自由曲面光學(xué)技術(shù)

1、光學(xué)工程 陳daye666666目錄簡(jiǎn)介面型加工技術(shù)發(fā)展歷史面型檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介光學(xué)自由曲面沒(méi)有嚴(yán)格確切的定義，通常指無(wú)法用球面或者非球面系數(shù)來(lái)表示的光學(xué)曲面，主要是指非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的曲面或者只能用參數(shù)向量來(lái)表示的曲面。光學(xué)自由曲面已經(jīng)滲透到我們生活中的各個(gè)角落，如能改善人類視覺(jué)質(zhì)量的漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼鏡，就是自由曲面技術(shù)在眼用光學(xué)鏡片中的成功應(yīng)用。1簡(jiǎn)介精度精度采用多軸超精密金剛石機(jī)床加工光學(xué)自由曲面 ,可達(dá)到亞微米級(jí)形狀精度和納米級(jí)表面粗糙的高精度水平。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在成像系統(tǒng)中，該技術(shù)可以矯正像差、提高成像質(zhì)量、減小系統(tǒng)單元數(shù)量及重量；在高性能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該技術(shù)不僅可以有效提高光能利用率，更可消除系統(tǒng)對(duì)

2、照明方向性的嚴(yán)格要求，并且提供了很大的設(shè)計(jì)自由度。加工技術(shù)發(fā)展歷史80年代以來(lái)，出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有：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)、計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)和非球面復(fù)印技術(shù)等，這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的問(wèn)題。前四種方法運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)。2發(fā)展歷程16381638年年Kepler采用非球面透鏡在近、遠(yuǎn)距離上獲得了無(wú)像差球面,奠定了非球面光學(xué)基礎(chǔ)19721972年美國(guó)UnionCarbide公司研制成功了R方式的非球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺(tái)具有位置反饋的雙坐

3、標(biāo)數(shù)控車床，可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角和半徑R，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)380mm，加工工件的形狀精度為O.63m，表面粗糙度為0.025m。發(fā)展歷程19801980年年摩爾公司首先開(kāi)發(fā)出了用3個(gè)坐標(biāo)控制的M18AG非球面加工機(jī)床，這種機(jī)床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡。英國(guó)RankPneumo公司向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床，該機(jī)床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡，加工工件形狀精度達(dá)0.25-0.5m，表面粗糙度Ra在0.01-O.025m之間。隨后又推出 了 A S G 2 5 0 0 、 A S G 2 5 0 0 T 、Nanoform30

4、0等機(jī)床19841984年年代表當(dāng)今員高水平的超精密金剛石車床是美國(guó)勞倫斯.利弗莫爾(LLNL)實(shí)驗(yàn)室研制成功的LODTM，它可加工直徑達(dá)2100mm，重達(dá)4500kg的工件其加工精度可達(dá)0.25m，表面粗糙度RaO.0076m，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線裝置用的零件和大型天體反射鏡等。發(fā)展歷程19901990年年英 國(guó) R a n k P n e u m o 公 司 開(kāi) 發(fā) 出Nanoform600，該機(jī)床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡，加工工件的形狀精度優(yōu)于0.1m，表面粗糙度優(yōu)于0.01m。目前目前英國(guó)Cranfield大學(xué)精密工程

5、研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛石鏡面切削機(jī)床，可以加工大型X射線天體望遠(yuǎn)鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm，最大長(zhǎng)度為600mm的圓錐鏡)。日本制造的加工機(jī)床有：東芝機(jī)械研制的ULGl00A(H)不二越公司的ASPL15、豐田 工 機(jī) 的 A H N 1 0 、 A H N 3 0 2 5 、AHN603D非球面加工機(jī)床等。待續(xù)待續(xù)面型加工技術(shù)美國(guó)的Precitech公司，仍無(wú)自己的自由曲面刀具軌跡自動(dòng)生成、預(yù)報(bào)及優(yōu)化軟件，雖然Moore公司目前開(kāi)發(fā)了自由曲面刀具軌跡生成軟件，仍未有配套的加工過(guò)程和策略優(yōu)化模型及相應(yīng)的面形測(cè)量軟件，并且其軟件局限于該公司自己生產(chǎn)的機(jī)床，不具通

