非球面加工与检测
非球面镜片的精密加工光学镜片的加工及检测
2.6 定心磨边
定中心是完工的玻璃或晶体零件在磨边 时所需要的一道工序，其目的是使每一个球面 的曲率中心同轴 。
2.6 定心磨边
定心方法
一种大物镜定中心的特殊装置，并可同时检查中心偏差
松香蜂蜡胶上盘法
优点是操作简便，缺点是平行度精度不高，也不适用于面形精度 要求较高的薄片。
荷重 工件 粘结模
工件 粘结模
方法一
方法二
2.3 上 盘
点胶上盘法
优点是可获得较好的面形和平行度。缺点是承受不了高速高压 的加工条件，易“走动” 。
工件 软胶点 粘结模
工件 火漆点 粘结模软点胶粘结 Nhomakorabea硬点胶（火漆）粘结
2.1 开料成形——磨外圆
磨外圆
2.2 粗 磨
粗磨平面 粗磨棱镜和斜面 粗磨球磨
2.2粗磨——平面
散粒磨料多片加工
散粒磨料单片加工
2.2粗磨——平面
双面加工
2.2粗磨——平面
LOH公司SPM平面铣磨机
2.2粗磨——棱镜和斜面
铣磨棱镜和斜面的准直夹具
制造精密的反射角及 小平面棱镜需要这种夹具
1、细磨时间不够 2、砂号选择不当 3、上道砂磨后的面形不合适
1、磨料添加不均匀 2、磨料堆集在镜盘边缘
1、对磨料应复检或试用 2、磨料悬浮液应浓淡适当 3、新加工的模具应用细磨料对研 4、做好工作环境的清洁工作
1、磨去量要足够 2、两道磨料磨号间隔不要太多 3、每道磨料都应从镜盘边缘磨起
1、添磨料时应用毛刷均匀散开 2、模具表面开槽
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12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。
3一、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。
46一、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 >0k =10k −<<1k =−1k <−扁圆(也称扁椭圆)圆椭球面抛物面双曲面7一、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。
8一、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。
9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。
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验光学非球面的设计、加工与检验是现代光学技术领域的重要内容。
非球面镜头是一种光学元件，其曲率半径不是球形，可以用于改变光路、调整成像质量和改善成像形态等方面。
在非球面镜头的设计过程中，需要充分考虑光线的折射和反射，
以及材料的折射率和色散等因素。
设计师需要采用先进的光学软件进
行模拟优化，不断调整镜片形状和参数，以达到最优光学效果。
加工非球面镜头是一个复杂而精密的过程。
需要采用高精度加工
设备和技术，以确保镜片的形状和表面质量。
在加工过程中需要考虑
到材料的特性，如可加工性、耐磨性和耐腐蚀性等，并进行合理的质
量控制。
镜片检验是保证光学精度的关键步骤。
可以采用光学检测设备进
行检验，如干涉仪、激光测量仪等。
通过检验，可以了解镜片表面的
误差和偏差，从而进行调整和改进，提高光学成像质量和精度。
总之，非球面镜头的设计、加工和检验是一个紧密相连的过程，
需要充分考虑光学原理和技术要求，并采用先进的设备和技术手段，
以确保光学元件的高质量和高性能。
非球面镜片的鉴别方法
非球面镜片的鉴别方法非球面镜片是一种在制造过程中通过对普通球面镜片进行加工，使其在特定方向上的曲率半径不等于在垂直方向上的曲率半径的镜片。
在实际应用中，非球面镜片广泛应用于光学仪器、眼镜、摄影镜头等领域。
鉴别非球面镜片的方法如下：1.观察光线反射：使用一束平行光线照射在非球面镜片上，观察光线的反射情况。
如果光线在镜片的表面上反射时发生了折射，即光线在不同方向上的角度不相等，则可以判断镜片为非球面镜片。
2.检查曲率半径：使用曲率半径检测仪或者显微镜等设备，对非球面镜片的曲率半径进行测量。
根据非球面镜片的制造过程，非球面镜片在特定方向上的曲率半径会与垂直方向上的曲率半径不同。
3.检查反射像差：反射像差是指光线经过非球面镜片反射后所产生的像差。
通过观察反射像差的大小和分布情况，可以初步判断镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片在设计和加工过程中可以通过调整曲面形状来减小或消除反射像差。
4.检查折射像差：折射像差是指光线经过非球面镜片折射后所产生的像差。
通过观察折射像差的大小和分布情况，可以进一步确认镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片通过改变曲率半径来控制折射像差的大小和方向，从而提高光线的聚焦能力和像质。
5.查看制造工艺：通过查看非球面镜片的制造工艺资料，了解镜片的设计和加工过程，可以确认镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片的制造过程通常包括球面镜片的加工、抛光和涂膜等步骤，其中会涉及到特定的加工设备和工艺技术。
综上所述，通过观察光线反射、检查曲率半径、检查反射像差和折射像差，以及查看制造工艺，可以对非球面镜片进行鉴别。
准确的鉴别非球面镜片对于确保光学仪器和眼镜等设备的性能和质量至关重要。
光学加工过程中高次非球面的三坐标测量数据处理
光学加工过程中高次非球面的三坐标测量数据处理光学加工中的高次非球面形状通常不能通过传统的球面测量方法进行测量，而需要使用更先进的三坐标测量技术。
三坐标测量能够在X、Y、Z三个方向同时测量物体表面的形状和位置信息，可以获得非球面形状的三维坐标数据，进而进行进一步的数据处理和分析。
在光学加工过程中，高次非球面的三坐标测量数据处理通常包括以下几个步骤：1.数据采集：使用三坐标测量仪器对工件的表面进行测量，获取大量的数据点。
根据测量仪器的精度和分辨率，可以选择不同的测量密度和采集速度，以获得满足要求的测量数据。
2.数据处理：将采集到的数据点转化为三维坐标数据，并对数据进行清洗和滤波处理，去除测量误差和噪声。
常用的数据处理方法包括滤波算法、插值算法和拟合算法等，可以根据实际情况选择合适的算法进行处理。
3.数据拟合：由于高次非球面的形状复杂，无法用简单的数学模型来描述。
因此，需要选择合适的曲面拟合算法，将测量数据拟合为一个合适的曲面模型。
常用的拟合算法包括最小二乘拟合算法、高阶拟合算法和样条曲线拟合算法等。
4.数据分析：通过对拟合后的曲面模型进行分析，可以获得高次非球面的重要几何参数，如曲率半径、偏心距和面形误差等。
