非球面光學(xué)零件拋光技術(shù)

王麗榮

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528436）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非球面光學(xué)零件因其優(yōu)良的光學(xué)性能，而日益成為一類非常重要的光學(xué)零件。在很多情況下，光電儀器采用非球面，能夠得到球面光學(xué)零件難以達到的光學(xué)性能，如提高系統(tǒng)的相對孔徑，增大視場角，改進像質(zhì)，改善光照度均勻性，縮短工作距離，大大地減少鏡片數(shù)量等，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)，縮小外形尺寸，減小總質(zhì)量。從17世紀最早提出非球面應(yīng)用至今400余年，人們一直在探索非球面光學(xué)零件的加工技術(shù)。

非球面制造通常分為非球面成形和光學(xué)面實現(xiàn)兩個工藝方面。相對而言，難點主要在光學(xué)面的實現(xiàn)。本文主要講述非球面光學(xué)零件拋光技術(shù)。傳統(tǒng)的非球面加工方法，是通過研磨拋光方法，隨著光機電算的逐漸一體化，現(xiàn)已發(fā)展出多種新的非球面拋光方法。

1 非球面?zhèn)鹘y(tǒng)加工技術(shù)

研磨拋光法，是傳統(tǒng)的非球面光學(xué)零件材料去除式加工方法。這種方法，是先把零件研磨成最接近球面形狀，然后用機器或手工繼續(xù)局部研磨或拋光，邊加工邊測量，直至修磨出符合要求的非球面面形。由于主要依靠手工，所以這種方法只適用于大口徑且非球面度較小的非球面。按此方法加工出的非球面，可達到很高的精度，但效率低，且精度重復(fù)性差，只適用于單件或小批量生產(chǎn)[1]。

傳統(tǒng)研拋技術(shù)，一直伴隨著非球面加工技術(shù)的歷史。由于依靠操作者的技術(shù)，可達到較高的加工精度，因此可作為現(xiàn)代新型非球面拋光技術(shù)的一種補充，兩者相結(jié)合，達到所需的表面粗糙度和面形精度。

2 非球面拋光新技術(shù)

2.1 計算機控制光學(xué)表面（CCOS）加工技術(shù)

20世紀70年代初，美國Itek公司率先提出了一種新的光學(xué)表面加工的技術(shù)構(gòu)想，即CCOS，它是通過計算機控制一個小型工具，將控制軟件、機床設(shè)備和檢測方法有機結(jié)合起來，進行光學(xué)表面加工。隨后美、法、德、俄的科研中心，都在此領(lǐng)域開展了深入的研究。如美國的亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心、法國空間光學(xué)制造中心、德國蔡司公司、俄羅斯瓦維洛夫國家光學(xué)研究所等[2]。隨著計算機技術(shù)和精密計量技術(shù)的飛速發(fā)展，CCOS加工技術(shù)從計算速度到加工精度等，都得到了進一步的提高與完善。

CCOS加工技術(shù)的基本原理，是用計算機來控制一個比被加工零件尺寸小得多的拋光模，以一定的路線、速度和壓力拋光工件表面。通過改變?nèi)魏我粋€區(qū)域的拋光時間，可以精確地獲得要求的材料去除量。由于拋光的去除量不大，所以工件要先用通常的方法研磨、拋光成接近的比較球面。計算機控制拋光，僅僅是拋去球面和要求的非球面在各點處所存在的偏離量。在加工中，使用迭代的方式，使表面誤差逐步收斂。

用CCOS方法加工出來的零件，局部面形誤差（波紋）難以消去，要達到高品質(zhì)的光學(xué)級表面，仍需要后續(xù)傳統(tǒng)拋光。與其他技術(shù)相比，CCOS的優(yōu)勢主要是在非球面成型和精磨方面。

2.2 磁流變拋光技術(shù)

磁流變拋光技術(shù)（MRF），是美國Rochester大學(xué)提出的一種新型的光學(xué)零件加工方法，其將電磁學(xué)、流體動力學(xué)理論、分析化學(xué)有機結(jié)合起來。磁流變拋光液在高強度的梯度磁場中會變硬，而成為具有粘塑性的Bingham介質(zhì)，形成類似緞帶的凸起。當(dāng)這種介質(zhì)流經(jīng)工件與運動盤形成的很小空隙時，工件表面材料會被工件表面與其接觸的區(qū)域產(chǎn)生的剪切力去除。

由于磁流變拋光能夠獲得品質(zhì)很高的光學(xué)表面，與CCOS相結(jié)合，可實現(xiàn)計算機控制，從而得到較復(fù)雜的面形，且去除效率高，不會存在刀具磨損、堵塞現(xiàn)象。因其獨特的剪切去除機理在保證較高去除效率的同時不引入亞表面損傷，可以高效消除磨削產(chǎn)生的亞表面損傷層，實現(xiàn)近零亞表面損傷和納米級精度拋光[3]。

因此，磁流變拋光是一種非常好的光學(xué)加工方法。目前，我國很多高校及科研機構(gòu)都投入了大量精力進行磁流變拋光技術(shù)的研究。缺點是有磁介質(zhì)不能使用，且磁流變液特性隨材料變化，拋光去除函數(shù)必須隨時標定。

2.3 離子束拋光

離子束拋光是1965年美國亞利桑那大學(xué)的工作人員發(fā)現(xiàn)并研制成功的。目前，美國離子光學(xué)公司、法蘭克福兵工廠早已研制成功離子束拋光設(shè)備，并應(yīng)用于生產(chǎn)。此外，日本、英國、法國等國也已開發(fā)和研究了這一新技術(shù)[2]。

