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浙江大学光电信息工程学系博士生光学专题报告刘东光学非球面(自由曲面)加工技术简介刘东*浙江大学现代光学仪器国家重点实验室浙江杭州310027摘要：光学非球面对于提高光学系统整体性能方面有着举足轻重的作用。随着昀近几十年来光学非球面加工技术的迅速发展，其已广泛应用于科学研究、国防军工、工业生产及日常生活等诸多领域。本文介绍了非球面的基础概念及目前国内外非球面加工方面的主要方法，重点介绍了每种方法的核心思想、工作流程、加工精度以及应用领域等，并对大部分方法作了性能评价和发展展望。昀后，对非球面加工过程中的检测问题也进行了一些探讨。关键字：光学非球面；非球面加工；非球面检测；数控加工中图分类号：TG58ReviewofopticalmanufacturingforasphericsurfacesDongLiuStateKeyLab.OfModernOpticalInstrumentation,ZhejiangUniv.,310027,ChinaAbstract:Theperformanceofopticalsystemsbenefitsmuchfromtheuseofaspherics.Withthedevelopmentofopticalmanufacturing,theasphericshaveplayedimportantroleinscientificresearches,nationaldefence,industries,dailylife,andsoon.Thispaperbeginswiththeintroductionofasphercalsurfacesandthemainlyusedtechnologiesofproductionintheworld.Theprimarymethod,operationprocess,precisionoffabricationandapplicationareaisalldescribedindetail.Theevaluationandfuturedevelopingtrendarealsogiven.Finally,sometestingmethodsforasphericsurfacesarealsogiven.Keywords:aspheric;asphericmanufacturing;aspherictesting;computercontrolfabrication1引言1.1什么是非球面[1]非球面在像差矫正方面与传统球面相比有较大优势。如图1.1所示，球面透镜很容易产生很大像差，而非球面却可以对像差进行很好的修正。在光学系统设计中，光学设计者为了缩小光学系统外形尺寸，减轻系统重量，提高光学性能，改善成像质量等目的，会在系统中引入非球面。在现代科技高速发展的今天，随着对高性能、小尺寸系统的需求的增高，光学非球面也越来越得到人们的钦赖。非球面从字面上就很好理解，简而言之，就是不是球面的面。*刘东，(1982-)，浙江大学光电系博士研究生，主要从事光学检测技术的研究。导师：杨甬英教授Email:nanotesting@gmail.com1浙江大学光电信息工程学系博士生光学专题报告刘东一般来说，非球面按照面型的不同可以大略分为两大类，即旋转对称非球面和非旋转对称非球面，而后者通常即为自由曲面。其中轴对称非球面按照子午截面曲线类型，又分为二次非球面和高次非球面。二次非球面又可分为两类，一类为有一对无像差点的曲面，例如绕长轴旋转的椭球面、抛物面、双叶双曲面等，它们都是二次曲线绕连接其几何焦点的轴线旋转而成。另一类为圆柱面、圆锥面、扁椭球面(椭圆绕其短轴旋转而成)。图1.1非球面对像差的矫正作用在大多数情况下，光学系统都采用旋转对称非球面，其直角坐标系(,,)xyz的原点同该非球面表面顶点重合，而旋转轴线同系统的光轴重合（x轴），其子午截面曲线如图1.2所示。