6、用性。英國(guó)Zeeko公司開(kāi)發(fā)了自由曲面刀具軌跡生成軟件，只適用于拋光機(jī)，其切削機(jī)理及表面生成過(guò)程完全不同于切削加工，不可應(yīng)用于自由曲面的飛刀銑削過(guò)程。3 1、經(jīng)典研拋法即經(jīng)過(guò)銑磨，將毛坯加工成需要的形狀。該形狀需要提前做一計(jì)算，得到最大去除量形狀，從而減輕后續(xù)過(guò)程任務(wù)量，程任務(wù)量。該過(guò)程需要用到銑磨機(jī)，屬于下面要提到的粗磨的銑削加工，又稱范成法加工。銑磨成型銑磨成型即用研磨劑，研磨光學(xué)元件表面以減少成形過(guò)程中產(chǎn)產(chǎn)生的下表面損傷。這一過(guò)程根據(jù)添加研磨劑尺寸不同，分為粗磨和精磨。精磨過(guò)程中還需要使用冷卻液，起到冷卻、潤(rùn)滑、清洗和化學(xué)反應(yīng)等作用。精磨后的光學(xué)元件由于有凹凸層的存在而形成不透明的表面，

7、這也是拋光的必要性所在。研磨研磨可以分為初拋光和精拋光等兩個(gè)過(guò)程。光學(xué)零件的拋光是獲得光學(xué)表面的工序。其目的首先是去除精磨的破壞層，達(dá)到規(guī)定的表面疵病要求，其次是精修面形， 達(dá)到要求的光圈，形成透鏡規(guī)則的表面。拋光拋光2、軌跡成型法軌跡成形法主要包括使用成形工具的軌跡成形法、使用仿形靠模的軌跡成形法和使用機(jī)構(gòu)軌跡的成型法等幾種。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)傳統(tǒng)的軌跡成形法加工自由曲面，共同的特點(diǎn)是加工效率高，但一般難于加工高精度的自由曲面，其根本原因在于加工所依據(jù)的軌跡的準(zhǔn)確性差，軌跡轉(zhuǎn)移精度不高，而且模具或機(jī)構(gòu)等的軌跡單一，只能加工一種尺寸一種形狀的非球面，且可加工的材質(zhì)有限，通用性差， 通常只用于中低精度

8、非球面零件的批量生產(chǎn)。 由于該方法已經(jīng)比較成熟，并且很傳統(tǒng)，目前，國(guó)外對(duì)這方面研究的報(bào)道很少。國(guó)內(nèi)主要是中科院長(zhǎng)春光機(jī)所和長(zhǎng)春理工大學(xué)在做這方面的研究工作。類別類別3、CNC磨削、研磨和拋光技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)其加工過(guò)程大致可以概述為計(jì)算機(jī)控制的精密機(jī)床先將工件表面磨削成一個(gè)最接近自由曲面的球面，在不改變工件面形精度的前提下，通過(guò)研磨加工去除偏離量，最后通過(guò)拋光的方法達(dá)到曲面的表面質(zhì)量要求，左圖即為CNC磨削、研磨和拋光流程圖。此加工過(guò)程的特點(diǎn)是階段多、周期長(zhǎng)，起始球面的選擇對(duì)偏離量及工藝的制定起著決定性作用；適合加工高精度、大及超大口徑的光學(xué)元件；對(duì)碳化鎢、光學(xué)玻璃等脆硬材料有明顯的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，

