非球面光學零件拋光技術

王麗榮

（中山火炬職業技術學院，廣東 中山 528436）

隨著科學技術的發展，非球面光學零件因其優良的光學性能，而日益成為一類非常重要的光學零件。在很多情況下，光電儀器采用非球面，能夠得到球面光學零件難以達到的光學性能，如提高系統的相對孔徑，增大視場角，改進像質，改善光照度均勻性，縮短工作距離，大大地減少鏡片數量等，從而簡化儀器結構，縮小外形尺寸，減小總質量。從17世紀最早提出非球面應用至今400余年，人們一直在探索非球面光學零件的加工技術。

非球面制造通常分為非球面成形和光學面實現兩個工藝方面。相對而言，難點主要在光學面的實現。本文主要講述非球面光學零件拋光技術。傳統的非球面加工方法，是通過研磨拋光方法，隨著光機電算的逐漸一體化，現已發展出多種新的非球面拋光方法。

1 非球面傳統加工技術

研磨拋光法，是傳統的非球面光學零件材料去除式加工方法。這種方法，是先把零件研磨成最接近球面形狀，然后用機器或手工繼續局部研磨或拋光，邊加工邊測量，直至修磨出符合要求的非球面面形。由于主要依靠手工，所以這種方法只適用于大口徑且非球面度較小的非球面。按此方法加工出的非球面，可達到很高的精度，但效率低，且精度重復性差，只適用于單件或小批量生產[1]。

傳統研拋技術，一直伴隨著非球面加工技術的歷史。由于依靠操作者的技術，可達到較高的加工精度，因此可作為現代新型非球面拋光技術的一種補充，兩者相結合，達到所需的表面粗糙度和面形精度。

2 非球面拋光新技術

2.1 計算機控制光學表面（CCOS）加工技術

20世紀70年代初，美國Itek公司率先提出了一種新的光學表面加工的技術構想，即CCOS，它是通過計算機控制一個小型工具，將控制軟件、機床設備和檢測方法有機結合起來，進行光學表面加工。隨后美、法、德、俄的科研中心，都在此領域開展了深入的研究。如美國的亞利桑那大學光學科學中心、法國空間光學制造中心、德國蔡司公司、俄羅斯瓦維洛夫國家光學研究所等[2]。隨著計算機技術和精密計量技術的飛速發展，CCOS加工技術從計算速度到加工精度等，都得到了進一步的提高與完善。

CCOS加工技術的基本原理，是用計算機來控制一個比被加工零件尺寸小得多的拋光模，以一定的路線、速度和壓力拋光工件表面。通過改變任何一個區域的拋光時間，可以精確地獲得要求的材料去除量。由于拋光的去除量不大，所以工件要先用通常的方法研磨、拋光成接近的比較球面。計算機控制拋光，僅僅是拋去球面和要求的非球面在各點處所存在的偏離量。在加工中，使用迭代的方式，使表面誤差逐步收斂。

用CCOS方法加工出來的零件，局部面形誤差（波紋）難以消去，要達到高品質的光學級表面，仍需要后續傳統拋光。與其他技術相比，CCOS的優勢主要是在非球面成型和精磨方面。

2.2 磁流變拋光技術

磁流變拋光技術（MRF），是美國Rochester大學提出的一種新型的光學零件加工方法，其將電磁學、流體動力學理論、分析化學有機結合起來。磁流變拋光液在高強度的梯度磁場中會變硬，而成為具有粘塑性的Bingham介質，形成類似緞帶的凸起。當這種介質流經工件與運動盤形成的很小空隙時，工件表面材料會被工件表面與其接觸的區域產生的剪切力去除。

由于磁流變拋光能夠獲得品質很高的光學表面，與CCOS相結合，可實現計算機控制，從而得到較復雜的面形，且去除效率高，不會存在刀具磨損、堵塞現象。因其獨特的剪切去除機理在保證較高去除效率的同時不引入亞表面損傷，可以高效消除磨削產生的亞表面損傷層，實現近零亞表面損傷和納米級精度拋光[3]。

因此，磁流變拋光是一種非常好的光學加工方法。目前，我國很多高校及科研機構都投入了大量精力進行磁流變拋光技術的研究。缺點是有磁介質不能使用，且磁流變液特性隨材料變化，拋光去除函數必須隨時標定。

2.3 離子束拋光

離子束拋光是1965年美國亞利桑那大學的工作人員發現并研制成功的。目前，美國離子光學公司、法蘭克福兵工廠早已研制成功離子束拋光設備，并應用于生產。此外，日本、英國、法國等國也已開發和研究了這一新技術[2]。