这些参数可以用于评估加工质量和确定后续修磨或矫正加工的策略。
5.数据修正：根据分析结果，可以对加工过程进行修磨或矫正。
修磨是指通过磨削加工，调整工件表面的形状和位置，以达到要求的非球面形状。
矫正是指通过附加补偿元件或曲面矫正加工，对错误的非球面进行修正，使其符合要求。
6.数据反馈：将修正后的加工参数反馈给光学加工设备，进行下一轮的光学加工。
通过反复的测量、分析和修正，逐步获得满足要求的高次非球面形状。
总之，高次非球面的三坐标测量数据处理是光学加工中非常重要的一环，能够为加工过程的控制和优化提供关键信息。
通过合理的数据采集、处理、拟合和分析，可以有效地实现高次非球面的测量和修正，提高加工精度和质量。
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面（aspherical）的设计、加工与检验是光学领域中非
常重要的主题。
与球面镜不同，非球面镜的曲率半径是不同的，从而
可以实现更复杂的光路设计，使得像差和畸变得到校正。
首先，非球面镜的设计通常采用光学设计软件，如Zemax、Code
V等。
设计师需要根据系统的要求，选择合适的非球形曲率，并进行优化，以达到更好的成像质量。
此外，许多非球面元件是自由曲面，其
形状没有数学解析式，因此需要进行参数化建模，并通过优化算法，
对设计进行特定的目标函数的优化。
然后，非球面镜的加工也有其特殊性。
传统的机械加工难以精确
地制造复杂曲率的非球面，因为这需要超高精度的加工设备和领域专
家的卓越技能。
目前，许多先进的加工技术已经得到应用，例如电解
抛光、激光抛光等。
这些高效、高精度的加工技术，使得制造非球面
镜变得更加容易和可行。
最后，非球面镜的检验也是必不可少的。
由于非球面曲率形状是
非常复杂的，无法被通用的球差检验方法所测量。
因此，许多特殊的
检验方法已经被提出。
例如干涉法、投影法、衍射法等。
这些方法可
以精确地测量非球面镜的曲率和形状，确保其具备高精度的成像功能。
综上所述，非球面光学元件的设计、加工以及检验是光学领域的
重要组成部分，对于现代光学系统的优化和实用化起到了关键性的作用。
非球面轮廓测量与分析
a is the indexed Polynomial Coefficient a为多项式系数
C is the reciprocal of the Base Radius C为基圆半径的倒数
K is the Conic Constant of the Surface K为二次常数
Xp是指非球面光轴到轮廓最高点之间的距 离。
非球面参数简介
• Xt:
Xt is the distance of the aspheric axis from the measured data.
Xt是指非球面光轴到测量起始点之间的距 离。
非球面参数简介
• Xv:
Xv is the distance of the lowest valley from the aspheric axis .
6) Residual Error After Form Removal 形状去除之后的残余误差
+Z 轴
Aspherics axis 非球面轴线
+X 轴
-X轴
D=B-C(Residual error after
absolute aspheric form removal)
-Z 轴
去除绝对形状后的残余误差
• 之所以称为“锥面”项，是由于我们可以用 不同方位的面与圆锥相切可以得到以上表面
基本形式：球面(K=0)
相切面平行于圆锥底面
圆的标准方程: x2 y2 R2 (R 0)
基本形式：抛物面(K=-1)
相切面平行于圆锥侧面
抛物线标准方程 : y2 2 px或y2 2 px或 x2 2 py或x2 2 py( p 0)
光学塑料的非球面加工
•光学塑料零件的注射成型技术 ：
• 注射成型的光学塑料透镜，均为一次注射成型。它要求 透明度极高，这就给注射成型造成了一定困难。因此，对于注 射成型光学塑料制品模具的结构设计、材质选择以及制造精度 等都提出了较高的要求。
•光学塑料非球面技术的发展趋势
• 近几年来，我国光学制造企业在光学塑料非球面，特 别是小尺寸非球面零件的制造技术方面，有很大的进步。但 随着新产品和新技术的发展，仍然在制造设备和技术的提高 等方面有巨大的发展空间。 •
•非球面与球面的区 别：
• 所谓球面和非球面,主要是针对各种光学仪器的镜头或 者眼镜的镜片几何形状而言。球面是一种旋转曲面,球面上每 一点的曲率半径是相同的。
•（2）可以设计非常复杂的形状 • 光学玻璃零件很难研磨和抛光成球面和平面以外的形状 。然而用注射成型的方法，光学塑料可以很容易且经济地制 造成非球面、微透镜阵列、菲涅耳透镜等面形复杂的零件。
•
•（3）重量轻、耐冲击 • 光学塑料的密度仅为玻璃的1/2~1/3，因此可以减轻系 统的重量。光学塑料的耐冲击强度要比玻璃高得多。
•光学塑料零件的检 验•三、塑料透镜的曲率半径检
验
• 制造塑料光学零件必须 检检其面型精度。由于塑料光 学元件表面硬度低，接触式检 测易划伤其表面是表面变形。 因此塑料透镜面形检测必须是 非接触度的。图为一种检验塑 料透镜的曲率半径的仪器结构 示意图，可以依据成像质量定 性判别表面的完善程度。
•光学塑料零件的表面镀膜
•非球面的种类 ：
•非球面光学曲面包括有回转轴的回转非球面（如抛物面 、椭球面、渐开面、双曲面等二次曲面以及高次曲面） 。
非球面光学元件加工及检测技术综述
去 除材 料 加 工法 是 一 种 在原 始 毛 坯 （ 接 近 非球 面
２ ． ２ 热复 制成 型技 术
光学玻璃在室温下脆而硬 ， 去除材料加工法生产
效 率和工 艺稳 定性 无 法满 足迅 速发展 的行 业需 求 。高 温 下玻 璃 是 一种 典 型 的黏 弹 性材 料 ， 具 有 良好 的型 面 复 制性 ， 鉴 于此研 究者 开发 了非 球面 热复 制成 型技术 ，
Ｕ Ｌ Ｐ一 １ ０ ０ Ａ（ Ｈ ） ， 英 国克 兰菲 尔 德 精 密工 程 研 究所 （ Ｃ Ｕ Ｐ Ｅ） 研制的 Ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ， 其可 以加工大型Ｘ 线天体 望远镜用的非球 面反射镜 （ 最大直径可达 １ ４ ０ ０ ｍ ｍ， 最大 长度为 ６ ０ ０ ｍ ｍ的圆锥镜） 、 中国航空工业第一集
的球 面 ） 上利用磨 、 抛等手段去除一定量材料后得到 目标非球 面的方法 。早期加工方法主要通过操作者 手工 完成 ， 需 要加工者 具有较 高 的技术 及丰 富的经 验， 加工效率低 ， 且容易 出错 ， 其主要工序包括铣磨成
形、 研磨 、 Βιβλιοθήκη 光等 ， 通 常称 为经 典研 抛法 。
第２ 期
张小兵 ： 非球面光学元件加工及检测技术综述
