非球面光学元件超精密加工技术分析
非球面光学元件是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不同的光学元件。一般应用在光学系统中的透镜及反射镜，曲面型式多数为平面和球面，原因是这些简单型式的曲面加工、检验容易，但是用在某些高度精密成像系统有一定的限度。虽然非球面的复杂曲面制造困难，但是某些光学系统中依然是需要的。采用非球面技术设计的光学系统，可消除球差、慧差、像散、场曲，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。
1、概述
1.非球面光学元件的作用
非球面光学元件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学元件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。
非球面光学元件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。
1.2 国外非球面元件的超精密加工技术的现状
80年代以来，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：
计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的问题。前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。
进行非球面元件加工时，要考虑所加工零件的材料、形状、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外.还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。
国外许多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如Rank Pneumo公司生产的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。
1.3 我国非球面元件超精密加工技术的现状
我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。
为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。
2、非球面元件超精密切削加工技术
美国Union Carbide公司于1972年研制成功了 R―θ方式的非球面创成加工机床。这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角θ和半径 R，实现非球面的镜面加工。加工直径达φ380mm，加工工件的形状精度为±0.63μm，表面粗糙度为Ra0.025μm。
摩尔公司于1980年首先开发出了用3个坐标控制的M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工直径356mm的各种非球面的金属反射镜。
英国 Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈控制的两轴联动加工机床(MSG―325)，该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加工工件形状精度达 0.25-0.5μm，表面粗糙度 Ra在0.01-0.025μm之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床，该公司又在上述机床的基础上，于1990年开发出Nanoform600，该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜，加工工件的形状精度优于0.1μm，表面粗糙度优于0.01μm。
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)实验室于1984年研制成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，重达4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面粗糙度Ra0.0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红外线装置用的零件和大型天体反射镜等。
英国 Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切削机床，可以加工大型 X射线天体望远镜用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm，最大长度为600mm的圆锥镜)。该研究所还研制成功了可以加工用于 X射线望远镜内侧回转抛物面和外侧回转双曲面反射镜的金刚石切削机床。
日本开发的超精密加工机床主要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜，目前日本制造的加工机床有：东芝机械研制的 ULG―l00A(H)不二越公司的 ASP―L15、丰田工机的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球面加工机床等。
3、非球面元件超精密磨削加工技术
3.1 非球面元件超精磨削装置
英国 Rank Pneumo公司1988年开发了改进型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300机床，这些机床不仅能够进切削加工，而且也可以用金刚石砂轮进行磨削，能加工直径为300mm的非球面金属反射镜，加工工件的形状精度为0.3-0.16μm，表面粗糙度达Ra0.01μm。最近又推出 Nanoform250超精密加工系统，该系统是一个两轴超精密 CNC机床，在该机床上既能进行超精密车削又能进行超扬密磨削.还能进行超精密抛光。最突出的特点是可以直接磨削出能达到光学系统要求的具有光学表面质量和面型精度的硬脆材料光学零件。该机床采用了许多先进的 Nanoform600、Optoform50设计思想，机床最大加工工件直径达250mm，它通过一个升高装置使机床的最大加工工件直径达到450mm，另外通过控制垂直方向的液体静压导轨(Y轴)还能磨削非轴对称零件，机床数控系统的分辨率达 0.001μm，位置反馈元件采用了分辨率为8.6nm的光栅或分辨率为1.25nm的激光干涉仪，加工工件的面型精度达0.25μm，表面粗糙度优于 Ra0.01μm。
Nanocentre250、 Nanocentre600是一种三轴超精密 CNC非球面范成装置，它可以满足单点和延性磨削两个方面的使用要求，通过合理化机床结构设计、利用高刚度伺服驱动系统和液体静压轴承使机床具有较高的闭环刚度， x和 Z轴的分辨率为1.25nm，这个机床被认为是符合现代工艺规范的。 CUPE生产的 Nanocentre非球面光学零件加工机床，加工直径达600mm.面型精度优于0.1μm，表面粗糙度优于 Ra0.01μm。 CUPE还为美国柯达公司研究、设计和生产了当今世界上最大的超精密大型 CNC光学零件磨床"0AGM2500"，该机床主要用于光学玻璃等硬脆材料的加工，可加工和测量2.5m×2.5m×0.61m的工件，它能加工出2m见方的非对称光学镜面，镜面的形状误差仅为1μm。
