非球面光學(xué)元件超精密加工技術(shù)分析
非球面光學(xué)元件是指面形由多項(xiàng)高次方程決定、面形上各點(diǎn)的半徑均不同的光學(xué)元件。一般應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡及反射鏡，曲面型式多數(shù)為平面和球面，原因是這些簡(jiǎn)單型式的曲面加工、檢驗(yàn)容易，但是用在某些高度精密成像系統(tǒng)有一定的限度。雖然非球面的復(fù)雜曲面制造困難，但是某些光學(xué)系統(tǒng)中依然是需要的。采用非球面技術(shù)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，可消除球差、慧差、像散、場(chǎng)曲，減少光能損失，從而獲得高質(zhì)量的圖像效果和高品質(zhì)的光學(xué)特性。
1、概述
1.非球面光學(xué)元件的作用
非球面光學(xué)元件是一種非常重要的光學(xué)零件，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)元件可以獲得球面光學(xué)零件無(wú)可比擬的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，它能以一個(gè)或幾個(gè)非球面零件代替多個(gè)球面零件，從而簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量。
非球面光學(xué)元件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外望遠(yuǎn)鏡、錄像機(jī)鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫(yī)療儀器等中。
1.2 國(guó)外非球面元件的超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀
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)。
進(jìn)行非球面元件加工時(shí)，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑等因素，對(duì)于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)的方法進(jìn)行超精加工，對(duì)于玻璃或塑料等，當(dāng)前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生產(chǎn)非球面零件，對(duì)于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過(guò)超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進(jìn)行加工的，另外.還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。
國(guó)外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有復(fù)合加工功能，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。
1.3 我國(guó)非球面元件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀
我國(guó)從80年代初才開始超精密加工技術(shù)的研究，比國(guó)外整整落后了20年。近年來(lái)，該項(xiàng)工作開展較好的單位有北京機(jī)床研究所、中國(guó)航空精密機(jī)械研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。
為更好的開展對(duì)此項(xiàng)超精密加工技術(shù)的研究，國(guó)防科工委于1995年在中國(guó)航空精密機(jī)械研究所首先建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
2、非球面元件超精密切削加工技術(shù)
美國(guó)Union Carbide公司于1972年研制成功了 R―θ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標(biāo)數(shù)控車床，可實(shí)時(shí)改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角θ和半徑 R，實(shí)現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)φ380mm，加工工件的形狀精度為±0.63μm，表面粗糙度為Ra0.025μm。
摩爾公司于1980年首先開發(fā)出了用3個(gè)坐標(biāo)控制的M―18AG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) Rank Pneumo公司于1980年向市場(chǎng)推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床(MSG―325)，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) 0.25-0.5μm，表面粗糙度 Ra在0.01-0.025μm之間。隨后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開發(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0.1μm，表面粗糙度優(yōu)于0.01μm。
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)室于1984年研制成功的 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)0.25μm，表面粗糙度Ra0.0076μm，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。
