非球面光學(xué)零件超精密技術(shù)的全解析

　　非球面光學(xué)元件是指面形由多項(xiàng)高次方程決定、面形上各點(diǎn)的半徑均不同的光學(xué)元件。一般應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡及反射鏡，曲面型式多數(shù)為平面和球面，原因是這些簡(jiǎn)單型式的曲面加工、檢驗(yàn)容易，但是用在某些高度精密成像系統(tǒng)有一定的限度。雖然非球面的復(fù)雜曲面制造困難，但是某些光學(xué)系統(tǒng)中依然是需要的。采用非球面技術(shù)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，可消除球差、慧差、像散、場(chǎng)曲，減少光能損失，從而獲得高質(zhì)量的圖像效果和高品質(zhì)的光學(xué)特性。

　　1.1　非球面光學(xué)零件的作用

　　非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件可以獲得球面光學(xué)零件無(wú)可比擬的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，它能以一個(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量。

　　非球面光學(xué)零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外望遠(yuǎn)鏡、錄像機(jī)鏡頭、錄像和錄音光盤(pán)讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫(yī)療儀器等中。

　　1.2　國(guó)外非球面零件的超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀

　　80年代以來(lái)，出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有：

　　計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)和非球面復(fù)印技術(shù)等，這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的問(wèn)題。前四種方法運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)。

　　進(jìn)行非球面零件加工時(shí)，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑等因素，對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點(diǎn)金剛石切削（SPDT）的方法進(jìn)行超精加工，對(duì)于玻璃或塑料等，當(dāng)前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生產(chǎn)非球面零件，對(duì)于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過(guò)超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進(jìn)行加工的，另外．還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。

　　國(guó)外許多公司己將超精密車(chē)削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A（H）都具有復(fù)合加工功能，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。

　　1.3　我國(guó)非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀

　　我國(guó)從80年代初才開(kāi)始超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了20年。近年來(lái)，該項(xiàng)工作開(kāi)展較好的單位有北京機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。

　　為更好的開(kāi)展對(duì)此項(xiàng)超精密加工技術(shù)的研究，國(guó)防科工委于1995年在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所首先建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

　　2、非球面零件超精密切削加工技術(shù)

　　美國(guó)Union Carbide公司于1972年研制成功了 R―θ方式的非球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺(tái)具有位置反饋的雙坐標(biāo)數(shù)控車(chē)床，可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角θ和半徑 R，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)φ380mm，加工工件的形狀精度為±0.63μm，表面粗糙度為Ra0.025μm。

　　摩爾公司于1980年首先開(kāi)發(fā)出了用3個(gè)坐標(biāo)控制的M―18AG非球面加工機(jī)床，這種機(jī)床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡。

　　英國(guó) Rank Pneumo公司于1980年向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床（MSG―325），該機(jī)床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡，加工工件形狀精度達(dá) 0.25-0.5μm，表面粗糙度 Ra在0.01-0.025μm之間。隨后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開(kāi)發(fā)出Nanoform600，該機(jī)床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡，加工工件的形狀精度優(yōu)于0.1μm，表面粗糙度優(yōu)于0.01μm。