9、這種方法也有很多不足之處，如果要加工不同的自由曲面零件，由于工件表面的光潔度和成形精度都需要通過(guò)磨削、研磨和拋光來(lái)改善，就需要大量的研磨盤(pán)，提高了成本，同時(shí)也增加了維護(hù)的難度；還有就是拋光過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生一些形狀誤差，自由曲面的不對(duì)稱度越大，誤差也就越大。4、飛切加工技術(shù)飛切加工是復(fù)雜曲面光學(xué)零件制造領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要革新技術(shù)，由于其可以在一次裝夾中同時(shí)完成光學(xué)表面和基準(zhǔn)面的加工，所以一直以來(lái)都是軍工中透鏡和反射鏡的主要加工方式。飛切加工的加工原理右圖所示，金剛石刀具安裝在主軸徑向圓周上，通過(guò)工件沿X、Y、Z向的運(yùn)動(dòng)及主軸相對(duì)于工件的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具單點(diǎn)銑削，從而完成曲面的加工。原理原理從

10、飛切加工的原理分析可知，加工過(guò)程中刀具每轉(zhuǎn)一周只有一少部分時(shí)間參與切削，同時(shí)為了達(dá)到復(fù)雜曲面光學(xué)零件所需的表面質(zhì)量，飛刀每轉(zhuǎn)相對(duì)于工件的進(jìn)給量要很小，所以切削加工的時(shí)間會(huì)非常長(zhǎng)，效率很低，例如切削一個(gè)100mm100mm的零件就需要數(shù)天時(shí)間。此外，刀具擺動(dòng)直徑的大小往往也會(huì)限制飛切加工的應(yīng)用范圍。分析分析5、刀具伺服加工慢速滑板伺服技術(shù)（Slow Slide Servo），簡(jiǎn)稱加工原理左圖所示，由主軸帶動(dòng)工件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀具沿X向做往復(fù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)Z向進(jìn)給由機(jī)床自帶的Z軸導(dǎo)軌直接產(chǎn)生，主軸和其他軸作為整體進(jìn)行控制。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易調(diào)試，成本低。同時(shí)由于Z軸可以實(shí)現(xiàn)較大的行程，所以能夠加工

11、回轉(zhuǎn)對(duì)稱度大的復(fù)雜曲面。但這種加工方法對(duì)設(shè)備要求比較高，X軸和Z軸方向的進(jìn)給要反應(yīng)靈敏，精確，且反饋系統(tǒng)必須有足夠高的分辨率。此外，由于Z軸的頻率響應(yīng)比較低，與之緊密聯(lián)系的主軸轉(zhuǎn)速也比較低，導(dǎo)致切削速度低，表面質(zhì)量難以保證，加工效率也較低。快速刀具伺服加工快速刀具伺服加工基于直線型FTS的金剛石車削加工的運(yùn)動(dòng)包括三部分：工件繞主軸（C軸）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、金剛石刀具沿X軸向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和沿Z軸向的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中在旋轉(zhuǎn)的主軸上安裝了一個(gè)編碼裝置，使其不僅能對(duì)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制還能反饋角度位置。在自由曲面車削過(guò)程中，工件裝夾在車床主軸（C軸）上，主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，F(xiàn)TS機(jī)構(gòu)安裝在可沿X向和Z向

12、運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌平臺(tái)上，X向進(jìn)給由工作臺(tái)來(lái)完成，數(shù)控系統(tǒng)需要根據(jù)主軸的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角、X軸工作臺(tái)的位移及自由曲面方程計(jì)算出FTS刀架的進(jìn)給量，并加入刀具半徑補(bǔ)償，然后通過(guò)FTS刀架控制器控制FTS刀架帶動(dòng)金剛石刀具做高頻率的快速往返直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，遍歷曲面上一定數(shù)量的點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)Z向進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)自由曲面零件的精密高效加工。慢速刀具伺服加工慢速刀具伺服加工快速刀具伺服（FTS）車削機(jī)床的結(jié)構(gòu)慢速滑板伺服技術(shù)加工原理6、離子束加工法基本原理基本原理采用機(jī)械方法進(jìn)行光學(xué)拋光時(shí)，固體拋光頭依靠機(jī)械力的作用對(duì)工件表血實(shí)現(xiàn)材料的去 除。與傳統(tǒng)的機(jī)械拋光方法不同，離了束研磨采用被充電的高能正離子轟擊放在真空室里的 零件

