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光學非球面加工

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2018-08-15 09:00:00 來源:光電資訊

      非球面光學零件是一種非常重要的光學零件,常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。本文主要講關於光學非球面加工的相關內容。

非球面光學零件可以獲得球面光學零件無可相比的良好的成像質量,在光學系統中能夠很好的矯正多種像差,改善成像質量,進步系統鑒別能力,它能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件,從而簡化儀器結構,降低本錢並有效的減輕儀器重量。

非球面光學零件在軍用和民用光電產品上的應用也很廣泛,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、衛星紅外看遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通訊的光纖接頭、醫療儀器等中。

80年代以來,出現了很多種新的非球面超精密加工技術,主要有:計算機數控單點金剛石車削技術、計算機數控磨削技術、計算機數控離子束成形技術、計算機數控超精密拋光技術和非球面複印技術等,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題目。前四種方法運用了數控技術,均具有加工精度較高,效率高等特點,適於批量生產。

進行非球面零件加工時,要考慮所加工零件的材料、外形、精度和口徑等因素,對於銅、鋁等軟質材料,可以用單點金剛石切削(SPDT)的方法進行超精加工,對於玻璃或塑料等,當前主要采用先超精密加工其模具,而後再用成形法生產非球面零件,對於其它一些高硬度的脆性材料,目前主要是通過超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進行加工的,另外.還有非球面零件的特種加工技術如離子束拋光等。

國外很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,並且研製出超精密複合加工系統,如RankPneumo公司生產的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研製的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有複合加工功能,這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。

我國從80年代初才開始超精密加工技術的研究,比國外整整落後了20年。近年來,該項工作開展較好的單位有北京機床研究所、中國航空精密機械研究所、哈爾濱產業大學、中科院長春光機所應用光學重點實驗室等。為更好的開展對此項超精密加工技術的研究,國防科工委於1995年在中國航空精密機械研究所首先建立了國內第一個從事超精密加工技術研究的重點實驗室。

美國UnionCarbide公司於1972年研製成功了R―θ方式的非球面創成加工機床。這是一台具有位置反饋的雙坐標數控車床,可實時改變刀座導軌的轉角θ和半徑R,實現非球面的鏡面加工。加工直徑達φ380mm,加工工件的外形精度為±0.63μm,表面粗糙度為Ra0.025μm。

摩爾公司於1980年首先開發出了用3個坐標控製的M―18AG非球面加工機床,這種機床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡。

英國RankPneumo公司於1980年向市場推出了利用激光反饋控製的兩軸聯動加工機床(MSG―325),該機床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡,加工工件外形精度達0.25-0.5μm,表面粗糙度Ra在0.01-0.025μm之間。隨後又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床,該公司又在上述機床的基礎上,於1990年開發出Nanoform600,該機床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡,加工工件的外形精度優於0.1μm,表面粗糙度優於0.01μm。

代表當今員高水平的超精密金剛石車床是美國勞倫斯.利弗莫爾(LLNL)實驗室於1984年研製成功的LODTM,它可加工直徑達2100mm,重達4500kg的工件其加工精度可達0.25μm,表面粗糙度Ra0.0076μm,該機床可加工平面、球面及非球面,主要用於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Cranfield大學精密工程研究所(CUPE)研製的大型超精密金剛右鏡面切削機床,可以加工大型X射線天體看遠鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達1400mm,最大長度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研製成功了可以加工用於X射線看遠鏡內側回轉拋物面和外側回轉雙曲面反射鏡的金剛石切削機床

日本開發的超精密加工機床主要是用於加工民用產品所需的透鏡和反射鏡,目前日本製造的加工機床有:東芝機械研製的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、豐田工機的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工機床等。

非球面曲面光學零件在現代高能激光武器、慣性約束核聚變點火工程、空天遙感和深空探測以及航空航天精確打擊系統中發揮著極為重要的作用,應用範圍日益廣泛。其中一些系統因使用環境和有關條件(如航空航天對重量、過載、溫度環境等要求)限製,對零件材料性能(比剛度、溫度穩定性、加工特性等)有著非常嚴苛的要求。

在這種情況下,傳統的非球面光學零件加工方法不僅在時間、效率和成本上遠遠不能滿足要求,更重要的是不能完成像對鈹、金、銅等有色金屬和許多其他一些材料非球面光學曲面的加工。同時,傳統的非球面光學零件加工方法還無法解決複雜非球面曲面零件,譬如自由曲面、保形曲面光學零件的超精密加工技術難題。