AspC0CX....0μ0Rsδ0yBAVSY其中，Asp为非球面，为非球面的顶点球，为顶点球球心，是非球面法线与光轴的交点，VS0CC0μ是非球面法线与光轴交角。此时，非球面可以表示为2212nnyaxaxax=+++（1.1）或2412nn2xAyAyAy=+++（1.2）公式（1.1）对于相对口径很大的非球面非常适用，因为以这种表达式当相对口径很大时逼近得很快，即它得高次项不是很多；公式（1.2）在处理与平面偏离比较小得光学元件比较方便，由于总得偏离不大，故逼近得很快。图1.2旋转对称非球面的表示公式（1.2）在国际上现在都写成2462211(1)cyxdyKcy=++−+ey++（1.3）其中，为顶点曲率，为二次曲线常数，为高次项系数。cK,,de这种表达式在以二次曲线为基础再加上高次项，可以很容易知道高次非球面偏离二次非球面的程度。实际的光学系统在很多情况下用二次曲面就够了，并且二次曲面在检验上有它得方便之处。因此，光学系统设计人员在设计光学系统时如果一定要用非球面来做，那么则尽量要用二次非球面，这样在加工及检验过程都相对容易些。1.2光学非球面的作用及应用正如前面所述，应用非球面可以缩小光学系统外形尺寸，减轻系统重量，提高光学性能，改善成像质量等，所以它也有着广泛得应用。在航空、航天、国防军工，亦或者民用上处处2浙江大学光电信息工程学系博士生光学专题报告刘东都有非球面得身影，并且在很多时候其发挥着不可替代的作用。如HubbleSpaceTelescope[2]及正在研制的LargeBinocularTelescope[3]（图1.3为LargeBinocularTelescope的第一个主镜，该主镜直径8.3米，加工于美国亚利桑那大学的Steward天文台镜面实验室）等各种大型望远镜、卫星上所使用的很多空间遥感相机、ICF系统中使用的大量的非球等等，都是非球面在现代世界中举足轻重的作用和广泛应用的例子。图1.3LBTPrimaryMirror:Thefirst8.3metermirrorandtheteamwhocastitattheStewardObservatoryMirrorLaboratorybeneaththeUniversityofArizonafootballstadium.面元件以及投影照明等民用系统中使用的数量巨大的非球面1.3非球面的加工技术众所周知，光学零件的加工比机械零件的加工难得多。目前的光学加工技术，一般对球面或平面要求达到高的表面质量或高精度面形并不难，可是对一些面形复杂的光学零件，，非球面光学零件加工是国内外曲线中昀简单的一种，其半径是一个常数，有无数个对称轴线。对光学球面的加工面曲线为椭圆、抛物线、双曲确定都是非常难的，更难以的历史，按照成型后的非球面相对于其原始毛坯在形状上的不同，非球面加工方法大体上可以分为去除加工法、成形加工法和附加加工法等三种。的制备、粗磨、精磨、抛光等几部分[5]，要求同时达到很高的表面质量和很高的面形精度则比较困难。非球面的加工问题是个古老而又极具生命力的问题。当前公认的难题，但并不是所有非球面光学零件的加工都难。光学系统中采用的非球面光学零件的种类很多，有些非球面光学零件的加工并不难，例如圆柱面镜、圆锥面镜等。一般非球面光学零件加工难是指轴对称二次和高次非球面或离轴二次和高次非球面或有些甚至是自由曲面。圆是二次，虽然它保证面形精度不像加工高精度光学圆柱面或圆锥面镜那样容易，但由于球面有无数个对称轴线，所以能采用对磨和对研的精磨和抛光加工方法。其他二次曲线和高次曲线成形的非球面光学零件，由于其子午截线或高次曲线，其曲率半径是变化的，而且只有一条对称轴线，所以无法应用球面零件的磨轮包络线的范成法粗磨，也不能采用对磨和对研的精磨和抛光方法。这是加工二次曲线和高次曲线成形的非球面光学零件比加工球面光学零件难的原因。当然，对于非旋转对称曲面以及自由曲面来说，由于轴的位置的用传统的研抛的方法来加工。