日本丰田工机研制的 AHN60―3D是一台 CNC三维截形磨削和车削机床，它能在 X、 Y、和 Z三轴控制下磨削和车削轴向对称形状的光学零件，可以在 X、 Y和 Z轴二个半轴控制下磨削和车削非轴对称光学零件，加工工件的截形精度为0.35unl，表面粗糙度达 Ra0.016μm。另外东芝机械研制的 ULG―100A(H)超精密复合加工装置，它用分别控制两个轴的方法，实现了对非球面透镜模具的切削和磨削，其 X轴和 Z轴的行程分别为150mm和100mm，位置反馈元件是分辨率为0.01μm的光栅。
3.2 非球面光学元件的 ELID镜面磨削技术
日本学者大森整等人从1987年对超硬磨料砂轮进行了研究，开发了使用电解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，实现了对硬脆材料高品位镜面磨削和延性方式的磨削，现在该方法己成功的应用于球面、非球面透镜、模具的超精密加工。
① ELID镜面磨削原理
ELID磨削系统包括：金属结合剂超微细粒度超硬磨料砂轮、电解修整电源、电解修整电极、电解液(兼作磨削液)、接电电刷和机床设备。磨削过程中，砂轮通过接电电刷与电源的正极相接，安装在机床上的修整电极与电源的负极相接，砂轮和电极之间浇注电解液，这样，电源、砂轮、电极、砂轮和电极之间的电解液形成一个完整的电化学系统。
采用 ELID磨削时，对所用的砂轮、电源、电解液均有一些特殊要求。要求砂轮的结合剂有良好的导电性和电解性、结合剂元素的氢氧化物或氧化物不导电，且不溶于水，ELID磨削使用的电源，可以采用电解加工的直流电源或采用各种波形的脉冲电源或直流基量脉冲电源。在 ELID磨削过程中，电解液除作为磨削液外，还起着降低磨削区温度和减少摩撩的作用，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全属基结合剂砂轮的机械强度高，通过设定合适的电解量，砂轮磨损小。同时能得到高的形状精度。应用这个原理，能实现从平面到非球面，各种形状的光学元件的超精密镜面磨削。
②ELID镜面磨削实验系统
在 Rank Pneumo公司的 ASG―2500T机床上，装上由砂轮、电源、电极、磨削液等组成大森整 ELID系统毛坯粗成形加工时使用400#、半精加工时使用1000#或2000#、作镜面磨削时使用4000#(平均粒径约为4μm)或8000#(平均粒径约为2μm)的铸铁结合剂金刚石砂轮，电解修锐电源(ELID电源)，使用的是直流高频脉冲电压式专用电源，工作电压为60V，电流为 lOA。所用的磨削液，使用时要求用纯水将水溶性磨削液 AFH―M和 CEM稀释50倍。
③ ELID镜面磨削实验方法和实验结果
作非球面加工时，通过安装在工件轴上的碗形砂轮(325#铸铁结合剂金刚石砂轮为φ30×W2mm)进行平砂轮的只成形体整，作10min的电解初期修锐之后，经过400#的粗磨和1000#的半精加工，最后再用4000#进行 ELID镜面磨削，在超精密非球面加工机床上，借助 ELID磨削技术，成功地加工出了光学玻璃 BK―7非球面透镜。面型精度达到优于 0.2μm，表面粗糙度达Ra20nm，而对于稍软如 LASFN30和Ge等材料的非球面加工，同样能达到面型精度优于 0.2-0.3μm，表面粗糙度达 Ra30nm。
4、非球面元件的超精密抛光(研磨)技术
超精密抛光是加工速度极慢的一种加工方法。不适合形状范成法加工，近年来，由于短波长光学元件、OA仪器和 AV机器等的飞速发展，对零件的表面粗糙度提出了更高的要求，到目前为止还没有比超精密抛光更好的实用的方法，尤其当零件的表面粗糙度要求优于 0.0lμm时，这种方法是不可缺少的，对形状精度要求很高的工件，如果采用强制进给的方法进行切削或进行磨削时，其形状精度将直接受到机床进给定位精度的影响，达到所在反应，并由此引起的加工作用，在工件表面上存在同样微小凹的部分，在一般情况下，只能获得波纹起伏较大的表面。
日本大阪大学工学部森勇芷教授等人利用 EEM开发了一种三轴(x、 z、 C)数控光学表面范成装置，利用该装置加工时，一边在工件表面上控制聚胺脂球的滞留时间，一边用聚胺脂球扫描加工对象的物全领域，利用该装置能加工高精度的任意曲面。
5、非球面元件等离子体的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技术
目前广泛采用的切削、研磨、抛光等机械加工方法，由于加工材料中存在微细裂纹或结晶中的品格缺陷等原因，无论怎样提高加工精度，改进加工装置，总存在一定的局限性，为此，日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气体加工的新的加工工艺方法，称为等离子 CVM法，这是一种利用原子化学反应，获得超精密表面的一种技术，其加工原理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表面原子起反应，将之变成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，能够生成密度非常高的游离基，所以这种加工方法能达到与机械加工方法相匹敌的加工速度。
在高压力下，由于气体分子的平均自由行程极小，等离子体局限在电极附近。所以可以通过电极扫描，加工出 0.01μm精度的任意形状的零件，另外可以以50μm/min的速度加工单晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可达0.1nm(Rrms)。
下个世纪，在硅芯片加工和半导体曝光装置用的非球面透镜加工等很多领域中，将应用 CVM技术，当前有人正在研究通过 CVM和 EEM的组合，加工同步加速器用的 X射线反射镜等原子级平坦的任意曲面。
6、非球面元件复制技术
用控制除去厚度的抛光(研磨)方法能够制造出高精度的非球面零件，但和一般的光学零件加工方法相比，这种方法的加工效率很低，解决这个问题的方法之一有复制技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术能够制造一部分非球面透镜。塑料透镜注射成形是将熔化的树脂注入模具内，一边施加压力，一边冷却固化的加工方法，这种方法能够进行廉价、大批量生产，但存在塑料自身的某些问题，如温度变化、吸湿导致透镜折射率的变化。
玻璃的模压成形是代替切削、磨削、研磨加工透镜、棱镜的最佳的小型零件大批量生产方法。模压成形技术是将模具内的温度控制在冲压的玻璃转移温度以上p软化温度以下，在模具内，进入有流动性的玻璃，加压成形，并且保持这种状态20s以上，直到成形了的玻璃温度分布均匀化，将模具的形状精度作到0.1 μm，表面粗糙度作到0.01μm以下，在上述条件下加压成形，能加工出和模具精度相近的零件。