于曲率半径是 变化的 ， 只有一根对称轴 线 ， 无法应用 球面零 件的磨轮包 络线 的范成法加工 ， 而且面形不易 修正 、 检测 困难 ， 特别是高次非球面与 自由曲面加工
光学非球面新型检测原理与技术
光学非球面新型检测原理与技术嘿，大家知道吗？在光学的奇妙世界里，有个超厉害的东西叫光学非球面新型检测原理与技术呢！想象一下，我们的眼睛就像是超级精密的光学仪器，能看到五彩斑斓的世界，而光学非球面就是让我们能看得更清晰、更准确的关键之一。
那这个检测原理与技术到底是怎么回事呢？简单来说，就好像我们要去检查一个特别复杂的拼图是不是完整无缺。
我们需要非常仔细地去观察每一个小块，看看它们是不是都在正确的位置上，有没有缺失或者变形。
光学非球面的检测也是这样，要对那些曲面进行超级精细的“扫描”，确保它们的形状和性能都符合要求。
比如说，就像我们在挑选一个完美的足球，我们要看看它的表面是不是光滑，有没有凹凸不平的地方。
如果有，那这个足球踢起来可能就不那么顺手啦！同样的道理，光学非球面如果有一点点瑕疵，都会影响到整个光学系统的表现哦。
在这个检测过程中，有各种各样的技术和工具就像我们的小助手一样。
它们能帮助我们发现那些微小的问题，就像放大镜能让我们看清蚂蚁身上的细节一样。
而且，这些技术还在不断进步和发展呢，就像我们的手机不断更新换代一样，变得越来越厉害。
想象一下，如果没有这些先进的检测原理与技术，我们的眼镜可能就没那么清晰，相机拍出来的照片可能就没那么美，那些高科技的光学设备可能就没法正常工作啦。
所以啊，光学非球面新型检测原理与技术可真是太重要啦，它们就像是光学世界里的守护天使，让一切都变得更加
美好和清晰呢！。
小型光学非球面精密检测技术研究的开题报告
小型光学非球面精密检测技术研究的开题报告一、题目：小型光学非球面精密检测技术研究二、研究背景：随着科技的发展，小型化、轻量化已经成为了各个领域的趋势，对于光学器件也不例外。
小型化的光学器件通常采用非球面加工，以提高光学性能和降低重量。
而如何精确检测非球面光学器件的表面形貌已经成为了制造高精度光学器件的关键技术之一。
传统的检测方法通常需要大型设备和复杂的操作流程，不适用于小型光学器件的制造过程。
因此，研究小型光学非球面精密检测技术对于推动小型化、轻量化光学器件的发展具有重要意义。
三、研究目的：本项目旨在研究小型光学非球面的精密检测技术，解决小型非球面光学器件表面形貌检测难题，提高小型化光学器件的制造精度和可靠性。
四、研究内容：1. 研究小型光学非球面的表面形貌特征。
2. 研究小型光学非球面表面形貌的精密测量方法，探索小型非球面光学器件的表面形貌检测技术。
3. 建立小型光学非球面的表面形貌检测模型，探索数学模型在非球面表面形貌检测中的适用性，并提出相应的算法。
4. 搭建小型光学非球面表面形貌检测系统，验证研究成果并进行实验分析。
五、研究方法：本项目主要采用实验研究和理论分析相结合的方法进行。
1. 实验研究：利用表面形貌测量仪等设备对小型光学非球面进行表面形貌检测，获取非球面的表面形貌数据。
2. 理论分析：综合应用数学、物理等学科的理论分析，探究小型光学非球面表面形貌测量的数学模型和检测算法。
六、研究意义：本项目研究成果可为小型光学器件的制造提供关键技术支持，有助于推进小型光学器件的发展和应用。
同时，研究成果也将对提高国内光学制造技术和水平起到一定的示范和促进作用，对于推动我国光学产业的发展具有重要意义。
七、预期成果：本项目预期取得以下成果：1. 研究小型光学非球面的表面形貌特征，深入探讨小型光学非球面表面形貌检测技术关键问题，建立小型光学非球面表面形貌检测模型，并提出相应的算法。
2. 搭建小型光学非球面表面形貌检测系统，验证研究成果并进行实验分析。
非球面光学元件加工检测方法的研究
工件 轴转 速 ：３ ０ｒ ｎ ０ ｍｉ ／
精 密制 造与 自动 化
２ １ 年 第 ２期 ０２
当标 尺光 栅 的移动 方 向变 换 时 ，莫 尔条 纹 的移动方
向也跟着 变换 。
值 与命令值 相等差值为零或接近于零时停止移动 。
光学 元件 的加 工系统 主要 由电气 控 制系统 、伺
图 １ 机床 总体结构 图
１２ 系统加工原理 ．
在 高精度 非球 面磨 削加 工 中，可 以使用平 面砂
轮 、 圆弧砂轮 、球 面砂轮 进行 加工 。 目前平 面砂轮 只能加 工 凸面 非球 面 ，如果用 其加 工 凹面非 球面会 产 生干 涉 ；而 圆弧 砂轮 可 以加工 的凹面 部分 ，基础 半径应 该 比该 圆弧 砂轮 的圆 弧部分 半径 （ 面砂轮 球 可 以加 工 的凹面基 础半 径必 须 比该砂轮 半径 大 ）但 。 由于 圆弧砂 轮和球 面砂 轮 的修整相 对 于平面 砂轮 的
小 ，故要求 在精 磨阶 段对表 面 的顶 点 曲率 半径和 偏
心 率进 行严 格地控 制 。要保 证精 磨阶段 的精 度就 必 须 对 一次加 工后 工件 的面 形进行 精密地 测量 ，测 量 结果 经过数 据 处理后 用来 指导 补偿加 工 ，需要 反复
Ｃ轴 ｙ 轴
经 过 “ 工 一检 测 一再加 工 一再检测 ”才 能达 到精 加
轴 电 机
１ Ｔ６ ６ —ＡＦ １４ Ｆ ０ ４ １ Ｔ －ＡＧＩ
Ｙ 轴 电 机
１ Ｔ６ ６ ．Ａ Ｆ １４ Ｇ Ｆ ０ ４ Ｉ ７ —Ａ
图６ Ｘ轴、ｌ轴 伺服 系统连接 图 ，
图 ５ （）所 示的尖 脉冲 ，再 送入控 制 装置 。若 只将 ｃ
光学非球面的超精密加工技术及非接触检测
华南理工大学学报(自然科学版)第32卷第2期J our nal of Sout h China U niversity of TechnologyV ol.32 N o.22004年2月(Natural Science Edition )February 2004文章编号:1000565X (2004)02009405光学非球面的超精密加工技术及非接触检测谢 晋(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘 要:针对亚微米级及亚微米级以下的光学硬脆性非球面器件难加工问题,分析了光学非球面的形状精度和应用,讨论了其超精密加工原理和方法及非接触检测手段.结果表明,精密数控机床、硬脆性材料延性域加工原理和超精密检测是光学非球面超精密加工的技术保证.关键词:非球面;超精密加工;光学器件;非接触检测;单点金刚石切削;弧形金刚石砂轮中图分类号:T G 58 文献标识码:A 收稿日期:20031022 作者简介:谢晋(1963-),男,博士,副教授,主要从事磨削及精密加工的研究.E-mai :jinxie @ 长期以来,光学球面镜头存在色像差的问题,如图1(a )所示.要构成高性能的光学系统,往往采用多枚镜头.20世纪30年代,为了消除这种色像差,研究人员提出并发明了非球面镜头,如图1(b )所示.