纵观非球面加工研究的近400年去除加工法，是一种在原始毛坯上利用磨、抛等手段去除一定量材料后得到目标非球面的方法。成形加工法，是一种将高精度模具的非球面面型复制到被加工材料上的一种方法，主要有塑料注射成形和玻璃模压成形等。附加加工法，即在原始毛坯上附加一定量材料，从而得到目标非球面的方法，主要包括真空镀膜法[4]等。光学零件的加工工艺过程，一般来说都包括毛坯3浙江大学光电信息工程学系博士生光学专题报告刘东而现2去除加工法去除加工法，是一种在原始毛坯上利用磨、抛等手段去除一定量材料后得到目标非球面的方2.1经典研抛法[5]经典研抛法是一种历史昀悠久的方法，它秉承了球面加工方法而来。它主要需要这样几个工形。即经过铣磨，将毛坯加工成需要的形状。该形状需要提前做一计算，得到昀水的混合物）研磨光学元件表面以减少成形过程中产生的为初抛光和精抛光等两个过程。光学零件的抛光是获得光学表面昀主要效率低，且手修过程易于出错，所以这种加工方法更2.2轨迹成形法[6,7]轨迹成形法主要包括使用成形工具的轨迹成形法、使用仿形靠模的轨迹成形法和使用机构轨非球面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的非在存在的各种加工方法，其实也是针对上述的某一个或几个过程的改进。本文的接下来的篇幅将对各种光学非球面的加工技术做一简要介绍，主要包括各自的优缺点、目前的研究成果、历史沿革、代表性人物及其重要贡献、主要的研究机构以及它们的特色工作等方面内容。在本文的昀后，将对非球面加工中所使用的检测方法作一简要介绍。法。它种类繁多，也是目前的主流方法基本都集中在这部分，主要包括普通研磨抛光法、计算机控制加工法、离子加工法、能动磨盘法、气囊式抛光法及磁流变抛光法等多种。艺过程：1）铣磨成大去除量形状，从而减轻后续过程任务量。该过程需要用到铣磨机，属于下面要提到的粗磨的铣削加工，又称范成法加工。2）研磨。即用研磨剂（即磨料和下表面损伤。这一过程根据添加的研磨剂尺寸的不同又分为粗磨和精磨。粗磨时使用昀多、效率昀高的研磨剂是碳化硅（俗称金刚砂），其尺寸从亚微米至几百微米不等，根据需要选择合适尺寸。精磨时使用的研磨剂一般为金刚石或碳化硼，其中碳化硼的硬度仅次于金刚石，尺寸总体较小，非常适合于精磨。精磨过程中还需要使用冷却液，起到冷却、润滑、清洗和化学反应等作用。精磨后的光学元件由于有凹凸层的存在而形成不透明的表面，这也是抛光的必要性所在。3）抛光。也可以分的工序。其目的首先是去除精磨的破坏层，达到规定的表面疵病要求，其次是精修面形，达到要求的光圈，形成透镜规则的表面。昀初的时候完全由手工加工完成，加工需要经验的指导。曾经有人说这种加工过程不是一般的体力劳动，而更像是“一种艺术创造过程”。迹的成形法等几种。传统的轨迹成形法加工4浙江大学光电信息工程学系博士生光学专题报告刘东球面前国外对这方面研究的报道很少。国内主要是中3计算机控制加工法由于传统研抛法对经验有极大的依赖，并且即使经验丰富的人也不保证一定能达到加工面形3.1计算机控制小磨头加工法20世纪70年代，美国Itek公司率先提出了利用计算机控制一个小型加工工具进行光学加工小工具抛光技术发展下，计算机控制小工具抛光技术日趋成熟和完善。图1）原理及过程[10]大口径非球面工件的加工远比平面或球面困难得多。实际加工过程中，首先用研磨的方法得零件，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性差，通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作，如朴承镐教授等。要求，所以人们非常希望能找到一种方法可以抛开对经验的依赖。随着计算机技术的发展，人们经过不懈努力和探索，发明了多种计算机控制加工非球面的方法，期望在加工效率、精度上相对于传统加工方法有质的飞跃[8-10]。的技术思想，即CCOS（Computercontrolledopticalsurfacing），并在控制软件