13、的表面，從其表面把玻璃等材料以原子為單位進(jìn)行去除。材料的去除量取決于離子束在 該點(diǎn)的濺射時(shí)間。由于離子束研磨時(shí)在原子兩級(jí)上實(shí)現(xiàn)材料的去除，因而材料的去除效率較 低，往往在采用該方法前，在工件表面要經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)方法的預(yù)拋光，待偏差在一到兩個(gè)波長(zhǎng)之 內(nèi)再采用離子束研磨對(duì)工件表面實(shí)現(xiàn)高精度修正。理論上，離子束成形技術(shù)對(duì)加工元件沒(méi)有 物理加載，離子束“工具”不受工件位置影響，像工件局部地區(qū)是否適配、邊緣效應(yīng)等。離子 朱拋光是對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控小工具拋光的一種很好的補(bǔ)充和升級(jí)，尤其是對(duì)一般模具墊光工件的 邊緣效應(yīng)和輕質(zhì)鏡結(jié)構(gòu)基底的復(fù)印效應(yīng)的校正。由于離子束研磨制造需要的設(shè)備比較大，運(yùn) 行成本較高，因此一般很少采用

14、，但是對(duì)于某些具有特殊高精度要求的精磨則不得不采用離 子束研磨技術(shù)。 離子束加工設(shè)備6、離子束加工法 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件Kodak 2.5m 計(jì)算機(jī)五軸數(shù)控離子束成形系統(tǒng)由 3 個(gè)主要的子系統(tǒng)組成：真空系統(tǒng)；離 子源位移系統(tǒng)；離子源系統(tǒng)該真空系統(tǒng)由兩級(jí)機(jī)械泵和冷凝泵組成。離子源位移系統(tǒng)由五 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)控制，沿 3 個(gè)直角 坐標(biāo)線位移和繞兩個(gè)直角坐標(biāo)角 位移，以保證離子束在任意位置上 對(duì)工件表面垂直發(fā)射去除函數(shù)問(wèn)題去除函數(shù)問(wèn)題 在大多數(shù)情況下，離子束去除函數(shù)分布是一個(gè)圓形高斯曲面，與計(jì)算機(jī)控制小模具拋光的模具去除函數(shù)輪廓相似，所不同之處是離子束去除函數(shù)對(duì)工件邊緣的任意位置的重合情況不敏感。離子

15、束加工模型6、離子束加工法離子束加工法優(yōu)點(diǎn)特種加工法常用的有激光加工法、電子束加工法和離子束加工法等 精度高。能在 原 子 量 級(jí)上 實(shí) 現(xiàn) 材 料確 定 性 的 超精密 加工； 無(wú)需迭代加工 。 經(jīng) 過(guò) 一次 加 工 過(guò) 程即 可 實(shí) 現(xiàn) 對(duì)面型 誤差的修正； 抗干擾。由于 在 真 空 機(jī)內(nèi) ， 對(duì) 外 界環(huán)境的振動(dòng)、溫 度變化以及 裝 卡 穩(wěn) 定性不敏感； 面型適應(yīng)性強(qiáng) 。 不 會(huì) 產(chǎn)生 傳 統(tǒng) 拋 光方 法 中 易 于出 現(xiàn) 的 塌 、翹 邊 的 邊 緣效應(yīng)6、離子束加工法1 1需要真空系統(tǒng)；離子源位移系統(tǒng)；離子源系統(tǒng)等，且運(yùn)行成本非常 高；2 2對(duì)工件以原子量級(jí)進(jìn)行去除3 3一次去除量

