CN107402185A - 一种自由曲面气体池及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自由曲面的气体池及其加工方法。属于气体池设计及超精密加工领域。一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特点是：针对多镜系统装配困难的公知问题，提出利用一面自由曲面镜代替多镜的解决方案，并形成一种包括两块面状抛物镜及一块由超精密车床整体加工的面状自由曲面镜的自由曲面气体池。本发明在保留初始结构有效光程大、结构紧凑等优点且不改变其工作效果的同时，削减了镜面数量，极大降低了光学装调难度与成本。

Description

一种自由曲面气体池及其加工方法

技术领域

本发明属于气体池设计及超精密加工领域，特别是涉及一种基于自由曲面的气体池及其加工方法。

背景技术

近年来，随着大家对身体健康关注度的提升，光谱学技术在空气质量的定性与定量分析以及通过呼出气体进行医疗诊断等方面的应用在近几十年已得到广泛应用。无论是其中的傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术，还是可调谐激光吸收光谱(TLAS)技术，气体池作为被测气体的容器与进行光谱吸收的场所是不可或缺的。要实现痕量气体ppm甚至ppb量级的检测，根据朗伯-比尔定律，需要有气体池能够提供足够长的光程。为了仪器的使用方便，希望气体池在能保证提供足够长的光程外，自身体积要尽量小，这样有利于测量系统的小型化与便携化。常见的气体池种类有White型、Herriott型和Chernin型(美国专利US4626078)。

White型气体池由三块反射镜组成，装配较易，且具有允许较大孔径角光源入射、光程可调的优点，然而其光线始终在一个平面上折返，未充分有效利用镜面，反射次数相对较少，造成结构不够紧凑。传统Herriott型气体池由两块反射镜组成，其不但同样具有光程可调的优点，而且其光线在腔镜内形成的光斑以椭圆的形式分布，镜面利用率相对于White型气体池有了明显提升，然而椭圆内部的镜面仍未被充分利用。许多学者对Herriott型气体池进行了改进，如：Herriott本人在原先的设计中加入一小块折返镜片来充分利用镜面，提升气体池光程，然而加入的折返镜片装配存在困难。为了解决Herriott型气体池装配过程中难以共轴的问题，郝绿原等人将传统Herriott型气体池中的一块凹面镜替换为一面平面镜，使装配过程中仅保证两反射镜相对平行即可，避免了调整两镜轴线的复杂过程。但是此种改善方式使气体池在同等条件下比传统的Herriott长程池的反射次数还少。夏滑等人则巧妙地将传统Herriott型气体池的入射凹面镜沿水平对称轴平均分成上下两块，通过水平旋转上凹面反射镜面可以改变光线分布，增加了光线的反射周期，从而大大增加了光线的反射次数。美中不足的是，光线分布不够均匀且入射光源的孔径角仍然不能很大。Chernin型气体池作为White型气体池的改进型，在保留了White型气体池允许较大孔径角光源入射且光程可调等优点的基础上，巧妙地将光线按照矩阵形式进行折叠，满足足够光程长度的同时，保证光线在气体池内分布均匀且系统结构紧凑。然而传统四物镜Chernin型气体池由4块分立的物镜与2块分立的场镜组成，此种多镜片的离轴反射结构装配难度与成本较高，因而长期以来应用不是很广泛。目前市场主流长光程气体池仍为White型与Herriott型。与White池和Herriott池相比，传统四物镜Chernin型气体池具有允许较大孔径角光源入射、镜面利用率高利于气体池结构紧凑、光线分布均匀利于保证检测精度、光程容易调节的优点，更利于实现大光程小体积的气体池。总之，现有的气体池类型中，结构简单易于装配的气体池可实现的有效光程小，或者体积大；有效光程大，结构紧凑的吸收池结构复杂，装配困难。

