CN107015299A - 一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，涉及菲涅尔透镜制作加工领域。具体包括如下步骤：确定超大口径菲涅尔透镜的口径；将待制作的超大口径的菲涅尔透镜分为若干个环带；确定每一环带上拼接体的数量；根据最大能够加工的锥辊大端尺寸和环带位置；确定锥辊的锥度和尺寸；用锥辊制造局部菲镜即各个拼接体；将局部菲涅尔透镜即拼接体；拼接成完整的菲涅尔透镜。本发明能够制造大尺寸及制造超大尺寸的菲涅尔透镜，并且保证了微细结构成型的精度。
Description
技术领域
本发明涉及菲涅尔透镜制作加工领域，尤其是一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法。
背景技术
菲涅尔透镜是法国物理学家发明的环带式的光学透镜，随着技术的进步，产品尺寸需求越来越大，应用领域越来越广泛。特别在激光电视屏幕，太阳能光伏光热应用，激光工程应用等大方面。透镜制造的越来越大。而大口径的透镜制造一直是世界性的难题。本专利就是在自主专利ZL201410170440.1《用于制作菲涅尔透镜的锥形辊筒》发明专利基础上的技术创新扩展，可以制造更大尺寸的菲涅尔透镜。
中国制造的天眼直径达到500米射电望远镜无疑标志着我国在大型望远镜的制造技术上已经处于世界前例，然而其采用的多块棱镜拼接技术，对每单个棱镜的制造和多个棱镜的拼接都是世界性的难题。制造过程中对棱镜制造精度和拼接精度要求都非常高，相对于制造成本也巨大，制约了应用领域的发展。本专利提出一种基于锥形辊筒分段制作菲涅尔透镜的制作方法，一方面可以替代超大望远镜中的棱镜也可以用于激光电视屏幕制造——泵浦激光太阳能光伏光热等领域的应用，同时打破了传统的菲涅尔透镜采用圆盘模具热压成型的工艺方法，该方法制造的菲涅尔透镜尺寸非常有限，极大的限制了菲涅尔光学透镜的应用。传统圆盘式透镜模具首先是无法制造大尺寸、更无法制造超大尺寸。另一个难题是没有大型或超大型的成型设备。而尺寸越大，微细结构成型的精度更难保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，实现了对超大口径的菲涅尔透镜的制造，克服了传统的菲涅尔透镜采用圆盘模具热压成型的工艺方法制造的菲涅尔透镜尺寸有限的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，具体分为如下步骤：
S001确定超大口径菲涅尔透镜的口径r，透镜口径r是根据菲涅尔光学透镜所要求的光学设计来确定的；
S002将待制作的超大口径的菲涅尔透镜分为n个环带，其环带宽度为w，且各环带宽度为相同的或者不同的；
S003根据最大能够加工的锥辊大端尺寸和环带位置，确定锥辊的锥度和尺寸，其中第n环带菲镜制造用锥辊的锥度Cn、第n环带菲镜外径即n+1环带菲镜内径Rn和锥辊大端直径表示为R锥大；
S004根据原材料最大幅宽，确定每一环带上拼接体的数量，超大口径菲涅尔透镜中心是一个完整的圆形菲涅尔透镜或者多块拼接体，每一个环带又由多个拼接体组成，每一个拼接体具有相同的光学参数或不同的光学参数，相同的尺寸或不同的尺寸；
S005用锥辊制造局部菲镜即各个拼接体。
S006将局部菲涅尔透镜即拼接体，拼接成完整的菲涅尔透镜。
进一步限定，在环带宽度相等时，超大口径菲涅尔透镜的口径r、第一环带菲镜内环半径R、环带数n和带宽度w须满足：n:w＝(r-R)/n。
进一步限定，所述的环带都是该环带微结构的扇形透镜的拼接体所拼接。
进一步限定，所述的环带的尺寸分别为：中心圆盘直径是为1000mm，第一环带的尺寸W1＝1000mm～5000mm；第二环带的尺寸W2＝5000mm～9000mm；第三环带尺寸W3＝9000mm～13000mm第四个环带尺寸W4＝13000mm～17000mm；第五个环带尺寸W5＝17000mm～21000mm更多环带尺寸以此类推。
进一步限定，其特征在于：所述的拼接体的数量是根据原材料的幅宽确定；
