非球面加工与检测

非球面加工与检测技术

郭培基

苏州大学现代光学技术研究所

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主要内容

非球面概述

非球面加工

非球面检测

大口径非球面反射镜在空间和天文上的应用苏州大学的工作

一、非球面概述

广义非球面：不能用球面定义描述的面形（即不能用一个半径确定的面形），其中有旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面；有关于轴对称的面形；有排列有规律的微结构阵列；有包含衍射结构的光学表面；还包含形状各异的自由曲面。

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一、非球面概述

狭义的非球面主要指是旋转对称的非球面，能够用含有非球面系数的高次多项式来表示，其中心到边缘的曲率半径连续发生变化。

离轴非球面是旋转对称非球面的一部分，但其所在部分的中心轴与旋转对称轴有偏离。

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一、非球面概述

当高次项系数都为零时，上式只有第一

项，为常用二次曲面

k >0

k =10k −<<1

k =−1

k <−扁圆(也称扁椭圆)圆椭球面抛物面

双曲面

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一、非球面概述

光学系统应用非球面可易于校正除场曲外的各种单色像差。如：在光阑附近使用可校正各带的高级球差，在像面

前或离光阑较远的位置使用可校正像散和畸变。

球面透镜非球面透镜

一、非球面概述

系统中采用非球面，可简化系统结构、提高系统性能(如相对孔径、视场角、光照均匀性、成像质量等)。

17世纪，非球面就应用于反射望远系统中

来校正球差，之后，在一些像质要求不高的系统，如照明器中的反射、聚光、放大等系统中

也开始用非球面。

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一、非球面概述

随光学加工工艺和检测技术的提高，非球面光学元件已在国防、空间科学、核能以及一些工业、民用领域获得了广泛应用。

高精度：军用航空航天系统、空间遥感测绘、光学数据存储、光刻、激光核聚变的光学系统等

中精度：红外探测、照相设备及视频成像系统（尤其变焦距镜头）、投影电视、医用内窥镜、光纤系统、扫描仪、打印机等。

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制造困难：1、加工工艺2、检测

原因

:

非球面一般只有一根对称轴，而球面有无数对称

轴，球面加工时的对研方法很难用；

非球面表面各点曲率半径不同，而球面各点相同，所以面形不易修正，干涉检测困难。

非球面广泛应用的障碍

一、非球面概述

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二、非球面加工

加工方法按其特点可大致分成三类：

（1）材料去除加工法（Material Removal

Process,简称MRP）是采用研磨、切削及能量束抛光等手段去除零件表面材料，使零件表面质量达到指标要求。该方法主要包括传统的研磨抛光法以及计算机控制加工法。

传统的研磨抛光法是目前国内非球面光学零件

的主要加工方法之一。

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二、

非球面加工

计算机控制加工法通常包括计算机数控磨（车）

削、数控研（抛）两类。

其中数控磨（车）削主要指数控铣磨和数控单点

金刚石车削；

数控研（抛）主要包括数控小工具研抛、应力盘研抛、离子束抛光、等离子体辅助抛光以及近几年来刚刚发展起来的磁流变抛光、液体喷射抛光等。

二、非球面加工

（2）变形加工法主要包括应力变形法、热压成形法、光学玻璃透镜模压成形法及光学塑料注射成形、铸造成形和压制成形等。

（3）附加加工法是在光学元件的表面附加一层材料，使之形成所要求的非球面形状，主要包括真空镀膜法和复制成形法。

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14二、非球面加工

传统的研磨抛光

利用抛光盘与工件表面的相对滑动，借助抛光液及混与其中的磨料粒子与工件表面之间的机械化学和物理作用实现工件表面材料的去除。

该方法一般首先加工该非球面的最接近球面，视非球面与最接近球面的最大偏离量确定从哪一道工序开

始把球面修改成形非球面。D/2

h Y Z

最接近球面

非球面

非球面与其最接近球面

a b

二、

非球面加工

非球面数控铣磨

利用精密砂轮在数控设备上直接把毛坯铣磨成为符合面形方程要求的非球面，铣磨时切削点相对工件做理想表面形状的扫描运动，可用于光学玻璃等脆硬材料的加工，铣磨结束后基本上都要经过抛光才能得到符合光学反射面

要求。

德国SatisLoh公司设备

铣磨后的精度可达到

1 um

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二、非球面加工

非球面数控铣磨

杯形磨轮碟形磨轮

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二、

非球面加工

单点金刚石车削技术

加工的材料主要有：有色金属、塑料和红外光学晶体等。

采用特殊刀具和工艺也可加工玻璃、钛、钨等材料。

特点是生产效率高、加工精度高、重复性好。

美国莫尔公司设备

面形可优于0.1μm

二、非球面加工

车削刀是单点

金刚石车削技术的关键之一

材料:天然单晶金刚石，其优点：

硬度非常高，磨损率低；

能磨出极锋利的刀刃，刃口半径ρ值可以极小，能实现超

薄厚度切削；

摩擦系数小、导热性好，产生的热量容易散失；

热膨胀系数小，易于使刀具几何形状在加工过程中保持不变，面形精度容易控制；

化学性质比较稳定、不易腐蚀，而且切削屑不易堆积。

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