发明内容

本发明针对类似具有多个镜面的气体池结构存在装配困难的技术问题，提出利用一面自由曲面镜代替初始结构中多个镜面的自由曲面镜气体池，在保留初始结构有效光程大、结构紧凑等优点且不改变其工作效果的同时，削减镜面数量，以极大降低光学装调难度与成本。技术方案流程如下：

1.针对目标气体池，根据对气体池的光程长度范围、体积、入射激光孔径等指标的需求，确定气体池的初始结构，初始结构包括气体池腔体长度、气体池截面积，反射镜面形与尺寸等；

2.根据初始结构中分立镜面的面形与分布特征，选择适合的方法将多个分立镜面拟合为一面自由曲面镜，以保证作为拟合结果的自由曲面具有足够的面形精度的同时有具有很好的连续性，以便于加工。

3.可以通过光学设计工具(或软件)对拟合的自由曲面物镜进行进一步的优化，直到自由曲面物镜面形达到需求的精度。

4.根据镜面的面形特征以及加工材料，采用超精密加工实现设计的自由曲面。

上述第2点中的目标曲面包括但不限于多个分立镜面，针对多个分立曲面的结构本发明均适用。

上述第2点中的拟合方法包括但不限于XY多项式拟合、Zernike多项式拟合、样条曲面拟合、径向基函数拟合等。

上述第3点中的提到的对作为拟合结果的自由曲面镜进行优化，有一定经验的技术人员完全可以通过Code V、Zemax等光学设计软件实现自由曲面镜的优化。

上述第4点中提到的加工材料包括但不限于铝、铜等，且加工后的自由曲面镜可根据对镜面反射系数的需求选择是否镀膜以及镀膜方式。

上述第4点中提到的超精密加工方式包括但不限于超精密车削、超精密铣削以及超精密磨削等。

本发明旨在解决多个镜面结构造成的装配困难，包括但不限于气体池结构。针对具有多个分立面的系统，利用自由曲面镜代替多个镜面，削减了多个装配误差项，降低了装配难度与成本，提高了装配效率。与现有技术相比具有以下优点：

(1)以自由曲面镜代替多个镜面，在保留初始结构优点、不影响初始结构工作特点的同时，可以大大减少装配误差项，降低装配难度与成本。

(2)削减了镜面数量，故而使系统在使用过程中更加稳定，不易受震动等外部环境对系统造成的不良影响。

附图说明

图1实施例一种采用自由曲面镜的气体池系统结构图；

图2实施例自由曲面物镜拟合结果示意图；

图3实施例三面镜片尺寸示意图；

图4实施例工作在最大光程下的光路图；

图5实施例工作在最大光程下，高斯光源在出射孔截面的光强分布图。

具体实施方式

为进一步说明用自由曲面镜代替初始结构的多个镜面在降低装配难度与成本的有力效果，兹以对四物镜Chernin气体池的改进为实例，并配合附图详细说明：

四物镜Chernin气体池具有结构紧凑，光程长度长且可调节等特点，然而其四面分立的物镜具有离轴，非对称等特点，因而装配困难。通过将其分立的物镜用一面自由曲面镜代替，可以充分降低其装配难度。采用本发明的设计思路，可以实现如图1具体实施例中的自由曲面镜气体池

具体实施方式如下：

1.根据对气体池的光程范围、体积、腔体长度、入射光线孔径等设计需求的综合考虑，设计了一款在200mm基本尺寸上以1L容积实现34m吸收光程的四物镜Chernin气体池，将其镜面面形等结构参数作为初始结构，包括：气体池腔体长度、气体池截面积，反射镜面形与尺寸等(具体结构参数如附表1)。

2.考虑到2D Gaussian RBF对曲面进行拟合，其具有局域性与C^∞连续性，更适用于曲面的高精度车削加工，故而采用2D Gaussian RBF来拟合四物镜Chernin气体池的四面分立物镜，形成一面高阶光滑连续的自由曲面物镜。

以一组2D Gaussian RBF来表示曲面的公式如下：

(1)

