自由曲面光学技术

目前
待续
面型加工技术
美国的Precitech公司，仍无自己的自由曲面刀 具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然 Moore公司目前开发了自由曲面刀具轨迹生成 软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型 及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该 公司自己生产的机床，不具通用性。英国Zeeko 公司开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，只适 用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全 不同于切削加工，不可应用于自由曲面的飞刀 铣削过程。
1972年
发展历程
1980年
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RaO.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。
加工技术发展历史
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。
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简介
精度
采用多轴超精密金刚石机床加工光学自由曲面 ,可达到亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙 的高精度水平。
优点
在成像系统中，该技术可以矫正像差、提高成像质量、减小系统单元数量及重量；在高性 能照明系统设计中，该技术不仅可以有效提高光能利用率，更可消除系统对照明方向性的 严格要求，并且提供了很大的设计自由度。
抛光
可以分为初抛光和精抛光等两个过程。 光学零件的抛光是获得光学表面的工序。 其目的首先是去除精磨的破坏层，达到 规定的表面疵病要求，其次是精修面形， 达到要求的光圈，形成透镜规则的表面 。
2、轨迹成型法
类别
轨迹成形法主要包括使用成形工具的轨迹成形法、使用仿形靠模的轨迹成形法和使用机 构轨迹的成型法等几种。
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发展历程
1638年
Kepler采用非球面透镜在近、远距离上 获得了无像差球面,奠定了非球面光学基 础
美国UnionCarbide公司研制成功了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380mm， 加工工件的形状精度为±O.63μm，表面 粗糙度为0.025μm。
摩尔公司首先开发出了用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RankPneumo公司向市场推出了利用激光 反馈控制的两轴联动加工机床，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-O.025μm之间。随后又推出了ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300等机床
优缺点
传统的轨迹成形法加工自由曲面，共同的特点是加工效率高，但一般难于加工高精度的自 由曲面，其根本原因在于加工所依据的轨迹的准确性差，轨迹转移精度不高，而且模具或 机构等的轨迹单一，只能加工一种尺寸一种形状的非球面，且可加工的材质有限，通用性 差， 通常只用于中低精度非球面零件的批量生产。 由于该方法已经比较成熟，并且很传统，目前，国外对这方面研究的报道很少。国内主要 是中科院长春光机所和长春理工大学在做这方面的研究工作。
1984年
发展历程
1990年
英国RankPneumo公司开发出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。
英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制 的大型超精密金刚石镜面切削机床，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)。 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。
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自由光学曲面技术
光学工程 陈daye
目录
简介 面型加工技术
发展历史 面型检测技术
简介
光学自由曲面没有严格确切的定义，通常 指无法用球面或者非球面系数来表示的光 学曲面，主要是指非旋转对称的曲面或者 只能用参数向量来表示的曲面。
光学自由曲面已经渗透到我们生活中的各 个角落，眼用光学 镜片中的成功应用。
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1、经典研抛法
铣磨成型
即经过铣磨，将毛坯加工成需要的形状。 该形状需要提前做一计算，得到 最 大 去 除量形状，从而减轻后续过程任务量， 程任务量。该过程需要用到铣磨机，属 于下面要提到的粗磨的铣削加工，又称 范成法加工。
研磨
即用研磨剂，研磨光学元件表面以减少 成形过程中产 产 生 的 下 表 面 损 伤 。 这 一 过程根据添加研磨剂尺寸不同，分为粗 磨 和 精 磨 。 精磨过程中还需要使用冷却 液，起到冷却、润滑、清洗和化学反应 等作用。精磨后的光学元件由于有凹凸 层的存在而形成不透明的表面，这也是 抛光的必要性所在。
3、CNC磨削、研磨和抛光技术
优缺点
其加工过程大致可以概述为计算机控制的精密机床先将工 件表面磨削成一个最接近自由曲面的球面，在不改变工件 面形精度的前提下，通过研磨加工去除偏离量，最后通过 抛光的方法达到曲面的表面质量要求， 左 图即为CNC磨削、 研磨和抛光流程图。此加工过程的特点是阶段多、周期长， 起始球面的选择对偏离量及工艺的制定起着决定性作用； 适合加工高精度、大及超大口径的光学元件；对碳化钨、 光学玻璃等脆硬材料有明显的优势。 不过，这种方法也有很多不足之处，如果要加工不同的自 由曲面零件，由于工件表面的光洁度和成形精度都需要通 过磨削、研磨和抛光来改善，就需要大量的研磨盘，提高 了成本，同时也增加了维护的难度；还有就是抛光过程中 不可避免的会产生一些形状误差，自由曲面的不对称度越 大，误差也就越大。