但是,几个世纪以来的传统切削、磨削和抛光方法无法加工非球面产品,而只有利用数控机床才能有效地实现非球面的加工.19世纪70年代至80年代,应用于投影仪、显微镜、照相机、CD 读写装置和激光加工机等领域的民用光学产品开始朝着高性能、大口径化和小型化等方向快速发展,工业上开始生产非球面光学部件.目前,一些主要的非球面光学器件及其应用领域如表1所示,从该表中可以看出,大部分光学非球面器件材料为难加工的硬脆性材料.在光学系统的应用中,光的反射和折射要求非球面的形状精度达到光波长的1/10左右[1],特别是,应用于航空和军事领域中的光学系统要求非球面具有较高的形状精度.因此,光学非球面超精密加工及超精度测试已经受到许多研究者的关注.例如,O P TI CA M 中心已经将CN C 技术应用到精密光学器件的生产中,自动进行有选择性的非球面粗加工、精细加工和最终抛光加工,从而大幅度地降低了生产成本.图1 球面和非球面透镜的光学性能Fig.1 Op tical perf or ma nce of sp heric a nd asp heric le ns表1 光学非球面器件的材料及应用Table 1 Op tic asp heric materials a nd its appplication 非球面类型材料应用领域普通镜头红外线镜头普通反射镜注射模具椭圆体反射镜光学玻璃单晶锗、单晶硅铝合金、铜、磷青铜陶瓷、镍合金石英玻璃、碳化硅显微镜、CD/DVD 、投影仪夜视镜、医用内视镜、激光加工激光加工机、大型显示器激光打印机X 射线系统国内也已经开始引进超精密加工机床来加工国防、航空等高科技领域所急需的高精度非球面零件.由于超精密磨削涉及的技术比较复杂,国内花巨资购买的砂轮系统还没有得到有效的使用[2].虽然中国航空精密机械研究所成功地研制了Na nosys-300球面曲面超精密复合加工系统[2],但是,加工精度、砂轮精密修整、非球面成形机理以及非球面的超精密检测等诸多关键技术的研究都没有详细的报道.实际上,目前我国光学非球面的加工技术和质量检测仍处在初级阶段.本文中主要介绍和分析最新研究和开发的光学非球面的超精密加工机理、方法和测试技术及其特点.1 光学非球面部件的制作工艺光学非球面的成型加工大体可分为模具成形法和切除加工法两种.模具成形法是在非球面模具上用可塑化材料注射或模压,形成有非球面的光学部件;而切除加工是利用切削、磨削和抛光将工件直接切除成非球面.模具成形法适应大批量生产,但很难保证非球面形状的高精度.注射和模压成形用的镀镍模具通常采用单点金刚石切削,但对于陶瓷等超硬模具,切削就变得非常困难.因此,采用磨削加工法,可大大缩短加工工期.非球面光学镜头按制作工艺可分为玻璃镜头、塑化镜头、微型镜头和复合镜头[3].其中,玻璃镜头主要在耐热非球面模具中将玻璃材料加温到软化温度400～700℃再模压成形.塑化镜头是利用镀镍硬质钢模具将非球面注射成形.微型非球面镜头是在超精密机床上将树脂材料直接加工成形后再抛光,或者在球面模具中注射树脂再加热硬化.复合非球面镜头是在非球面模具与球面镜头之间注入紫外线树脂,然后用紫外线照射使其硬化成形.2 非球面的切除加工方法及特点无论是注射成形/模压成形所需的模具还是高精度光学非球面部件,都必须采用切削、磨削和抛光直接进行切除加工.切削加工主要采用单晶金刚石刀具,磨削加工主要采用金刚石砂轮,而抛光主要采用游离磨料.每一种方法都是在工件表面沿着非球面的三维坐标轨迹对工件逐渐进行切除加工.一般是先在数控机床上将非球面形状加工成型,然后在保持形状精度不变的情况下将其抛光,减小其表面粗糙度[4].但是,这种游离磨料抛光方式会消耗大量的加工时间,无法进行规模生产.美国Precitech I nc.公司生产的超精密多轴自由曲面加工机床不需抛光就可以使光学非轴对称非球面零件的加工精度达到亚微米级乃至纳米级的范围[5].近来,全部省去游离磨料抛光方式进行直接切削或磨削来达到最终的形状精度和表面粗糙度,即利用延性域加工原理进行镜面切削和镜面磨削的研究已经取得了许多新的进展.2.1 非球面超精密加工机床的构造最新的研究结果表明,为了实现硬脆性材料的精密切除加工就要求材料的切除深度始终保持在临界延性域(ductile-mode)切深以下的范围,一般要求亚微米级以及亚微米级以下.这也就是要求加工机床能够控制工件进给量在微米级甚至亚微米级以下.采用空气静压和油静压轴承配制高精度(直线度,表面粗糙度)摩擦系数小的V-V滚动滑道和高精度(圆柱度,圆心度)传动杆可以使导向机构到达10～20nm以内的波动[3].图2中所示的为空气差压圆柱立轴的工作结构图.空气静压轴承可以使低速运动时无震动.利用d1,d2,p能够进行克单位的力调节,可以达到与水平结构一样的纳米级的微小波动.工件回转轴最合适采用空气静压形式,安装内置电机可以消除传递转动带的振动,可以达到轴方向和径向方向小至10nm的偏心振幅.图2 空气静压轴的工作原理Fig.2 Wor king p rinciple of air-p ressure axis2.2 单点金刚石切削单点金刚石切削是在精密数控机床上同时控制x和y两轴的运动,将旋转工件切除成非球面体,如图3(a)所示.通常应用于加工激光反射的非球面铜镜面和塑化玻璃非球面金属模具.最近的研究表明,弧形单晶金刚石刀具的圆弧包络线切削法可以应用到硬脆性材料的非球面超精密切削中[6],但是,必须要求金刚石刀具进给量非常小(小于1～2μm/r),这就会花费非常长的切削时间,导致单晶金刚石刀具的急剧磨耗.然而,平面形单晶金刚石刀具的直线包络线切削法在加工非球面59第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测单晶硅镜头时可以较大幅度地加大金刚石刀具进给量(20μm/r ),提高加工效率,其非球面的表面粗造度达到16nm ,形状精度(PV 值)可达到1.36μm [7].2.3 弧形金刚石砂轮磨削加工在磨削加工方面,无论对于硬脆性材料还是金属材料,采用弧形金刚石砂轮在一定的行走轨迹和修整条件下都可以在数控机床上实现非球面的成形加工.最新研发的几种弧形金刚石砂轮成型磨削方法可以大致分为交叉磨削法、平行磨削法、倾斜磨削法、球面砂轮磨削法和斜轴圆柱砂轮磨削法[8～10],分别如图3(b ),(c ),(d ),(e )和(f )所示.图3 光学非球面成形加工方法Fig.3 Form machining methods of optical asp heric surface交叉磨削法的加工表面粗造度较差,为此,将砂轮轴旋转90°使砂轮周速与工件速度方向平行进行磨削,即采用平行磨削法.实验结果表明,平行磨削法比交叉磨削法能获得更好的表面加工质量[9].倾斜磨削法是将砂轮轴倾斜一定角度适用于加工更深的凹形非球面.球面砂轮磨削法是利用砂轮球面按照非球面的运动轨迹与工件点接触进行磨削加工,它能使球面的砂轮均衡摩耗,形状精度可达到0.089μm [10],但球面砂轮成形修整比较困难.