離子束拋光的原理，是將惰性氣體（如氬、氪、氙等）原子在低真空中電離為離子，再加速撞擊到放在高真空度的真空室內的工件表面上，以原子量級將其表面將材料予以去除。

離子束加工玻璃的主要特點，是加工工具精度非常好，表面不產生正壓力，加工量的控制極其精確穩定。被加速的離子與工件材料的原子核直接產生彈性碰撞，使其逸出表面，可以輕易實現原子量級的材料去除，加工精度可達λ／100，且不受被加工零件表面和材料的限制。因離子束拋光的加工深度小，因此使用該技術進行零件拋光前，被加工件應先進行初拋光。該項技術的缺點是成本昂貴，操作復雜，工作時有振動，且拋光速度緩慢。

2.4 應力鏡與應力盤拋光技術

20世紀90年代，美國亞利桑那大學斯蒂瓦天文臺大鏡實驗室，在發展大型主鏡輕量化鏡坯計算機控制離心熔鑄技術時，發展了這種新的計算機控制大尺寸應力拋光盤，加工超大型高陡度的非球面反射鏡。

應力盤（Stress Lap）拋光技術的基礎，是能動光學技術，其由傳統加工中的控制鏡面變為控制加工工具，通過動態控制面形，來使應力盤連續不斷地保持同被加工表面的吻合與適配。這種方法，一方面易于修改加工表面所產生的如像散之類的低頻誤差；另一方面，重要的是擺脫了計算機控制小工具拋光中的中、高頻殘差的誤差來源。

應力鏡拋光技術（Stressed-mirror Polishing，SMP）是一種基于彈性力學原理的非球面加工技術。在SMP中，力加到鏡基上，使變形形狀和期望的非球面面形相反，然后由大型球面拋光工具進行拋光，應力移除后，反射鏡松弛到期望的非球面面形。

應力鏡拋光技術，允許使用大型球面拋光工具進行非球面光學面形的拋光，顯著增加了材料移除率，且沒有高頻面形誤差，參數一致性非常好，其缺點是邊緣效應十分明顯。

2.5 光學玻璃模壓成型技術

美國柯達公司經過近40年的努力，在20世紀70年代研究成功玻璃的精密模壓成型技術，一次就完成光學球面或非球面的零件成型，不需要研磨拋光的加工。

光學玻璃模壓成型技術，是利用了玻璃從熔融態向固態轉化的過程是連續可逆的熱加工性質，在玻璃的轉變溫度Tg附近，在無氧條件下，對玻璃和模具進行加溫加壓，一次性將光學玻璃模壓成達到使用要求的光學零件[1]。由于光學玻璃模壓成型法摒棄了傳統的粗磨、精磨、拋光以及定心磨邊等工序，直接一次成型，大大節省了材輔料、時間、設備及人力，且能模壓出不同形狀，尤其是在非球面光學玻璃零件制造方面，有著廣闊的應用前景。

光學玻璃模壓成型法制造光學零件有如下優點：

（1）不需要傳統的粗磨、精磨、拋光、磨邊定中心等工序，就能使零件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；

（2）能夠節省大量的生產設備、工裝輔料、廠房面積和熟練的技術工人，使一個小型車間就可具備很高的生產力；

（3）可很容易經濟地實現精密非球面光學零件的批量生產；

（4）只要精確地控制模壓成型過程中的溫度和壓力等工藝參數，就能保證模壓成型光學零件的尺寸精度和重復精度[1]；

（5）可以模壓小型非球面透鏡陣列；

（6）光學零件和安裝基準件，可以制成一個整體。

光學玻璃模壓成型技術，是一項綜合技術，需考慮玻璃材料、模具材料、模壓設備及模壓的工藝參數。其所涉及的技術均為各個領域的尖端技術，包括低熔點玻璃材料開發與熔煉、超硬合金材料和加工、模具表面鍍膜，以及自動化精密模壓設備的研制、模壓工藝參數等。該技術主要適用于小型非球面制造，目前最大模壓尺寸在50 mm以內。

3 結束語

光學非球面加工，是光學冷加工發展研究的趨勢和方向，其工藝難度主要來自于非球面度。雖然非球面光學零件拋光的技術方法很多，但目前還沒有一種方法能與球面或平面加工相比，既保證加工精度和品質，又能適應不同批量、不同尺寸的要求，且加工成本適中。因此，不斷尋求既有較高精度和效率，又有較低成本的非球面加工方法，仍是未來很長一段時間內的重要研究方向。現代加工手段，必須與傳統加工手段有機結合。另一方面，非球面制造的關鍵，是非球面檢測技術，加工強烈依存于檢測，制造非球面的水平與所掌握的檢測方法密切相關，非球面檢測和相應數據分析處理技術的發展，為制造更高要求的非球面提供了可靠的保證。

[1]舒朝濂.現代光學制造技術[M].北京：國防工業出版社，2008.

[2]蔡 立.光學零件加工技術[M].北京：兵器工業出版社，2006.

[3]康桂文.磁流變拋光技術的研究現狀及其發展[J].機床與液壓，2008，36(3)：173-176.