專利名稱：一種費里棱鏡的加工方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學器件制造技術領域，涉及一種曲面棱鏡的加工方法，具體涉及一種費里棱鏡的單件加工方法。
背景技術：
為了使攝譜儀得到“純凈”的光譜，1910年費里提出用曲面棱鏡取代平面棱鏡，結果表明這種改進具有很多平面棱鏡無法比擬的優(yōu)點。經過一百多年的發(fā)展，費里棱鏡以其吸收損失小、像散較大，結構緊湊、大視場、重量輕便等特點，在高亮背光顯示、超光譜成像、虛擬現(xiàn)實、軍事和反恐、航空航天領域等領域具有廣闊的應用前景。鑒于曲面棱鏡費里棱鏡的眾多用途，目前國內一些機構針對曲面棱鏡的加工開展了大量的研究工作。例如，中國發(fā)明專利申請CN 102139376A公開了一種自由曲面棱鏡加工方法，先將每個棱鏡的側面都初始化為平面以保證每個側面按照基準平面進行位置調整，曲面之間的夾角需要采用精密多軸機床或加工中心一次裝卡銑削成型，每一個曲面光軸之間的夾角依靠加工機床的旋轉軸旋轉精度保證。這樣的加工方式需要專門制作用于固定金剛石刀具的刀架，改造機床設備組建自由曲面棱鏡超精密加工系統(tǒng)。這種技術對于曲面棱鏡費里棱鏡的單件加工或者小批量加工成本過大。費里棱鏡作為曲面棱鏡中的一種通常由兩個光軸成一定夾角的曲面構成，其結構既不同于各個面都為平面的棱鏡結構也不同于只有一根光軸的雙面透鏡結構。費里棱鏡光軸角度參數(shù)是其結構參數(shù)中非常重要參數(shù)，如果其光軸角度加工不準不僅嚴重影響光學系統(tǒng)成像質量還會使系統(tǒng)的裝調變得十分困難。現(xiàn)有技術加工費里棱鏡都需要依賴精密多軸機床來保證費里棱鏡各結構參數(shù)精度。因此有必要發(fā)明一種適用于單件加工或者小批量加工的低成本不依賴精密多軸機床可以直接在普通的單軸機床上加工并能保證費里棱鏡光軸夾角精度的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種適用于單件加工或者小批量加工的低成本，無需采用高精度多軸數(shù)控加工設備，在一般光學加工中心即可加工保證費里棱鏡光軸精度的加工方法。為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種費里棱鏡的加工方法，包括如下步驟:
(1)加工曲面棱鏡費里棱鏡的初始結構，所述初始結構為圓柱體，所述圓柱體直徑與費里棱鏡第一個曲面的直徑相等且兩個端面都是與圓柱體軸心線垂直的平面，圓柱體的長度等于費里棱鏡第一個曲面光軸軸向上工件最大長度尺寸加上切削去除量；
(2)以初始結構圓柱體的一個端面為基準面，在圓柱上切削加工一個與所述基準面間的夾角等于費里棱鏡兩鏡面光軸夾角的橢圓形平面，獲得費里棱鏡的楔形圓柱結構，所述楔形圓柱結構空間上包容待加工的費里棱鏡；(3)將步驟(2)加工后的楔形圓柱結構固定于光學加工中心旋轉臺上，調整工件位置使其圓柱軸心線與旋轉臺軸心線同軸，在圓柱圓形端面上加工出第一個曲面，加工的費里棱鏡第一個曲面光軸與圓柱軸心線重合；
(4)將步驟(3)加工后的工件固定于光學加工中心旋轉臺上，調整工件位置使其橢圓形平面與旋轉臺臺面平行且工件的旋轉軸與待加工的第二個曲面光軸重合，在橢圓形平面上加工出第二個曲面。進一步的技術方案，加工時，步驟(I)中，初始結構圓柱體長度等于費里棱鏡楔形圓柱結構圓柱體軸心線方向上楔形圓柱結構的橢圓端面到圓端面最大距離與最小距離的和加上切削去除量，將初始結構圓柱體按費里棱鏡兩個曲面光軸的夾角切割成兩部分，切割部分別形成橢圓形平面，獲得兩個步驟(2)所述的楔形圓柱結構，分別加工成費里棱鏡。