離子束拋光的原理，是將惰性氣體（如氬、氪、氙等）原子在低真空中電離為離子，再加速撞擊到放在高真空度的真空室內(nèi)的工件表面上，以原子量級將其表面將材料予以去除。

離子束加工玻璃的主要特點，是加工工具精度非常好，表面不產(chǎn)生正壓力，加工量的控制極其精確穩(wěn)定。被加速的離子與工件材料的原子核直接產(chǎn)生彈性碰撞，使其逸出表面，可以輕易實現(xiàn)原子量級的材料去除，加工精度可達λ／100，且不受被加工零件表面和材料的限制。因離子束拋光的加工深度小，因此使用該技術(shù)進行零件拋光前，被加工件應(yīng)先進行初拋光。該項技術(shù)的缺點是成本昂貴，操作復(fù)雜，工作時有振動，且拋光速度緩慢。

2.4 應(yīng)力鏡與應(yīng)力盤拋光技術(shù)

20世紀90年代，美國亞利桑那大學(xué)斯蒂瓦天文臺大鏡實驗室，在發(fā)展大型主鏡輕量化鏡坯計算機控制離心熔鑄技術(shù)時，發(fā)展了這種新的計算機控制大尺寸應(yīng)力拋光盤，加工超大型高陡度的非球面反射鏡。

應(yīng)力盤（Stress Lap）拋光技術(shù)的基礎(chǔ)，是能動光學(xué)技術(shù)，其由傳統(tǒng)加工中的控制鏡面變?yōu)榭刂萍庸すぞ?，通過動態(tài)控制面形，來使應(yīng)力盤連續(xù)不斷地保持同被加工表面的吻合與適配。這種方法，一方面易于修改加工表面所產(chǎn)生的如像散之類的低頻誤差；另一方面，重要的是擺脫了計算機控制小工具拋光中的中、高頻殘差的誤差來源。

應(yīng)力鏡拋光技術(shù)（Stressed-mirror Polishing，SMP）是一種基于彈性力學(xué)原理的非球面加工技術(shù)。在SMP中，力加到鏡基上，使變形形狀和期望的非球面面形相反，然后由大型球面拋光工具進行拋光，應(yīng)力移除后，反射鏡松弛到期望的非球面面形。

應(yīng)力鏡拋光技術(shù)，允許使用大型球面拋光工具進行非球面光學(xué)面形的拋光，顯著增加了材料移除率，且沒有高頻面形誤差，參數(shù)一致性非常好，其缺點是邊緣效應(yīng)十分明顯。

2.5 光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)

美國柯達公司經(jīng)過近40年的努力，在20世紀70年代研究成功玻璃的精密模壓成型技術(shù)，一次就完成光學(xué)球面或非球面的零件成型，不需要研磨拋光的加工。

光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，是利用了玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的過程是連續(xù)可逆的熱加工性質(zhì)，在玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg附近，在無氧條件下，對玻璃和模具進行加溫加壓，一次性將光學(xué)玻璃模壓成達到使用要求的光學(xué)零件[1]。由于光學(xué)玻璃模壓成型法摒棄了傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光以及定心磨邊等工序，直接一次成型，大大節(jié)省了材輔料、時間、設(shè)備及人力，且能模壓出不同形狀，尤其是在非球面光學(xué)玻璃零件制造方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。

光學(xué)玻璃模壓成型法制造光學(xué)零件有如下優(yōu)點：

（1）不需要傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光、磨邊定中心等工序，就能使零件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；

（2）能夠節(jié)省大量的生產(chǎn)設(shè)備、工裝輔料、廠房面積和熟練的技術(shù)工人，使一個小型車間就可具備很高的生產(chǎn)力；

（3）可很容易經(jīng)濟地實現(xiàn)精密非球面光學(xué)零件的批量生產(chǎn)；

（4）只要精確地控制模壓成型過程中的溫度和壓力等工藝參數(shù)，就能保證模壓成型光學(xué)零件的尺寸精度和重復(fù)精度[1]；

（5）可以模壓小型非球面透鏡陣列；

（6）光學(xué)零件和安裝基準件，可以制成一個整體。

光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)，是一項綜合技術(shù)，需考慮玻璃材料、模具材料、模壓設(shè)備及模壓的工藝參數(shù)。其所涉及的技術(shù)均為各個領(lǐng)域的尖端技術(shù)，包括低熔點玻璃材料開發(fā)與熔煉、超硬合金材料和加工、模具表面鍍膜，以及自動化精密模壓設(shè)備的研制、模壓工藝參數(shù)等。該技術(shù)主要適用于小型非球面制造，目前最大模壓尺寸在50 mm以內(nèi)。

3 結(jié)束語

光學(xué)非球面加工，是光學(xué)冷加工發(fā)展研究的趨勢和方向，其工藝難度主要來自于非球面度。雖然非球面光學(xué)零件拋光的技術(shù)方法很多，但目前還沒有一種方法能與球面或平面加工相比，既保證加工精度和品質(zhì)，又能適應(yīng)不同批量、不同尺寸的要求，且加工成本適中。因此，不斷尋求既有較高精度和效率，又有較低成本的非球面加工方法，仍是未來很長一段時間內(nèi)的重要研究方向?，F(xiàn)代加工手段，必須與傳統(tǒng)加工手段有機結(jié)合。另一方面，非球面制造的關(guān)鍵，是非球面檢測技術(shù)，加工強烈依存于檢測，制造非球面的水平與所掌握的檢測方法密切相關(guān)，非球面檢測和相應(yīng)數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)的發(fā)展，為制造更高要求的非球面提供了可靠的保證。

[1]舒朝濂.現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]蔡 立.光學(xué)零件加工技術(shù)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

[3]康桂文.磁流變拋光技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].機床與液壓，2008，36(3)：173-176.