斜轴圆柱砂轮磨削法[9]是采用小直径砂轮加工很深的凹面,主要用于光通讯,医疗器件等3m m 以下的小口径非球面的加工.3 光学非球面的形状精度光学非球面器件的形状精度要求在几到几十厘米的范围内达到1μm 以下[11].图4表示了一些应用于不同领域的非球面光学器件的尺寸大小及其必要的加工精度.可以看到非球面光学部件正在向小型高精度化和大型高精度化方面发展.但是,现有的加工工具,加工工艺及加工设备常常无法保证更小或更大尺寸的产品达到高精度.这主要是因为以下原因造成了设计形状与加工形状的差异.(1)机床的运动误差和切削刀具/金刚石砂轮的磨耗;(2)非球面中心和外围的不同加工条件;(3)切削刀具/磨削砂轮的形状测试误差;(4)加工形状的测试误差;(5)三维坐标系与加工点的漂移;(6)加工力引起的变形和加工热产生的热变形.图4 光学非球面的尺寸与形状精度Fig.4 Op tic asp heric size a nd its f or m accuracy为消除这些因素的影响,使其与设计值的形状误差缩小到1μm 以下,往往利用被加工的非球面形状的检测信息进行多次的误差修正.非球面加工中可能需要几十次的测试和修正才能达到目标精度,也就是说,没有高精度的测试手段也就无法加工出高精度的光学非球面器件.但是,传统的三维测试仪的测试精度只能达到5μm ,而且大多只能检测球面和平面[13].因此,最近非接触三维形状测试手段已经可以在行走精度为0.1μm 的水平面上检测垂直方向精度为0.05μm 以下的非球面的形状精度[11,12].69华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷4 非球面的非接触测试仪通常,非球面的加工形状测试主要采用接触式测定方式.它的动态测试范围较大,但容易损伤工件表面,特别不易检测断口,且超硬材料易损伤探头.因此,非接触三维形状测试的研究开始得到了广泛的重视.但是,非接触测试无法检测到陡峭的斜面,且非球面材料的颜色和反射率也会产生散乱导致数据误差.针对这些问题,最近研制的光干涉形状测试仪,激光形状测试仪和原子力探针测试仪能够在纳米级范围内检测非球面的三维形状.4.1 非接触光干涉三维形状测试仪非接触光干涉三维形状测试构造如图5(a )所示.其原理是采用白色光源在半反射镜上分叉到测试表面和参照镜,再反射回来结合于半反射镜,当光路差相等时发生干涉[12].白色光的干涉性较小,能够在很小的范围内产生干涉条纹,因此,通过采集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直光轴方向,使之能够调节到干涉条纹的零位置.利用这种原理,垂直移动参照镜观察测试面上的CCD 各点的干涉条纹,确定其等光路位置,然后在水平方向的测试面上进行一定速度的扫描,最终检测出非球面的高度数据.若在白色干涉计中处理干涉强度并进行频域解析,不仅能够检测粗糙面及断口面,而且还能够检测超精密加工的工件表面.白色干涉计测试仪的横向行走精度一般为0.6μm ,垂直移动精度可达10nm.图5 非球面的非接触检测方法Fig.5 N on-contact measure me nt met hod of asp heric surf ace4.2 非接触激光三维形状测试仪非接触激光测试构造如图5(b )所示.激光通过显微镜镜筒,从物镜的一端开始向光轴中心聚焦,再由工件反射后经物镜返回,在聚焦A F 感应器聚焦成像.然后,通过移动物镜使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置.此时,将聚焦点的xyz 坐标以线性形式输入到计算机,获取非球面表面的三维形状数据.测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度.此外,在非接触激光显微镜上安装微分干涉光学系统,利用可视光能够检测出数纳米级的凸凹程度,并且可以在1nm 的范围内定量地评价表面粗糙度.非接触激光三维形状测试仪N H-3S P 的水平面的测试精度为1+5L /120μm (L 为测量长度);垂直方向的测量精度在10m m 以内为1μm [13].4.3 原子力探针测试仪原子力探针测试构造图如图5(c )所示.这种方法是根据原子间排斥力通常保持一致的原理,利用探针与物体的原子间排斥力的作用接近测试表面,从而确定非球面表面的三维形状[11].在测试装置上,将重0.2mg 的微型空气滑道用弹簧悬挂,用安置的反射镜对具有波长安定性的激光进行聚光,采集反射光的聚焦误差信号,驱动垂直方向的步进空气滑道,使误差信号接近于零,最终确定垂直方向的坐标.因为原子力探针测试的原子间排斥力仅有30mg ,所以对测试面几乎没有损伤,近似于非接触检测.最大的特点是测试精度不受材质、反射率和表面粗造程度的影响.但是,测量精度与测量范围和测量面角度有关[11].例如,水平测量范围的精度,100mm 以下为0.05μm ,100～200mm 之间为0.1μm ,200～400m m 之间为0.3μm ;测量面倾斜角度的精度,30°以下为0.01～0.05μm ,30°～45°之间大于等于0.1μm ,45°～60°之间大于等于0.3μm.5 结束语光学非球面加工正朝着高精度大型化和高精度小型化方向发展.精密数控机床、硬脆性材料延性域79第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测加工原理和非接触精度检测是光学非球面加工形状精度达到亚微米级及亚微米级以下的技术保证.此外,超精密加工和高精度检测在开拓高增值的复杂光学自由曲面以及特殊形状液晶光导板的模具加工方面将会发挥先导作用.参考文献:[1] Ta na ka K.Rece nt t re nd of asp heric p rocessing tech2nology[J].Scie nce of Machine,2002,54(3):11-20.[2] 罗松保,张建明.非球面的超精密加工与测量技术的研究[J].制造技术与机床,2003,494(9):58-61.[3] Toya ma T.Develop me nt of ult ra-p recision grinder f ormachining asp heric surf ace[J].Toyota MachineryRep ort,1992,32(3):8-18.[4] Suzuik H,Hara S,Matsunaga H.Study on asp hericalsurf ace p olishing using a small rotating t ool-develop2me nt of p olishing syste m[J].J our nal of t he J ap a n So2ciety f or Precision Engineering,1993,59(10):1713-1718.