漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼用鏡片的加工制造

王海云, 吳泉英,, 唐運(yùn)海,柳　軍, 陳曉翌, 張　皓,, 鐘　唐

(1.蘇州科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州蘇大明世光學(xué)股份有限公司江蘇省企業(yè)研究生工作站，江蘇 蘇州 215028)

漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼用鏡片的加工制造

王海云1, 吳泉英1,2, 唐運(yùn)海1,柳軍1, 陳曉翌2, 張皓1,2, 鐘唐1

(1.蘇州科技大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州蘇大明世光學(xué)股份有限公司江蘇省企業(yè)研究生工作站，江蘇 蘇州 215028)

摘要：以漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的加工為實(shí)例，闡述了采用CNC雕刻機(jī)(En3d)加工自由曲面光學(xué)元件的加工工藝，利用TRACEPRO軟件宏語(yǔ)言將點(diǎn)陣數(shù)據(jù)生成非均勻有理B樣條自由曲面，運(yùn)用精雕機(jī)的JDPaint軟件生成刀具路徑，對(duì)自由曲面光學(xué)元件進(jìn)行加工制造. 利用自由曲面面形測(cè)量?jī)x對(duì)加工完成的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片進(jìn)行光焦度分布和散光分布的面形分析. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用CNC雕刻機(jī)加工自由曲面光學(xué)元件的加工工藝簡(jiǎn)單，操作方便，并且加工后的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片面形符合設(shè)計(jì)要求.

關(guān)鍵詞：漸進(jìn)多焦點(diǎn)；鏡片；光焦度；散光

相比于傳統(tǒng)的球面光學(xué)元件，非球面光學(xué)元件能夠很好地解決光學(xué)像差的修正問題. 隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能要求越來越高，自由曲面光學(xué)元件的應(yīng)用也越來越廣泛，如汽車燈反射罩、漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片等. 然而，非球面的加工要比球面加工困難得多，尤其是加工非球面光學(xué)鏡片，不僅要求達(dá)到較高的鏡片表面質(zhì)量，而且要求較高的面形精度.

自由曲面加工方法主要有去除加工法、成形加工法和附加加工法3種. 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多自由曲面超精密加工技術(shù)，如：計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(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)等[1]. CNC機(jī)床加工需要將自由曲面面形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)械加工數(shù)據(jù)格式，然后導(dǎo)入到相應(yīng)的刀具路徑生成軟件中. 相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換技術(shù)中有：基于Geomagic Studio實(shí)現(xiàn)自由曲面全逆向NURBS重構(gòu)[2]. 該技術(shù)在數(shù)據(jù)處理中比較復(fù)雜且其中有人工對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的判斷和操作，NURBS重構(gòu)精度不夠. 自由曲面加工方面有：工業(yè)機(jī)器人加工自由曲面光學(xué)元件的方法研究[3]，但機(jī)器人的重復(fù)定位精度較低，該技術(shù)只適合自由曲面光學(xué)元件的研磨和拋光. 秦玲琳等做的內(nèi)漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片[4]，采用的進(jìn)口專用CNC車削機(jī)床，設(shè)備昂貴. 黃海濱等做的內(nèi)漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片數(shù)控車床系統(tǒng)[5]沒有批量生產(chǎn). 由我國(guó)生產(chǎn)的精雕機(jī)CNC機(jī)床重復(fù)精度8 μm，價(jià)格相對(duì)合理，用精雕機(jī)加工自由曲面能大幅度降低漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的研發(fā)成本. 本文以漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼鏡片為例，利用精雕機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行粗加工和精加工，然后用復(fù)曲面精拋拋光機(jī)進(jìn)行拋光得到漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼鏡片，并做了相應(yīng)的面形檢測(cè).

1漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼用鏡片加工制造技術(shù)

1.1漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼鏡片的結(jié)構(gòu)

漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的結(jié)構(gòu)見圖1，通過鏡片的下方區(qū)域可看清近處物體，稱為近用區(qū)；通過鏡片上方區(qū)域可清看遠(yuǎn)處景物，稱為遠(yuǎn)用區(qū)；在近用區(qū)和遠(yuǎn)用區(qū)內(nèi)鏡面的光焦度恒定；連接遠(yuǎn)用區(qū)和近用區(qū)的區(qū)域是漸變區(qū)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)鏡面的光焦度逐漸增大，不存在視覺“跳躍”現(xiàn)象. 鏡片的兩側(cè)區(qū)域是散光區(qū)，該區(qū)域不能用作觀察.

