[发明专利]菲涅尔透镜制作刀具、加工方法以及菲涅尔透镜模芯制备方法

说明书

本发明公开了一种菲涅尔透镜制作刀具、加工方法以及菲涅尔透镜模芯制备方法，该刀具的刀尖处设有金钢石刀尖，该金钢石刀尖设有左偏半圆弧。使用该刀具，可以解决菲涅尔齿底加工盲区，再配合B轴旋转改变刀具运动方向和姿态，可以降低菲涅尔形貌加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重现象，解决非连续光学自由曲面精度低、加工效率低下等技术问题。本发明还公开了一种菲涅尔透镜模芯制备方法，通过该方法制备的模芯，可以降低后续透镜加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重现象。

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种菲涅尔透镜制作刀具、加工方法以及菲涅尔透镜模芯制备方法。

背景技术

菲涅尔透镜是一种常用的“凸透镜”，其光学特点是焦距短，在许多应用领域取代了凸透镜，其原理是依靠其表面的齿状同心圆来产生凸透镜的放大效果，使透过透镜的光线汇聚于焦点。菲涅尔透镜结构主要是单面透镜为主，即一面为光面(即平面)，另一面上设有齿纹。随着光学仪器不断发展，对光学仪器提出更高要求，如成像质量好，光能损失少，仪器小型化，轻量化等。对光学设计来说，非球面比球面有更多的自由度，而且非曲面透镜在校正相差上具有独特的优点，采用一个非球面可以顶替多个球面在相差中的校正作用，从而简化了光学系统。另一方面，双曲面菲涅透镜比平面菲涅尔透镜的球差和慧差更小，而且视场更大。双曲面菲涅尔透镜与平面菲涅尔单透镜最大的差别在于透镜的基底是曲面，是曲面基底与齿面波纹的结合；而双曲面菲涅尔透镜的入射面基底曲面为凸面，射出面基底曲面为凹面，使得基底材料去除率更高，重量更加轻和薄，因此可以传递更多光量。同时曲面基底设计突破了平面基底的限制，使得透镜占用空间更小，视场宽广。基底两侧均为菲涅尔透镜结构，比平面菲涅尔单透镜在透光率、焦距等方面更具优势。而针对双曲面菲涅尔透镜结构及其结构设计本案申请人已另案申请。

针对菲涅尔透镜的制作，现今大多数光学透镜制备工艺主要有：1.射出成型的方法配合模具制成，传统的菲涅尔透镜主要通过该方法来生产，其主要工艺为：利用射出成型模具机将加热后的塑性材料进行加工成型，但现有模具因温升慢、模具各处温度不一，塑性材料在模具墙体内的流动速度不一，导致成型周期长，在注塑过程中容易使透镜的表面存在缺陷流痕、气纹；此外，由于模具各部分温度不均，温度较低的塑性材料先行冷却成形，导致菲涅尔透镜的尖锐部分填充不足的短射缺陷，引起透镜内部应力集中等问题，影响光学成像，严重影响菲涅尔透镜的品质。2.模具模压工艺。菲涅尔透镜由玻璃材料或亚克力等透明有机材料经过成型模具压制而成，先通过精密车床在平板毛坯上车削出圆环制作成平板模具，通过热压、浇注、模压、注塑、UV固化等方法将平板模具上的圆环复制到基材上。根据镜片的尺寸制造出基板，然后将其放入模具中压制，模具上与基板相对的一平面上有齿状纹路，通过加温加压，将模具上的纹路压制在基板的一面上，使基板变为菲涅尔透镜，由于菲涅尔透镜的齿尖宽度只有2～4微米，基板上压出的齿纹并不能保证顶部为尖角，而会变为圆角，这就使整个菲涅尔透镜的透光率降低，影响整个产品的品质。模具模压的生产过程是间歇式的，生产效率较低，因而生产成本较高；也有用在玻璃材料上用有机硅胶复合成型的方法，其制备工艺复杂，效率低，且所得菲涅尔透镜耐候性差。3.在单点金刚石超精密车削直接加工透镜，但由于透镜材料的切削特性原因，往往毛刺较多等问题。

此外，现有制备工艺对于双曲面菲涅尔透镜的加工，还没有较好的加工方法实现。双曲面菲涅尔透镜比平面菲涅尔单透镜结构更加复杂，若采用射出成型工艺制备，则容易存在透镜边缘成型质量差，透镜内部应力集中等问题，工艺链冗长，影响光学成像，严重影响菲涅尔透镜的品质。若采用现有模具模压工艺，虽然适合大批量生产，然而采用模具模压压出的齿纹并不能保证顶部为尖角，而会变为圆角等问题，不利于光量传输。不难发现制约双曲面菲涅尔透镜制备的关键在于：1.简化制备工艺，适用于批量生产，保证双曲面菲涅尔透镜中心与边缘结构的一致性，消除透镜内部应力集中等问题；2.保证双曲面菲涅尔透镜厚度均匀，制备出的齿纹齿尖尖锐，无圆角现象。