非球面光學元件的精密研磨拋光技術

非球面光學元件是一個非常重要的光學元件。在光學成像系統中，可以得到無法繪制的成像質量。在光學系統中，可以更好地矯正不同的圖像差異，提高成像質量，提高系統的識別能力。可以用一個或多個非球面組件來代替多個表面組件，簡化機器結構，降低成本，有效減少機器重量。光的反射和折射要求非球面元件的表面粗糙度Ra要小于光波長的1/10,面形精度(PV值)不能大于Ra的10倍值,即達到微米級、亞微米級乃至納米級的范圍1金剛石車削機床數控單點金剛石車削技術,是由美國國防科研機構于60年代率先開發、80年代得以推廣應用的非球面光學元件加工技術,國內已經開始在加工設備和技術等方面針對非球面的單點金剛石精密切削加工開始了深入的研究金剛石車削機床是金剛石車削工藝的關鍵技術。金剛石車削機床屬于高精密機床,機床的主軸精度和溜板運動精度比一般的機床要高出幾個數量級,主軸軸承和溜板導軌通常采用空氣軸承和油壓靜力支承結構,機床運動部件的相對位置采用激光位移測量裝置測定。在工件加工的整個過程中,采用激光干涉儀測量工件的面形誤差,車床上裝有反饋裝置,可以補償運動誤差。但是,目前采用金剛石車削技術加工時一般需要進一步研磨拋光。該技術與離子束拋光技術相結合,可以加工高精度非球面光學元件;與鍍硬碳膜工藝和環氧樹脂復制技術相結合,可生產較為便宜的精密非球面反射鏡和透鏡。2研磨拋光軌跡的確定數控研磨和拋光技術是基于上世紀70年代美國Itek公司提出的計算機控制小型加工工具非球面光學元件的精密研磨拋光普遍采用的是小型磨床修正研磨拋光法。小型磨床研磨拋光加工的工藝流程大致如下:首先由三維測試機、激光干涉儀測出加工面的形狀精度,求出面形誤差。工作站根據面形誤差計算出需要研磨拋光的軌跡,并將該研磨拋光軌跡轉換成數控編碼傳送給磨床進行加工。加工完了后進行面形精度測試。面形精度若是沒有達到要求,再反復地進行計算、加工。通過這樣反復地進行面形測試、計算、修正研磨拋光,即可達到提高面形精度的目的。小型磨床研磨拋光法分為縱向掃描和光柵掃描兩種方式?？v向掃描方式是:被加工的工件以一定的速度旋轉,拋光器則沿著貫穿工件軸心的斷面進行搖動?？v向掃描方式對工件軸心附近的形狀控制和非旋轉對稱部分的形狀誤差的修正研磨拋光比較困難,但是研磨時間可望縮短,設備比較簡單。光柵掃描方式則是:被加工的工件不旋轉,拋光器在工件的表面移動研磨拋光。這種方式不僅容易進行非旋轉對稱部分的修正研磨拋光,而且還可以進行離軸光學元件的研磨拋光加工。但是,此種方式的設備組成較為復雜,成本比較高。3運動盤法研磨表面處理磁介質輔助拋光方法形成于上世紀80年代初。1984年,Y.Tain和K.Kawata利用磁場輔助拋光對聚丙烯平片進行加工圖3為磁流變拋光方法加工凸球面的原理示意圖。被加工工件位于運動盤上方,并與運動盤成一很小的固定不變的距離,于是工件表面與運動盤表面形成了一個凹空隙。磁極置于工件和運動盤的下方,并且在工件和運動盤所形成的小空隙附近形成一個高梯度磁場。運動盤內盛有磁流變拋光液,當磁流變拋光液隨運動盤一起運動到工件與運動盤所形成的小空隙附近時,梯度場使之聚結、變硬,形成一凸起緞帶,成為具有粘塑性的Bingham介質。這樣具有較高運動速度的Bingham介質通過小空隙時,對工件表面與之接觸的區域產生很大的剪切力,從而使工件表面材料被去除。工件表面被拋光的區域稱為拋光區。從圖3中可以看出,工件軸除了可以繞自身軸線作回轉運動外,還可以作以軸上某點為中心,以工件的曲率半徑為半徑的擺動。于是工件表面的各個帶區都可以經過拋光區,從而實現對工件整個表面的材料去除。通過控制工件表面各個帶區在拋光區內的停留時間,來控制各帶區材料的去除量,進而精修工件面形。