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)用區(qū)光焦度為-2.0屈光度，近用區(qū)光焦度為0屈光度的漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼鏡片，鏡片的附加光焦度為2.0屈光度. 其漸進(jìn)表面(后表面)矢高如圖2所示. 從圖中可以看出漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片表面為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱曲面. 該漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片表面光焦度分布如圖3所示. 由于鏡片表面光焦度與其表面平均曲率成正比，從中可以看出漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片表面的曲率隨著位置的不同而變化.

圖1　漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片結(jié)構(gòu)

圖2　漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片表面矢高圖

圖3　漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片表面光焦度分布圖

1.2漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的制造

1)加工工序

利用CNC精雕機(jī)加工自由曲面光學(xué)元件前，需將設(shè)計(jì)出的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片表面點(diǎn)云形式的矢高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為精雕機(jī)CNC機(jī)床配套軟件JDPaint5.50可以接收的數(shù)據(jù)格式(VRML虛擬現(xiàn)實(shí)造型語(yǔ)言文件、DXF3D文件、IGES文件和STL文件). 通過控制精雕機(jī)的走刀方式和刀具路徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)自由曲面光學(xué)鏡面的加工，得到自由曲面的基本面形. 加工時(shí)分為粗加工和精加工2個(gè)階段，粗加工可以快速銑削掉大量毛胚料，縮短加工時(shí)間；精加工則是為了去除粗加工過程中產(chǎn)生的微裂紋層，提高自由曲面的面形精度.

鏡片經(jīng)過粗加工和精加工后，由于加工刀具運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，鏡片表面光滑度和透光率仍然有所欠缺，因此需要進(jìn)行拋光處理.

2)加工過程

鏡片胚料采用折射率是1.532的樹脂材料，前表面光焦度是2.00屈光度. 采用逆向工程方法生成的STL格式的曲面放大后可以看出其表面并非完全光順，如圖4所示，將曲面放大后表面仍然存在縱橫條痕，加大點(diǎn)云密度后會(huì)大大增加數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換所需計(jì)算時(shí)間. 為了生成光滑自由曲面，利用TRACEPRO軟件中的spline宏語(yǔ)言命令，編寫宏語(yǔ)言SCM文件，生成非均勻有理B樣條(Non-uniform rational B-spline，NURBS)自由曲面，將該曲面另存為IGS格式的NURBS曲面文件，再將IGS文件導(dǎo)入到JDPaint5.50軟件中. 經(jīng)過曲面裁剪和圖形聚中處理后，得到面形如圖5所示. 基于NURBS方法的整體光滑擬合特性，該方法導(dǎo)入的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片面形能夠達(dá)到數(shù)學(xué)上的C2連續(xù).

粗加工與精加工過程的參量設(shè)置如表1所示，生成的粗加工刀具路徑和精加工刀具路徑分別如圖6～7所示. 從圖6中可以看出因加工曲面是非旋轉(zhuǎn)自由曲面，故加工路徑也非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱. 圖7中藍(lán)色為刀具路徑，由于路徑間距很小，圖中顯示為一整塊圓盤狀圖形，黃色為渲染的曲面數(shù)據(jù)模型，因刀具路徑與數(shù)據(jù)模型曲面幾乎重合，故圖中顯示為未被刀具路徑覆蓋的部分. 圖8為精加工刀具路徑誤差分析，可看出刀具路徑與數(shù)據(jù)曲面模型的最大位置誤差為0.015 mm.

表1　粗加工與精加工過程參量

圖5　IGS文件導(dǎo)入JDPaint中裁剪后面形圖

圖6　粗加工路徑模擬測(cè)試

圖7　精加工路徑模擬測(cè)試

在進(jìn)行拋光過程中，用DN-2型30×20復(fù)曲面精磨精拋機(jī)對(duì)加工后的光學(xué)鏡片進(jìn)行拋光，采用氧化鋁拋光粉懸濁液作為拋光劑，為避免機(jī)器刮傷鏡片，工作壓強(qiáng)設(shè)置為0.2 MPa，拋光時(shí)間設(shè)為20 min(可根據(jù)具體情況進(jìn)行更改時(shí)長(zhǎng)).

圖8　JDPaint精加工刀具路徑誤差分析圖

3)加工結(jié)果

拋光后得到的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片實(shí)物如圖9所示. 它的外表面是球面，內(nèi)表面是漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡面，非球面表面反射日光燈管像彎曲，球面表面反射的日光燈管像看起來仍然筆直. 由此得出漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的曲率半徑是連續(xù)變化的，在不同區(qū)域有不同的曲率半徑.