其中，(x_i，y_i)表示高斯基函数中心，α_i表示高斯基函数的高度，λ为高斯基函数的宽度系数，β_i表示高斯基函数的偏移量。

自由曲面物镜具体拟合过程如图2所示，图2(a)为初始结构中四面分立物镜的面形；图2(b)为拟合后的自由曲面物镜面形，由图中的等高线可知，其至少具有G²连续性；图2(c)中为拟合后的自由曲面物镜与原始的四面物镜之间的面型误差，图中面型误差的PV值为5.033μm，RMS值为0.301μm。

如果拟合所得的自由曲面物镜精度不符合要求，可以通过光学设计工具(或软件)进行进一步优化；

3.利用超精密机床对自由曲面物镜进行加工，气体池的三面镜片尺寸如图3所示。按照图1安装主场镜、辅场镜以及自由曲面物镜。自由曲面物镜被固定在2轴可旋转的支撑架上，自由曲面物镜中心位于调整架2个轴线的交点。主场镜的曲率中心位于自由曲面物镜中心，即物镜调整架2个轴线的交点处。辅场镜紧邻主场镜安放，辅场镜的曲率中心要求并不十分严格，位于如图1中x轴的负轴上，大小为主场镜曲率中心与物镜边缘这二者距离的一半。入射孔与出射孔位于辅场镜上方，紧邻主场镜。通过调整自由曲面物镜绕x轴与y轴的旋转，可以调整光程的大小，实现不同精度需求的测量。

4.改进后的自由曲面镜气体池，当入射光源为一束孔径为2mm的高斯光源时，在最大光程下的光路如图4所示。图5是对应状态下，在出射孔截面的光线光强分布。由图5可知，出射光线足够汇聚，且能够完全从出射孔射出，满足测量的需求，因而不需要对自由曲面物镜进行进一步的优化。

5.安装相应的探测器(如光纤耦合器)等完成系统的搭建与装配，正式投入使用。

改进后的四物镜Chernin型气体池，其初始结构中的四面分立物镜被拟合后的一面自由曲面物镜代替，不仅利于采用一体加工方式实现气体池的加工，而且将传统四物镜Chernin型气体池四面物镜包括位置公差(每镜3项)与旋转公差(每镜3项)在内的共24项装配公差削减至自由曲面物镜引入的包括位置公差(3项)与滚转角误差(1项)共4项装配公差，降低装配难度与成本的同时，保留了传统四物镜Chernin型气体池的所有优点。

附表

附表1初始结构：四物镜Chernin气体池结构参数(单位：mm)

Claims (7)

1.一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特征是：通过自由曲面镜代替初始结构气体池中的多个镜面，从而在保留初始结构有效光程大、结构紧凑等优点且不改变其工作效果的同时，削减镜面数量，降低装配难度与成本。

2.根据权利要求1所述一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特征是：初始结构包括但不限于各类气体池(如Chernin型气体池)以及其他具有多面反射镜的结构。

3.根据权利要求1所述一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特征是：根据初始结构多个镜面的面形以及分布特征，选择适合的拟合方法将多个镜面拟合为自由曲面镜。

4.根据权利要求2所述一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特征是：拟合方法包括但不限于XY多项式拟合、Zernike多项式拟合、样条曲面拟合、径向基函数拟合等。

5.根据权利要求1所述一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特征是：设计所得的自由曲面镜的加工方式包括但不限于超精密车削，超精密磨削等。

6.根据权利要求1所述一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特征是：基于四物镜Chernin型气体池可通过一组2D Gaussian RBF将其初始结构中的四面物镜拟合为一面自由曲面镜，并由超精密车床进行加工，形成自由曲面气体池。

7.根据权利要求6所述一种基于自由曲面的气体池及其加工方法，其特征是：四物镜Chernin型气体池初始结构中的两块抛物镜(主场镜与辅场镜)与一面自由曲面镜分居气体池两侧，两块抛物镜被固定在基底，自由曲面镜被固定在具有倾斜与旋转两个旋转自由度的光具座中，光线由辅场镜上方射入与射出。