優(yōu)選的技術方案，本發(fā)明的費里棱鏡初始結構具有如下特征:初始結構為圓柱體，所述圓柱體直徑與費里棱鏡第一個曲面的口徑相等，兩個端面都是與圓柱體軸心線垂直的圓形平面圓柱，其圓柱長度滿足經過切削加工剛好可以得到兩個相同的費里棱鏡楔形圓柱結構要求。其初始結構圓柱體長度等于費里棱鏡楔形圓柱結構圓柱體軸心線方向上楔形圓柱結構的橢圓端面到圓端面最大距離與最小距離的和，由于考慮切削時切削縫隙材料去除量影響實際初始結構圓柱體長度再加切削縫隙寬度在圓柱軸向方向上的投影長度。這樣設計的好處是最大限度的節(jié)約了材料，一次切削即可得到兩個楔角相等的楔形圓柱結構，這樣加工后得到的兩個費 里棱鏡其光軸角度誤差穩(wěn)定性好。由于上述技術方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點:
1、本發(fā)明通過切割形成橢圓形平面，實現(xiàn)了費里棱鏡的加工，不需要采用高精度多軸數(shù)控加工設備，易于實現(xiàn)，特別適合于單件或小批量加工的需求。2、本發(fā)明中，圓柱端面和橢圓形平面間的夾角等于費里棱鏡兩個曲面光軸的夾角，因而，通過控制橢圓形平面的切削即可實現(xiàn)對費里棱鏡兩個曲面光軸夾角的精確加工。3、本發(fā)明可以利用一個初始結構組合加工2個費里棱鏡，節(jié)省了材料，并且加工后得到的兩個費里棱鏡其光軸角度誤差穩(wěn)定性好。


圖1為本發(fā)明實施例一中加工的曲面棱鏡費里棱鏡的初始結構示意 圖2為本發(fā)明實施例一中初始結構圓柱上切削的費里棱鏡楔形圓柱結構示意 圖3為本發(fā)明實施例一中加工出第一個曲面的費里棱鏡示意 圖4為本發(fā)明實施例一中在橢圓端面上加工出第二個曲面的費里棱鏡意 圖5為本發(fā)明實施例一中切削圓柱得到費里棱鏡的兩個相同楔形圓柱結構示意圖。其中:1、圓形端面；2、橢圓形平面；3、圓柱體軸心線；4、第一個曲面；5、工件旋轉軸心線；6、第二個曲面；7、第一楔形圓柱結構；8、第二楔形圓柱結構。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述:
實施例一:一種曲面棱鏡費里棱鏡的加工方法，包括如下步驟:
(I)依據(jù)需要加工曲面棱鏡費里棱鏡的初始結構，計算初始結構，參見圖1所示，將其初始結構加工成圓柱體，該圓柱體直徑與費里棱鏡第一個曲面的口徑相等且兩個端面都是與圓柱體軸心線垂直的圓形平面；加工曲面棱鏡費里棱鏡的初始結構，所述初始結構為圓柱體，圓柱的長度略大于費里棱鏡第一個曲面光軸軸向上工件最大長度尺寸；
(2)加工曲面棱鏡費里棱鏡的楔形圓柱結構，參見圖2所示，以初始結構圓柱其中一個圓形端面I為基準面，在圓柱上切削加工一個與所述基準面楔角〃等于費里棱鏡兩鏡面光軸夾角的橢圓形平面2，這一步是實現(xiàn)本發(fā)明實現(xiàn)準確控制費里棱鏡光軸夾角的重要技術手段;
(3)將步驟(2)加工后的楔形圓柱固定于光學加工中心旋轉臺上，參見圖3所示，調整工件位置使其圓柱體軸心線3與旋轉臺軸心線同軸，在圓柱圓形端面上加工出第一個曲面4，加工的費里棱鏡第一個曲面光軸與圓柱軸心線重合；
