3）和步骤6）中，所述装夹为将玻璃块的前端面与夹具的定位面靠紧，压杆压在玻璃块上。

6.根据权利要求2所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：步骤9）中所述装夹是在玻璃块的底面及夹具上表面涂覆蜂蜡，将玻璃块的底面与夹具的上表面对齐粘接。

7.根据权利要求5或6所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：所述夹具包括圆柱形的底座，所述底座上端面设有支撑件，支撑件的上端面用于与玻璃块的底面紧密配合；所述底座上端面上环设有两个以上安装孔，底座下端面中心设有凹槽；所述底座侧面上设有用于与加工设备定位件紧密配合的通槽。

8.根据权利要求2所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：步骤11）中所述修改斜面加工程序中的E值，ΔE=（L’-L）·cosα。

9.根据权利要求2所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：步骤12）中将加工组件从玻璃块上拆下后，对加工组件的锐角进行保护性倒角0.3mm×45°。

10.根据权利要求2或9所述的楔形透镜组件的加工方法，其特征在于：步骤12）中所述清洗是依次采用汽油、乙醇进行清洗。