优选的，所述的拼接体的最佳选取的数量是第一环带是6个，第二环带是12个，第三环带是16个，第四环带是20个，第五环带是24个更多环带的拼接体数量依次类推。
进一步限定，所述的确定锥辊的锥度和尺寸，第n环带菲镜制造用锥辊的锥度Cn、第n环带菲镜外径即n+1环带菲镜内径Rn、锥辊大端直径R锥大和R锥小表示锥辊小端直径，它们之间的关系须满足：Cn＝2*atan(R锥大/Rn)。
进一步限定，所述的锥辊是带有环带的微结构的锥辊，其微结构包括节距、角度和齿槽深度。
进一步限定，所述的锥辊将局各个拼接体压印成型，具体以锥形辊筒小端为圆心，锥形辊筒的长度为半径，在涂布有光学树脂的介质基材上滚压以制备局部菲涅尔透镜的拼接体。
本发明的有益效果是：本专利提出一种基于锥形辊筒分段制作菲涅尔透镜的制作方法，一方面可以替代超大望远镜中的棱镜也可以用于激光电视屏幕制造及泵浦激光太阳能光伏光热等领域的应用，克服了传统的菲涅尔透镜采用圆盘模具热压成型的工艺方法制造的菲涅尔透镜尺寸有限的缺点，本发明能够制造大尺寸及制造超大尺寸的菲涅尔透镜，并且保证了微细结构成型的精度，使菲涅尔光学透镜的应用更加多元化。
附图说明
图1为分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法流程图；
图2为环带扇形拼接体分布图。
图3为制作超大口径菲涅尔透镜的锥辊示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，具体分为如下步骤：
S001确定超大口径菲涅尔透镜的口径r，透镜口径r是根据菲涅尔光学透镜所要求的光学设计来确定的；
S002将待制作的超大口径的菲涅尔透镜分为n个环带，其环带宽度为w，且各环带宽度为相同的或者不同的；
在环带宽度相等时，超大口径菲涅尔透镜的口径r、第一环带菲镜内环半径R、环带数n和带宽度w须满足：n:w＝(r-R)/n。
S003根据最大能够加工的锥辊大端尺寸和环带位置，确定锥辊的锥度和尺寸，其中第n环带菲镜制造用锥辊的锥度Cn、第n环带菲镜外径即n+1环带菲镜内径Rn和锥辊大端直径表示为R锥大，R锥小表示锥辊小端直径，须满足：Cn＝2*atan(R锥大/Rn)；
而锥辊的制造是根据菲涅尔透镜模具机床能加工的最大尺寸为锥辊大端的尺寸；
锥辊的锥度是根据环带在整个菲涅尔透镜中的位置确定的；
所述的锥辊是带有环带的微结构的锥辊，其微结构包括节距、角度和齿槽深度，菲涅尔透镜的微光学结构的制造精度应达到透镜制造的表面粗糙度要求。
S004根据原材料最大幅宽，确定每一环带上拼接体的数量，如图2所示，超大口径菲涅尔透镜中心是一个完整的圆形菲涅尔透镜或者多块拼接体，每一个环带又由多个拼接体组成；
每一个拼接体具有相同的光学参数或不同的光学参数，相同的尺寸或不同的尺寸；
所述的环带的尺寸分别为：中心圆盘直径是为1000mm，第一环带的尺寸W1＝1000mm～5000mm；第二环带的尺寸W2＝5000mm～9000mm；第三环带尺寸W3＝9000mm～13000mm第四个环带尺寸W4＝13000mm～17000mm；第五个环带尺寸W5＝17000mm～21000mm更多环带尺寸以此类推；
所述的拼接体的最佳选取的数量是第一环带是6个，第二环带是12个，第三环带是16个，第四环带是20个，第五环带是24个更多环带的拼接体数量依次类推；
扇形体按设计尺寸裁切，包装每个扇形体的尺寸精确一致。
S005用锥辊制造局部菲镜即各个拼接体，所述的锥辊将局各个拼接体压印成型；
如图3所示，以锥形辊筒小端为圆心，锥形辊筒的长度为半径，在涂布有光学树脂的介质基材上滚压以制备局部菲涅尔透镜的拼接体。
S006将局部菲涅尔透镜即拼接体，拼接成完整的菲涅尔透镜。
实施例1直径20米拼接菲镜设计制造：
菲镜的中心是一个完整的圆形菲镜，该设计中选半径500毫米，即直径1米；也可以:拼接的方式制造。菲镜的其他部分由多块进行拼接，拼接菲镜由多个环带及环带内多个拼接体组成。每一个拼接体具有相同的光学参数或不同的光学参数，相同的尺寸或不同的尺寸。
每一个环带的宽度和环带内拼接体的数量和尺寸，按有利于制造的原则设计。本例中采用等宽环带，按可以加工锥形菲涅尔透镜的装备开口，环带宽度1900mm；也可以采用不等宽环带。