英國(guó) Cranfield大學(xué)精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛右鏡面切削機(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)。該研究所還研制成功了可以加工用于 X射線望遠(yuǎn)鏡內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡的金剛石切削機(jī)床。
日本開發(fā)的超精密加工機(jī)床主要是用于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射鏡，目前日本制造的加工機(jī)床有：東芝機(jī)械研制的 ULG―l00A(H)不二越公司的 ASP―L15、豐田工機(jī)的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球面加工機(jī)床等。
3、非球面元件超精密磨削加工技術(shù)
3.1 非球面元件超精磨削裝置
英國(guó) Rank Pneumo公司1988年開發(fā)了改進(jìn)型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機(jī)床，這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡，加工工件的形狀精度為0.3-0.16μm，表面粗糙度達(dá)Ra0.01μm。最近又推出 Nanoform250超精密加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)兩軸超精密 CNC機(jī)床，在該機(jī)床上既能進(jìn)行超精密車削又能進(jìn)行超揚(yáng)密磨削.還能進(jìn)行超精密拋光。最突出的特點(diǎn)是可以直接磨削出能達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求的具有光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學(xué)零件。該機(jī)床采用了許多先進(jìn)的 Nanoform600、Optoform50設(shè)計(jì)思想，機(jī)床最大加工工件直徑達(dá)250mm，它通過(guò)一個(gè)升高裝置使機(jī)床的最大加工工件直徑達(dá)到450mm，另外通過(guò)控制垂直方向的液體靜壓導(dǎo)軌(Y軸)還能磨削非軸對(duì)稱零件，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率達(dá) 0.001μm，位置反饋元件采用了分辨率為8.6nm的光柵或分辨率為1.25nm的激光干涉儀，加工工件的面型精度達(dá)0.25μm，表面粗糙度優(yōu)于 Ra0.01μm。
Nanocentre250、 Nanocentre600是一種三軸超精密 CNC非球面范成裝置，它可以滿足單點(diǎn)和延性磨削兩個(gè)方面的使用要求，通過(guò)合理化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、利用高剛度伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液體靜壓軸承使機(jī)床具有較高的閉環(huán)剛度， x和 Z軸的分辨率為1.25nm，這個(gè)機(jī)床被認(rèn)為是符合現(xiàn)代工藝規(guī)范的。 CUPE生產(chǎn)的 Nanocentre非球面光學(xué)零件加工機(jī)床，加工直徑達(dá)600mm.面型精度優(yōu)于0.1μm，表面粗糙度優(yōu)于 Ra0.01μm。 CUPE還為美國(guó)柯達(dá)公司研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了當(dāng)今世界上最大的超精密大型 CNC光學(xué)零件磨床"0AGM2500"，該機(jī)床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工，可加工和測(cè)量2.5m×2.5m×0.61m的工件，它能加工出2m見方的非對(duì)稱光學(xué)鏡面，鏡面的形狀誤差僅為1μm。
日本豐田工機(jī)研制的 AHN60―3D是一臺(tái) CNC三維截形磨削和車削機(jī)床，它能在 X、 Y、和 Z三軸控制下磨削和車削軸向?qū)ΨQ形狀的光學(xué)零件，可以在 X、 Y和 Z軸二個(gè)半軸控制下磨削和車削非軸對(duì)稱光學(xué)零件，加工工件的截形精度為0.35unl，表面粗糙度達(dá) Ra0.016μm。另外東芝機(jī)械研制的 ULG―100A(H)超精密復(fù)合加工裝置，它用分別控制兩個(gè)軸的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非球面透鏡模具的切削和磨削，其 X軸和 Z軸的行程分別為150mm和100mm，位置反饋元件是分辨率為0.01μm的光柵。
3.2 非球面光學(xué)元件的 ELID鏡面磨削技術(shù)
日本學(xué)者大森整等人從1987年對(duì)超硬磨料砂輪進(jìn)行了研究，開發(fā)了使用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)硬脆材料高品位鏡面磨削和延性方式的磨削，現(xiàn)在該方法己成功的應(yīng)用于球面、非球面透鏡、模具的超精密加工。
① ELID鏡面磨削原理
ELID磨削系統(tǒng)包括：金屬結(jié)合劑超微細(xì)粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機(jī)床設(shè)備。磨削過(guò)程中，砂輪通過(guò)接電電刷與電源的正極相接，安裝在機(jī)床上的修整電極與電源的負(fù)極相接，砂輪和電極之間澆注電解液，這樣，電源、砂輪、電極、砂輪和電極之間的電解液形成一個(gè)完整的電化學(xué)系統(tǒng)。
采用 ELID磨削時(shí)，對(duì)所用的砂輪、電源、電解液均有一些特殊要求。要求砂輪的結(jié)合劑有良好的導(dǎo)電性和電解性、結(jié)合劑元素的氫氧化物或氧化物不導(dǎo)電，且不溶于水，ELID磨削使用的電源，可以采用電解加工的直流電源或采用各種波形的脈沖電源或直流基量脈沖電源。在 ELID磨削過(guò)程中，電解液除作為磨削液外，還起著降低磨削區(qū)溫度和減少摩撩的作用，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全屬基結(jié)合劑砂輪的機(jī)械強(qiáng)度高，通過(guò)設(shè)定合適的電解量，砂輪磨損小。同時(shí)能得到高的形狀精度。應(yīng)用這個(gè)原理，能實(shí)現(xiàn)從平面到非球面，各種形狀的光學(xué)元件的超精密鏡面磨削。