圖9　銑削并拋光后的鏡片實(shí)物圖

2漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼用鏡片的面形檢測(cè)與分析

為進(jìn)一步客觀分析加工后的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的面形，利用自由曲面測(cè)量?jī)x(Free Form Verifier)測(cè)得其光焦度分布和散光分布，如圖10所示. 圖中左邊是所測(cè)量的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片的光焦度分布，遠(yuǎn)用區(qū)各點(diǎn)的光焦度約為-1.95屈光度，與設(shè)計(jì)要求的光焦度偏差約為0.05屈光度，且遠(yuǎn)用區(qū)較大范圍內(nèi)光焦度基本保持不變；近用區(qū)各點(diǎn)的光焦度約為0.20屈光度，與設(shè)計(jì)值偏差0.2屈光度. 通道的光焦度由上而下逐漸變化，與設(shè)計(jì)意圖也基本相符合. 圖10右邊是散光分布圖，圖中藍(lán)色區(qū)域散光趨近于零，可以看出在鏡片遠(yuǎn)用區(qū)和近用區(qū)散光最小，與設(shè)計(jì)偏差約為0.25屈光度. 鏡片上從鏡片中心到半徑為30 mm的范圍內(nèi)，散光從中軸線到兩側(cè)逐漸增大，最大散光與設(shè)計(jì)值偏差小于0.25屈光度.

圖10　漸進(jìn)多焦點(diǎn)透鏡光焦度分布和散光分布圖

3結(jié)論

本文主要以漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片為例介紹了利用

精雕機(jī)加工自由曲面光學(xué)元件的技術(shù)，將設(shè)計(jì)出的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片表面矢高點(diǎn)陣數(shù)據(jù)通過TRACEPRO宏語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為精雕機(jī)軟件JDPaint能接收的IGS格式的NURBS面形，轉(zhuǎn)化后的自由曲面面形整體光滑，所需計(jì)算時(shí)間短. 通過精雕機(jī)CNC機(jī)床加工自由曲面光學(xué)元件的加工工藝簡(jiǎn)單，操作方便，并且經(jīng)銑削加工及拋光后得出的漸進(jìn)多焦點(diǎn)鏡片與設(shè)計(jì)要求基本相符.

參考文獻(xiàn)：

[1]潘君驊. 光學(xué)非球面的設(shè)計(jì)、加工與檢驗(yàn)[M]. 蘇州:蘇州大學(xué)出版社,2004:1-9.

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[6]吳泉英,錢霖，陳浩，等. 漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼用鏡片的子午線設(shè)計(jì)研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2009,29(11):3186-3191.

[責(zé)任編輯：郭偉]

Research on fabrication of progressive multi-focal lens

WANG Hai-yun1, WU Quan-ying1,2, TANG Yun-hai1,LIU Jun1, CHEN Xiao-yi2, ZHANG Hao1,2, ZHONG Tang1

(1. School of Mathematics and Physics， Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009, China; 2. Soochow Mason Optics Co., Ltd., Suzhou 215028, China)

Abstract:Take progressive multi-focal lens as an example, the fabrication technique of free form optical elements by Jingdiao CNC engraving machine was illustrated. The point cloud data was converted into non-uniform rational B-spline free-form surface using the macro language of TRACEPRO software. The free-form surface was exported as IGES file which was later imported into JDPaint software of Jingdiao CNC engraving machine to create tool path. Progressive multi-focal lenses were fabricated and measured by free form verifier to produce the focal power and the astigmatism. It was shown that this technique was easy to operate and the fabricated progressive multi-focal lenses could meets design requirements basically.

Key words:progressive mult-focal lens; glasses; focal power; astigmatism

收稿日期：2016-01-26；修改日期：2016-03-14

作者簡(jiǎn)介：王海云(1994-)，女，江蘇如皋人，蘇州科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院2013級(jí)本科生. 通信作者：吳泉英(1965-)，女，江蘇蘇州人，蘇州科技大學(xué)數(shù)理學(xué)院教授，博士，主要從事圖像信息處理、光學(xué)設(shè)計(jì)與加工等方面的研究.

中圖分類號(hào)：O435.1;TH74

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)06-0030-04

資助項(xiàng)目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(No.BY2013031)；蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.SYG201323)；蘇州蘇大明世光學(xué)股份有限公司江蘇省企業(yè)研究生工作站(No.2013-332)；江蘇省普通高校研究生科研(實(shí)踐)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(No.KYLX15_1313)