[5] 李荣彬,杜雪,张自辉,等.光学自由曲面的超精密加工技术及应用[A].2003年机械工程学会年会论文集[C],深圳:机械工程学会,2003.15-19[6] Suzuik H,Kitajima T,O kuya ma S.Study of p recisioncutting of axi-symmet ric asp herical surf ace-eff ect oft ool errors on wor kpiece f or m accuracies a nd its com2 pe nsation met hods[J].J our nal of t he J ap a 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Key words:asp heric surf ace;sup er-p recision machi ni ng;op tic p a rt;non-contact measure me nt;si ngle-p oi nt dia mond cutti ng;a rc dia mond gri ndi ng w heel89华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷。
碳化硅凸非球面反射镜的加工与检测
ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ，ｔ ｈ ｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｉｎ ｒ ｇ ｐ ｏ ｌ ｅ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｘ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
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Φ420 mm高次非球面透镜的加工与检测
Φ420 mm高次非球面透镜的加工与检测孟晓辉;王永刚;李文卿;王聪;张继友【摘要】介绍了Φ420 mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法.对现有数控加工工艺进行了优化,通过分工序加工方式,依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工.进行非球面透镜检测时,考虑透镜的凹面为球面,利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测,剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后,透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS;针对透镜的凸面为高次非球面,采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测,其精度达到0.013λ-RMS.最后,采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测,得到其波前误差为0.013λ-RMS.试验结果表明,非球面透镜各项技术指标均满足设计要求.所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)012【总页数】8页(P3068-3075)【关键词】非球面透镜;光学加工;透镜加工;透镜检测;零位补偿;面形精度【作者】孟晓辉;王永刚;李文卿;王聪;张继友【作者单位】北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094;北京空间机电研究所,北京100094【正文语种】中文【中图分类】TH703;TN305.2随着空间光学遥感器、强激光装置等国家重大工程的发展，大口径非球面光学元件的应用越来越多，光学系统及光学元件的结构形式也越来越多样化，因此大口径非球面透射光学元件的应用逐年增加。
相比于二次非球面透镜，高次非球面透镜的面型参数自由度更多，能更有效地校正光学系统中的各阶像差，在简化复杂光学系统结构方面具有更大的技术优势[1]。
在非球面加工和检测工艺方面，新技术、新原理和新方法层出不穷。
从传统的古典法加工发展到以数控、高度确定性为加工特点，基于计算机控制表面成型(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)原理的计算机控制小磨头抛光、应力盘抛光、气囊抛光、磁流变抛光及离子束抛光等新兴加工手段[2-3]。
高精度非球面透镜的加工与检测
高精度非球面透镜的加工与检测摘要：针对非球面透镜高精度的加工需求，提出了一种组合式抛光技术。
在采用不用研抛参数的条件下将自动化研抛系统与离子研抛机相结合，从而提高了系统对非球面透镜的加工能力。
通过仿真分析与实验测试，验证了提高表面精度的设计理念。
关键词：透镜加工；非球面；离子抛光机；仿真计算1 引言大口径不是球面的元件由于具有不需要中心遮蔽，可以改善成像质量，让系统结构更简单等优点，现已是空间相机和超大功率的激光器等光学装置的重要器件之一[1]。
随着科学技术的进步，目前的大尺寸光学系统在器件表面质量、加工效率方面都有了很大的提高，远超出古典光学在系统设计中的要求从频域上看，光学器件的制作误差可分为低频段的误差、中频段的误差还有高频段的误差三种。
中频段的误差可分为两个频段：SD1、PSD2。
分段的频率是0.4 mm-1。
高频相位的误差在8.3到100 mm-1之间[2]。
大口径不是球面零件的常规加工工艺是采用铣磨出形状、散粒研磨和抛光等工艺，使其达到与球面形态最接近，然后采用人工修整抛光或者数控机床把球面再变成非球面。
这种把零件抛光成球面，然后再从球面到非球面的加工方法存在着很大的缺陷。
2 设计思路为解决以上问题，改善非球面的加工效率和精确度，各种先进的工艺技术（抛光技术例如磁流变、离子束、气囊、等离子体技术等）被开发出来并且迅速发展。
同时，以先进的制造技术为基础，开发了多种工艺的加工方法。
位于英国的Zeeko公司的Walker等人提出了一种利用超精密研磨加气囊抛光的技术来加工欧洲大型望远镜制造所需要的大型非球面零件。
所制得的米级口径的六边形不是球面光学器件的面形误差PV可达62纳米， RMS可达11纳米。
位于美国的QED公司的 Dumas等人[3]提出了一种新的抛光工艺，即将 MRF技术与常规的沥青抛光技术相结合，应用于非球面研磨出形以后再抛光的加工。
为了满足高精确度批量生产离轴型的非球面零件需求，本文研究了一种混合的抛光工艺，以达到高效率生产非球面零件的目的。