每一个环带内的拼接体数量分别是第一环带：6个；第二环带：12个；第三环带：16个；第四环带：20个；第五环带：24个。
表1：环带的规格尺寸以及锥辊的幅宽
表2：直径20米菲镜-分段及计算
按照表2所示的数据确定锥辊的参数。并利用该锥辊制造局部菲镜即各个拼接体，这是需要很多只锥辊才能完成的，分段制作方法中的每一段即对应一只锥辊，所述的锥辊将局各个拼接体压印成型，将局部菲涅尔透镜即拼接体，拼接成完整的菲涅尔透镜。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于，具体分为如下步骤：
确定每一环带上拼接体的数量，超大口径菲涅尔透镜中心是一个完整的圆形菲涅尔透镜或者多块拼接体，每一个环带又由多个拼接体组成；
加工制造带菲涅尔透镜参数的锥辊，根据锥辊大端尺寸和环带位置，确定锥辊的锥度和尺寸，其中第n环带菲镜制造用锥辊的锥度Cn、第n环带菲镜外径即n+1环带菲镜内径Rn、锥辊大端直径表示为R锥大和R锥小表示锥辊小端；
用锥辊制造局部菲镜即各个拼接体。
2.根据权利要求1所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于，还包括：
确定超大口径菲涅尔透镜的口径r，透镜口径r是根据菲涅尔光学透镜所要求的光学设计来确定；
将超大口径的菲涅尔透镜分为n个环带，其环带宽度为w，且各环带宽度为相同的或者不同；
将局部菲涅尔透镜即拼接体，拼接成完整的菲涅尔透镜。
3.根据权利要求1所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于：在环带宽度相等时，超大口径菲涅尔透镜的口径r、第一环带菲镜内环半径R、环带数n和带宽度w须满足：n:w=(r-R)/n。
4.根据权利要求1所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于：所述的环带都是该环带微结构的扇形透镜的拼接体所拼接而成。
5.根据权利要求4所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于，所述的环带的尺寸分别为：中心圆盘直径是φ为1000mm，第一环带的尺寸W1=1000mm~5000mm；第二环带的尺寸W2=5000mm~9000mm；第三环带尺寸W3=9000mm~13000mm第四个环带尺寸W4=13000mm~17000mm；第五个环带尺寸W5=17000mm~21000mm更多环带尺寸以此类推。
6.根据权利要求1-2任意一项所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于：所述的拼接体的数量是根据原材料的幅宽确定。
7.根据权利要求6所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于：所述的拼接体的最佳选取的数量是第一环带是6个，第二环带是12个，第三环带是16个，第四环带是20个，第五环带是24个更多环带的拼接体的数量以此类推。
8.根据权利要求1所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于：所述的确定锥辊的锥度和尺寸，第n环带菲镜制造用锥辊的锥度Cn、第n环带菲镜外径即n+1环带菲镜内径Rn和锥辊大端直径R锥大，它们之间的关系须满足：Cn=2*atan(R锥大/Rn)。
9.根据权利要求8所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于：所述的锥辊是带有环带的微结构的锥辊，其微结构包括节距、角度和齿槽深度。
10.根据权利要求1所述的一种分段制作超大口径菲涅尔透镜的方法，其特征在于：所述的锥辊将局各个拼接体压印成型，具体是以锥形辊筒小端为圆心，锥形辊筒的长度为半径，在涂布有光学树脂的介质基材上滚压以制备局部菲涅尔透镜的拼接体。
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