16、小，需要應(yīng)用傳統(tǒng)方法使工件面型誤差至很小。 離子束加工法缺點(diǎn)6、離子束加工法加工實(shí)例為某矩形樣品經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)研拋加工后的面形情為該樣 品經(jīng) UPFA-1 型離子束加工設(shè)備加工后的情況。 目前國(guó)際上主要提供商為德國(guó)的NTGL-Nanotechnologie Leipzig GmbH公司大可加工口徑為 400mm。其UPFA-1 型加工設(shè)備采用的高斯形離子 束口徑為 18mm，大加工口徑為 400mm，去除量為 0.023 mm3/min。下圖為其加工實(shí)例。面形檢測(cè)技術(shù)測(cè)量與分析技術(shù)已從傳統(tǒng)非球面轉(zhuǎn)移到了自由曲面，目前市場(chǎng)上的商業(yè)產(chǎn)品，如 Vecco、Taylor-Hobson 等公司產(chǎn)品只可分析非球

17、面的面形精度；對(duì)于任意自由曲面，上述公司生產(chǎn)的 Wyko、Talysuf PGI 等系列產(chǎn)品雖可獲得測(cè)量面形的原始數(shù)據(jù)，但對(duì)自由曲面面形精度的分析，目前尚無(wú)成熟的技術(shù)和方法。Taylor- Hobson公司的軟件Talymap目前通過(guò)擬合來(lái)去除形狀從而獲得面形誤差，但受到測(cè)量數(shù)據(jù)誤差的影響， 不可能真正實(shí)現(xiàn)自由曲面亞微米面形誤差的評(píng)定；日本 Panasonic 公司宣稱可評(píng)定部分自由曲面面形誤差，但其可行性及標(biāo)準(zhǔn)性仍待確定， 其技術(shù)仍處于保密狀態(tài)。41、CGH檢測(cè)法原理原理CGH是一種衍射光學(xué)元件，可通過(guò)衍射產(chǎn)生幾乎任何形狀的波前，這種技術(shù)很早就被用來(lái)檢測(cè)非球面。由于CGH在設(shè)計(jì)和制作上不限于

18、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱方式，因此很適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)自由曲面這類無(wú)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的光學(xué)表面的零位補(bǔ)償檢測(cè)。值得提到的是，離軸非球面傾斜后平移至軸上，可將其當(dāng)作自由曲面進(jìn)行檢測(cè)，使用這種策略進(jìn)行檢測(cè)，能減小檢測(cè)光路的相對(duì)孔徑，并且CGH所需補(bǔ)償?shù)奈幌嘈∮跈z測(cè)其同軸母鏡所需補(bǔ)償?shù)奈幌?，因而有效地降低了CGH的條紋密度。CGH檢測(cè)自由曲面的基本原理如圖所示，檢測(cè)光兩次通過(guò)CGH被衍射，第一次通過(guò)時(shí)，CGH在波前上附加相位函數(shù)（x, y）形成1級(jí)衍射波前,將球面波變換為與自由曲面吻合的理想波前;第二次通過(guò)CGH在波前上附加相位函數(shù)-（x, y）形成-1級(jí)衍射波前,將波前變換為球面波。CGH計(jì)算過(guò)程可以使用光線追跡完成，如下圖所示，從干涉儀焦點(diǎn)到被檢面上各點(diǎn)的光程相等，因此CGH的相位函數(shù)可以表達(dá)為(Q)=-OPD(FQ)-OPD(QP)式中：F為干涉儀焦點(diǎn);P(x, y, sag(x, y)為被檢面上的點(diǎn);Q為CGH表面上的點(diǎn)。CGH在基板的后表面，為自由曲面的法線方向，由于常數(shù)項(xiàng)對(duì)CGH的相位函數(shù)無(wú)意義，故在該方程中略去。CGH設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合該方程和自由曲面方程，可使用數(shù)值方法計(jì)算出相位函數(shù)的等高線，位相差為/2的相鄰兩根