②ELID鏡面磨削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
在 Rank Pneumo公司的 ASG―2500T機(jī)床上，裝上由砂輪、電源、電極、磨削液等組成大森整 ELID系統(tǒng)毛坯粗成形加工時(shí)使用400#、半精加工時(shí)使用1000#或2000#、作鏡面磨削時(shí)使用4000#(平均粒徑約為4μm)或8000#(平均粒徑約為2μm)的鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪，電解修銳電源(ELID電源)，使用的是直流高頻脈沖電壓式專用電源，工作電壓為60V，電流為 lOA。所用的磨削液，使用時(shí)要求用純水將水溶性磨削液 AFH―M和 CEM稀釋50倍。
③ ELID鏡面磨削實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
作非球面加工時(shí)，通過(guò)安裝在工件軸上的碗形砂輪(325#鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪為φ30×W2mm)進(jìn)行平砂輪的只成形體整，作10min的電解初期修銳之后，經(jīng)過(guò)400#的粗磨和1000#的半精加工，最后再用4000#進(jìn)行 ELID鏡面磨削，在超精密非球面加工機(jī)床上，借助 ELID磨削技術(shù)，成功地加工出了光學(xué)玻璃 BK―7非球面透鏡。面型精度達(dá)到優(yōu)于 0.2μm，表面粗糙度達(dá)Ra20nm，而對(duì)于稍軟如 LASFN30和Ge等材料的非球面加工，同樣能達(dá)到面型精度優(yōu)于 0.2-0.3μm，表面粗糙度達(dá) Ra30nm。
4、非球面元件的超精密拋光(研磨)技術(shù)
超精密拋光是加工速度極慢的一種加工方法。不適合形狀范成法加工，近年來(lái)，由于短波長(zhǎng)光學(xué)元件、OA儀器和 AV機(jī)器等的飛速發(fā)展，對(duì)零件的表面粗糙度提出了更高的要求，到目前為止還沒(méi)有比超精密拋光更好的實(shí)用的方法，尤其當(dāng)零件的表面粗糙度要求優(yōu)于 0.0lμm時(shí)，這種方法是不可缺少的，對(duì)形狀精度要求很高的工件，如果采用強(qiáng)制進(jìn)給的方法進(jìn)行切削或進(jìn)行磨削時(shí)，其形狀精度將直接受到機(jī)床進(jìn)給定位精度的影響，達(dá)到所在反應(yīng)，并由此引起的加工作用，在工件表面上存在同樣微小凹的部分，在一般情況下，只能獲得波紋起伏較大的表面。
日本大阪大學(xué)工學(xué)部森勇芷教授等人利用 EEM開發(fā)了一種三軸(x、 z、 C)數(shù)控光學(xué)表面范成裝置，利用該裝置加工時(shí)，一邊在工件表面上控制聚胺脂球的滯留時(shí)間，一邊用聚胺脂球掃描加工對(duì)象的物全領(lǐng)域，利用該裝置能加工高精度的任意曲面。
5、非球面元件等離子體的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技術(shù)
目前廣泛采用的切削、研磨、拋光等機(jī)械加工方法，由于加工材料中存在微細(xì)裂紋或結(jié)晶中的品格缺陷等原因，無(wú)論怎樣提高加工精度，改進(jìn)加工裝置，總存在一定的局限性，為此，日本大阪大學(xué)工學(xué)部森勇正教授提出了一種用化學(xué)氣體加工的新的加工工藝方法，稱為等離子 CVM法，這是一種利用原子化學(xué)反應(yīng)，獲得超精密表面的一種技術(shù)，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原子起反應(yīng)，將之變成揮發(fā)性分子，并通過(guò)氣體蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)加工的，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達(dá)到與機(jī)械加工方法相匹敵的加工速度。
在高壓力下，由于氣體分子的平均自由行程極小，等離子體局限在電極附近。所以可以通過(guò)電極掃描，加工出 0.01μm精度的任意形狀的零件，另外可以以50μm/min的速度加工單晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可達(dá)0.1nm(Rrms)。
下個(gè)世紀(jì)，在硅芯片加工和半導(dǎo)體曝光裝置用的非球面透鏡加工等很多領(lǐng)域中，將應(yīng)用 CVM技術(shù)，當(dāng)前有人正在研究通過(guò) CVM和 EEM的組合，加工同步加速器用的 X射線反射鏡等原子級(jí)平坦的任意曲面。
6、非球面元件復(fù)制技術(shù)
用控制除去厚度的拋光(研磨)方法能夠制造出高精度的非球面零件，但和一般的光學(xué)零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一有復(fù)制技術(shù)，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術(shù)，這種技術(shù)能夠制造一部分非球面透鏡。塑料透鏡注射成形是將熔化的樹脂注入模具內(nèi)，一邊施加壓力，一邊冷卻固化的加工方法，這種方法能夠進(jìn)行廉價(jià)、大批量生產(chǎn)，但存在塑料自身的某些問(wèn)題，如溫度變化、吸濕導(dǎo)致透鏡折射率的變化。
玻璃的模壓成形是代替切削、磨削、研磨加工透鏡、棱鏡的最佳的小型零件大批量生產(chǎn)方法。模壓成形技術(shù)是將模具內(nèi)的溫度控制在沖壓的玻璃轉(zhuǎn)移溫度以上p軟化溫度以下，在模具內(nèi)，進(jìn)入有流動(dòng)性的玻璃，加壓成形，并且保持這種狀態(tài)20s以上，直到成形了的玻璃溫度分布均勻化，將模具的形狀精度作到0.1 μm，表面粗糙度作到0.01μm以下，在上述條件下加壓成形，能加工出和模具精度相近的零件。