與傳統拋光方法相比,MRF具有以下優點:①拋光盤無磨損,拋光特性穩定;②可以制造復雜形狀的表面,如球面、非球面及非對稱的自由曲面。同時MRF技術也存在以下缺點:①目前只局限于對中小口徑(直徑在100mm以下)的光學元件的加工;②MRF技術可以拋光任意曲率半徑的凸曲面,但不能加工曲率半徑較小的凹曲面。另外應用MRF技術拋光時,由于材料的拋去量較小,對被修正表面的面形精度要求較高,一般精度在1~2波長之間。因此在應用MRF前,被拋光表面需要采用傳統工藝進行預拋光處理。4撞擊拋光技術離子束拋光技術是將離子源產生的離子進行加速聚焦后轟擊玻璃表面,使玻璃表面的原子被濺射,表面凸起部分的結合力弱,且迎受離子流的截面大,容易被濺射,而表面凹處與此相反,易于離子注入,從而將粗糙不平之處去除,得到光滑的表面。其特點是拋光時去除的玻璃表面厚度很小,一般只有幾個微米,特別適合于光學元件表面的加工。離子束拋光是一種典型的運用物理碰撞方法進行拋光的技術。該方法拋光設備比較復雜,一般主要由三部分組成:真空系統、離子源轉換系統,離子源。工件需放在真空系統中以保證離子束的強度和直線性;離子源轉換系統由五軸CNC系統控制離子束,以保證離子束能轟擊工件表面任何部件。離子束拋光的目的在于對工件表面的修正,由此工件首先要預拋光到一定精度,并對工件進行檢測;然后將工件表面等高、幾何參數等信息輸入處理程序中,計算出離子束轟擊的路徑、駐留時間等參數。離子束拋光就是由這些參數決定,用CNC控制來實現的。其示意圖如圖4所示。離子束拋光的加工范圍較廣,對尺寸沒嚴格控制。離子束拋光可獲得面形誤差λ/50,表面粗糙度Ra優于0.6nm的表面。與傳統的光學加工方法相比,離子束拋光方法具有以下優點:①可以原子量級實現材料確定性的超精密加工;②通過一次加工過程即可實現對面形誤差的完全修正,因此可以縮短制造周期;③對加工環境的振動、溫度及夾具的穩定性不敏感;④由于離子束研磨需在真空中進行,可將拋光與鍍膜過程在同一真空罐內進行;⑤不會因為特殊的工件形狀或復雜的面形修正過程而產生負面影響,同時在離子束研磨過程中也不會出現傳統拋光方法中易出現的塌邊、翹邊等邊緣效應。主要缺點是設備比較復雜,不利于推廣。5模壓成型非球面光學元件的工藝特點模壓成型技術是一種高精度光學元件加工技術,它是把軟化的玻璃放入高精度的模具中,在加溫加壓和無氧的條件下,一次性直接模壓成型出達到使用要求的光學元件。這項技術于上世紀80年代中期開發成功,現已成為國際上最先進的光學元件制造技術方法之一,在許多國家已進入生產實用階段。由于此項技術能夠直接壓制成型精密的非球面光學元件,為非球面玻璃光學元件廣泛應用創造了條件。目前批量生產的模壓成型非球面光學元件的直徑為2~50mm,直徑公差為±0.01mm;厚度為0.4~25mm,厚度公差為±0.01mm;曲率半徑可達5mm;面形精度為1.5λ,表面粗糙度符合美國軍標為80~50;折射率可控制到±5×10玻璃光學元件模壓成型技術是一項綜合技術,需要設計專用的模壓機床,采用高質量的模具和選用合理的工藝參數。成型的方法,玻璃的種類和毛坯,模具材料與模具制作,都是玻璃模壓成型中的關鍵技術。光學玻璃模壓成型法制造光學元件有如下優點:①工序較少,能直接使元件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度;②生產效率高,易實現精密非球面光學元件的批量生產;③可以模壓小型非球面透鏡陣列;④光學元件和安裝基準件可以制成一個整體。同時也存在以下不足之處:①要求對壓型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清潔并呈適當的幾何形狀;②玻璃透鏡壓型用的模具要求苛刻,難以加工,造價很高。6其它非球面加工技術上面介紹了幾種比較常用的玻璃材料非球面加工方法,分析了它們各