一种高陡度离轴非球面的加工检测
第3期1998年5月 光学技术O PT ICAL T ECHN O LO GY N o.3M ay 1998一种高陡度离轴非球面的加工检测回长顺 洪 林(航天总公司第8358研究所,天津300192) (天津理工学院,天津300193) 概 要因为离轴椭球镜中心遮拦区是不需要的,我们选择如下检验方案(如图1)。
用一个直径53mm 的钢珠做辅助球面镜。
先在已成型的轴对称椭球镜毛坯中心打一个510mm 的通光孔,检验时此镜与夹具一起放在一稳定的V 型块中。
钢珠用胶粘在一直径52mm 的金属棒上,并固定在有两个自由度的调节支架上,以便在检验时调节焦距及光轴的重合精度。
采用照明的光源是刀口仪拆去刀口和前组透镜,在筒口端面放一0.5mm 厚的薄铜板做的53mm 的小孔光阑,从被加工镜后面作近似平行光的照明。
可以用此方法来检验一轴对称高陡度椭球镜,合格后再采用辅助块与此镜粘贴,最后切磨取下所需的离轴镜。
关键词:非球面,陡度,测试。
图Testing and making a steep off -axis asphericH ui C hangshun(8358th Inst itute ,China A er ospace Co rp .T ianjin 300192)Hong Liu(T ianjin I nstitute of T echno lo gy ,T ianjing 300193)Abstract :In a testing set up,a small steel ball is used as an auxiliary spheric and the optical system of a knife-edg e scope is refitted to fo rm the lig ht so urce w ith a near par allel r ay.U sing t ha t set up,a steep ax isymmet rial el-lipso id is tested.Cement ed w ith a aux iliar y block,the w or kpiece can be cut into pr oper o ff-ax ia l mirr or.Keywords :aspher ic sur face,steep,t est ing. (3)各透镜高精度对中心装配修研调整和测试。
非球面透镜生产与检测培训
非球面透镜生产与检测培训一、概述非球面透镜是一种具有复杂曲率的透镜，与传统的球面透镜相比具有更高的光学性能和更广阔的应用领域。
为了满足市场对高质量非球面透镜的需求，对其生产与检测技术进行培训至关重要。
本文将介绍非球面透镜的生产工艺和常用检测方法，帮助读者了解非球面透镜的制造过程以及如何对其进行有效的检测。
二、非球面透镜的生产工艺1. 设计与仿真制造非球面透镜的第一步是进行透镜的设计与仿真。
设计师需要根据应用的具体需求，确定透镜的曲率半径、表面形状和材料等参数。
借助计算机辅助设计软件，可以对透镜进行仿真分析，评估其光学性能和成像效果。
2. 材料选择与加工选择合适的材料对于非球面透镜的性能至关重要。
常用的透镜材料包括光学玻璃和塑料等。
生产过程中需要使用先进的加工设备，如数控机床和激光切割机等，精确地对材料进行切削、研磨和抛光，以得到所需的透镜形状和表面质量。
3. 表面处理与涂膜非球面透镜的表面处理和涂膜是提高透镜性能的重要步骤。
通过离子束抛光、化学处理和热处理等方法，可以改善透镜的表面质量和光学特性。
在表面处理完成后，还需要进行透镜的涂膜，以减少反射和增加透过率。
4. 最终组装与测试非球面透镜的最后一步是进行组装和测试。
组装过程中需要保证透镜的精确定位和对光的正确聚焦。
测试过程中使用的设备包括自动检测仪和干涉仪等，用于检测透镜的曲率半径、形状误差、表面光洁度和光学性能等参数。
三、非球面透镜的常用检测方法1. 曲率半径测量曲率半径是衡量非球面透镜形状的重要参数。
常用的曲率半径测量方法包括球差法、干涉法和等高线法等。
这些方法可以通过测量透镜对光的折射效果，得到透镜的曲率半径，并评估其形状精度。
2. 表面形状误差测量非球面透镜的表面形状误差对其光学性能有着重要影响。
常用的表面形状误差测量方法包括干涉法、电子直角仪和轮廓仪等。
这些方法可以通过测量透镜表面的高度差异，评估透镜的形状精度和表面光洁度。
3. 光学性能测试除了表面形状误差外，非球面透镜的光学性能也需要进行全面的测试。
《非球面加工与检测技术》专题文章导读
体积 、 量 、 靠性 、 射 成 本 等 方 面 均优 于球 面 系统 。正 因如 此 ， 重 可 发 非球 面 在 航 空 、 天 、 防 以及 高 科 技 民 用 领 域 得 到 了 航 国
广泛的应用。
非球 面 的 加 工 难 度 远 大 于球 面 ， 统 的 手 工 加 工技 术在 精 度 、 率 等 方 面难 以 满足 日益 增 长 的各 类 非 球 面元 件 的 需 传 效 求 。 因此 ， 内外 相 关机 构 都 非 常 重视 非球 面的 制 造 技 术 ， ８ 代 至 今 涌现 出一批 先进 的非 球 面 加 工 技 术 ， 数 控 小 国 从 Ｏ年 如
磨 头 非球 面加 工技 术 （ ０Ｓ） 应 力盘 抛 光技 术 （ ｔｅ ｓ ｄＬａ ｏｉｈｎ ） 离子 束 抛 光 技 术 （ｏ ｏ ｉｈｎ ） 磁 流 变抛 光 技 ＣＣ 、 Ｓ ｒｓ ｅ ｐ Ｐ ｌ ｉｇ 、 ｓ Ｉｎ Ｐ ｌ ｉｇ 、 ｓ
术（ Ｆ 等等 。 ＭＲ ） 高精 度 非 球 面 加 工 离不 开 高精 度 的检 测 技 术 ， 球 面 的检 测难 度 同 样远 大 于 球 面 。伴 随 着 非球 面 加 工 技 术 的发 展 ， 非 近年 来在 原有 的 非 球 面 零 位 检 验 基 础 上 ， 继 出现 了 一 些 新 的检 测 技 术 ， ： 算 全 息检 测 技 术 （ ＧＨ） 子 孔 径 拼 接 干 相 如 计 Ｃ 、 涉 法 （Ｓ ）数 字 莫 尔条 纹 法 （ Ｓ Ｉ、 ＤＭＩ等 等 ， 些 技 术 为 高精 度 非球 面 制 造 提 供 了有 力 的保 障 。 ） 这 本 专 栏 的 ４ 文 章 都 是 论 述 关 于 非球 面 加 工 与 检 测 技 术 的 ， 们 各 具 特 色。 篇 它 《 形 子 孔 径 拼 接 干 涉检 测 非 球 面 的数 学模 型 和 仿 真 》 文 介 绍 了环 形 子 孔 径拼 接 用 于 非 球 面检 测 这 一 新 技 术 的基 环 一 本 原 理 ， 出 了具 体 的数 学模 型 并 进 行 了计 算 机 仿 真 ， 果 表 明 该 技 术在 无 需 补 偿 器 或 Ｃ 给 结 ＧＨ 的情 况 下 可 以 完 成 中等 精 度 非 球 面 的低 成 本 检 测 ， 于探 索 该 类 非 球 面检 测 的 新 方 法 有 一 定 的 参 考 意 义 。 对 《 口径 高 次 、 大 离轴 非 球 面干 涉 测 量 中投 影 畸 变 的 标 定 方 法 》 文针 对 高 陡 度 非 球 面 干 涉检 测 中 干 涉 仪 Ｃ Ｄ 坐标 与 一 Ｃ 实际镜 面 坐标 存 在 投 影 畸 变从 而影 响 加 工 设 备 定 位 精 度 这 一 实 际 问题 ， 析 了投 影 畸 变产 生 的 机 理 ， 立 了投 影 畸 变 校 分 建 正 的数 学模 型 ， 结 合 Ｚ ｇ 并 ｙ ｏ干 涉仪 的 Ｆｄ ｃ ｌ 能 给 出 了 实 际工 作 中 的 校 正 方 法 ， 方 法 在 非 球 面加 工 当 中得 到 了很 ｉｕ ｉ 功 ａ 该