(4)參見圖4所示，將步驟(3)加工后的費里棱鏡固定于光學加工中心旋轉臺上，調整工件位置使其橢圓形平面2與旋轉臺臺面平行且工件旋轉軸心線5與待加工的第二個曲面光軸重合，在費里棱鏡橢圓端面上加工出第二個曲面6。本發(fā)明通過步驟(3)與步驟(4)的技術手段來實現(xiàn)光軸夾角β到控制楔角Θ的轉化。實施過程中提到的初始結構優(yōu)選實施方式為:將費里棱鏡初始結構設計為具有如下特征:初始結構為圓柱體，所述圓柱體直徑與費里棱鏡第一個曲面的口徑相等，參見圖5所示，兩個端面都是與圓柱體軸心線垂直的圓形平面圓柱，其圓柱長度滿足經過權利要求1所述所述步驟(2)的切削加工剛好可以得到兩個相同的費里棱鏡楔形圓柱結構要求，其初始結構圓柱體長度等于費里棱鏡楔形圓柱結構圓柱體軸心線方向上楔形圓柱結構的橢圓端面到圓端面最大距離與最小距離的和，由于考慮切削時切削縫隙材料去除量影響實際初始結構圓柱體長度再加切削縫隙寬度在圓柱軸向方向上的投影長度。該技術手段的好處是最大限度的節(jié)約了材料，一次切削即可得到兩個楔角相等的第一楔形圓柱結構7與第二楔形圓柱結構8，這樣加工后的得到的兩個費里棱鏡其光軸角度誤差穩(wěn)定性好。本發(fā)明的曲面棱鏡費里棱鏡的加工方法，不需要使用高精密多轉軸機床也不需要改造現(xiàn)有設備，僅需要按照費里棱鏡的結構參數(shù)制作出楔形圓柱結構，通過本發(fā)明的技術手段來實現(xiàn)光軸夾角控制到楔形圓柱結構楔角控制的轉化。因此，本發(fā)明具有加工工藝簡單、成本低、 光軸夾角精度易于控制適用于單件加工或小批量加工的特點。
權利要求
1.一種費里棱鏡的加工方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)加工曲面棱鏡費里棱鏡的初始結構，所述初始結構為圓柱體，所述圓柱體直徑與費里棱鏡第一個曲面的直徑相等且兩個端面都是與圓柱體軸心線垂直的平面，圓柱體的長度等于費里棱鏡第一個曲面光軸軸向上工件最大長度尺寸加上切削去除量； (2)以初始結構圓柱體的一個端面為基準面，在圓柱上切削加工一個與所述基準面間的夾角等于費里棱鏡兩鏡面光軸夾角的橢圓形平面，獲得費里棱鏡的楔形圓柱結構，所述楔形圓柱結構空間上包容待加工的費里棱鏡； (3)將步驟(2)加工后的楔形圓柱結構固定于光學加工中心旋轉臺上，調整工件位置使其圓柱軸心線與旋轉臺軸心線同軸，在圓柱圓形端面上加工出第一個曲面，加工的費里棱鏡第一個曲面光軸與圓柱軸心線重合； (4)將步驟(3)加工后的工件固定于光學加工中心旋轉臺上，調整工件位置使其橢圓形平面與旋轉臺臺面平行且工件的旋轉軸與待加工的第二個曲面光軸重合，在橢圓形平面上加工出第二個曲面。
2.一種費里棱鏡的 加工方法，采用權利要求1所述的加工方法加工，其特征在于:步驟(I)中，初始結構圓柱體長度等于費里棱鏡楔形圓柱結構圓柱體軸心線方向上楔形圓柱結構的橢圓端面到圓端面最大距離與最小距離的和加上切削去除量，將初始結構圓柱體按費里棱鏡兩個曲面光軸的夾角切割成兩部分，切割部分別形成橢圓形平面，獲得兩個步驟(2)所述的楔形圓柱結構，分別加工成費里棱鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種費里棱鏡的加工方法，包括如下步驟(1)加工曲面棱鏡費里棱鏡的初始結構圓柱體，直徑與費里棱鏡第一個曲面的直徑相等且兩個端面都是與圓柱體軸心線垂直的平面，圓柱體的長度等于費里棱鏡第一個曲面光軸軸向上工件最大長度尺寸加上切削去除量；(2)在圓柱上切削加工一個橢圓形平面，獲得費里棱鏡的楔形圓柱結構，楔形圓柱結構空間上包容待加工的費里棱鏡；(3)在圓柱圓形端面上加工出第一個曲面；(4)在橢圓形平面上加工出第二個曲面。本發(fā)明工藝簡單、成本低、光軸夾角精度易于控制，適于單件加工或小批量加工。
文檔編號B23B1/00GK103212722SQ20131013357
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權日2013年4月17日
發(fā)明者陳曦, 郭培基 申請人:蘇州大學