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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
1
2
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。
3
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。
4
6
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。
8
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
10
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。
11
12
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。
13
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
16
17
二、非球面加工
非球面数控铣磨
杯形磨轮碟形磨轮
18
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。
19
pointed tool:
r β<50nm; ε=70º30’;
γ=0º; α=7º
二、
非球面加工
21
22
二、
非球面加工
数控小工具研抛技术
可用于大口径、高精度非球面零件的加工。
它把高级光学加工者的加工技巧数字化、定量化，由计算机控制抛光模对光学元件表面进行加工。
与传统加工方法比较，它对工件面形的判断更加准确、抛光过程控制更加可靠，从而大幅度提高非球面光学元件的加工效率和加工精度。
理论基础：Preston 假设
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二、非球面加工
在加工时间内表面材料的去除量Δz ：
(,,)(,,)0.t
x y t x y t z K V P dt Δ=∫用抛光模在工件表面任意一个给定区域的驻留时间函数D (x,y)作为表征抛光模运动的参量。
(,)00x y T D dxdy
∞
∞=∫∫总的抛光时间在V 、P 相同情况下，除去量和时间成正比
26
二、非球面加工
在工件表面上移动去除函数，然后将工件表面上每一个区域处所去除的材料进行叠加，就可以得到工件表面各处的去除量：
去除量应是驻留函数D(x,y )和去除函数R(x,y )的卷积
(,)(,)(,).
x y x y x y z R D Δ=∗∗
二、非球面加工
理论分析表明理想去除函数应具有以下特征：是一个旋转对称的连续光滑函数；
中心具有最大去除量，函数具有单个峰值并随半径
的增大而减小至零；
在最大半径以外，去除函数不具有材料去除能力；
在边缘处和中心峰值处，函数的斜率为零。
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应力盘抛光实物照片
29
二、
非球面加工
应力盘研抛技术
应力盘结构图
二、非球面加工
磁流变抛光技术
电磁学和流体动力学理论相结合并应用于光学加工的新技术。
利用磁流变液在磁场中的流变性：当磁流变液处于梯度磁场中，其粘滞性明显增强，形成具有粘塑性的宾厄姆（Bingham）质，对与之接触且有相对运动的工件表面产生较大的剪切力，当磁流变液中含有磨料时，工件表面材料就可被去除；而宾厄姆质一旦离开磁场,又立即变成流动的液体。
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二、
非球面加工
非球面面形从50nm 降为6nm （RMS ）
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二、
非球面加工
液体喷射抛光技术
射流抛光
机工作图
二、非球面加工
离子束抛光
工作原理：将惰性气体（氩、氪、氙等）原子放在真空中用高频或放电的方法使之离子化，同时给离子束以电加速，加速的离子对工件表面以原子为单位进行能量交换，使工件表面得到足够能量的原子逸出表面，从而使工件表面材料以原子量级被去除。
可达到很高精度。
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二、
非球面加工
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二、
非球面加工
离子束抛光
机床内部示意图
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a b c
d e f
模压成形工艺流程
40二、
非球面加工
二、
非球面加工
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43
二、非球面加工
热沉降技术
广泛地用于低精度薄型非球面和自由曲面镜片的制造，特别是用来制造作为树脂注入法的玻璃镜片模具。
陶瓷非球面模具
非球面镜
复制夹具
三、非球面的检测方法
•几何光线检测法：
哈特曼法、光栅法和刀口法
•直接的面形轮廓法
•干涉法
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三、非球面的检测方法哈特曼法
利用光阑孔对波面取样，取样点间保持一定关系，当波面上某一部分相对该处的理想波面倾斜时，就会使光线聚焦偏离理想位置，根据偏离量，就能求出波面上取样点的倾斜误差。
几种哈特曼光阑结构图
三、非球面的检测方法
刀口法
刀口阴影法检测光学元件基本原理
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三、非球面的检测方法
直接的面形轮廓法
50三、非球面的检测方法
直接的面形轮廓法
摆臂轮廓测量仪运动结构示意图。