為此,迫切需要研究適應快速、高效的現代光學複雜非球面確定性超精密加工技術。另一方面,隨著現代計算機技術、超精密測量技術、超精密運動控製技術、各種相關精密元部件製造技術以及小環境控製技術等的發展,也為實現上述要求的現代複雜非球面加工製造技術提供了技術支撐,使之成為現實可能。

非球面光學零件確定性超精密加工技術和裝備是現代先進製造技術的典型代表,單點金剛石數控車削(SPDT)機床是現代超精密數控光學加工的最典型、最重要的加工裝備。SPDT可實現金屬基反射鏡、紅外材料透鏡等非球面、離軸非球面等光學元件的高效、確定性超精密加工。

由於以SPDT為代表的現代超精密數控光學加工裝備技術水平對國家的軍事和國民經濟領域尖端技術的發展具有重大作用,世界發達國家對我國采取了嚴格的裝備禁運和技術封鎖。特別是在大尺寸、超高精密、多坐標聯動技術產品方面控製方面尤為嚴格。

近年來,中航工業精密所依托其在超精密加工技術領域的研究基礎和傳統,開展了“非球面光學零件確定性超精密加工技術和裝備”項目研究,突破了大型光學數控加工機床設計、製造及運行環境控製等關鍵技術,在大承載力、高剛性的超精密立式液體靜壓主軸技術,大行程、高剛性、無摩擦效應超精密液體靜壓導軌驅動與控製技術,機床Z軸無摩擦幹涉效應的全氣浮氣缸精密平衡與導軌技術,納米分辨率開放式高性能數控系統集成技術,機床溫度及振動環境精密控製技術以及高品質壓力油源、氣源供給技術等方面取得了一系列成果,最終研製成功“Nanosys-1000 LODTM數控光學加工機床”及其輔助支撐系統。

該機床通過納米分辨率的超精密加工運動軌跡控製,用金剛石刀具直接車削成形金屬、紅外等材料的大型光學零件。該機床可高效地加工傳統光學加工技術和裝備難以加工或根本無法加工的多種材料(如金屬基、紅外及KDP晶體等)和複雜曲面(深度非球面、離軸非球面等)現代光學系統元件。

該系統自研製成功以來,經過幾年的連續運行、工藝研究及工程應用,整體性能表現良好,精度穩定可靠。2016年,由該機床製造的直徑達Φ1000mm的大口徑非球面拋物面鋁基反射鏡參加了第十三屆中國國際機床工具展覽會(CIMES2016),吸引了現場不少業界人士的關注,也標誌著我國利用自主研發的超精密加工設備製造大口徑非球面超精密光學零件成為現實。同時,該系統已先後為中國電子科技集團公司、北京郵電大學、中國計量科學研究院和中國科學院物理研究所等科研生產機構解決了不少超精密加工技術難題,包括太赫茲關鍵技術驗證、卡塞格倫太赫茲天線系統及太赫茲通訊系統等,滿足了我國國防科技工業尖端裝備和民用光電市場的迫切需求,具有重要的軍事價值、社會效益和經濟效益。

“Nanosys-1000 LODTM 數控光學加工機床”的成功研製和良好運行,表明大口徑非球面曲面超精密加工設備製造和工藝關鍵技術方面取得了一系列重要突破,打破了國外的技術封鎖和裝備禁運,使我國的非球面光學零件的超精密加工技術水平上躍了一個新的台階,項目成果達到了同類技術國際先進水平。

非球面

廣義來說,非球面是不包括球面和平面的其他表面。從應用的角度來說,非球面可以分成軸對稱的非球面、具有兩個對稱面的非球面、沒有對稱性的自由曲面。

通常把非球面分成二次非球面和高次非球面。二次非球面在光學系統當中應用最廣,相對於其他類型的非球面有著特殊的位置。二次非球面又可以分為:有一對無像差點的非球面和沒有無像差點的非球面。前者廣泛應用於各種光學儀器當中,是最常見的非球面。後者廣泛應用在形成變形像的光學系統當中。高次非球面可以分成單調子午曲線的表面和非單調表面。

非球面透鏡,曲率半徑隨著中心軸而變化,用以改進光學品質,減少光學元件,降低設計成本。非球面透鏡相對於球面透鏡具有獨特的優勢,因此在光學儀器、圖像、光電子工業得到了廣泛的應用,例如數碼相機、CD播放器、高端顯微儀器。

非球面透鏡,曲率半徑隨著中心軸而變化,用以改進光學品質,減少光學元件,降低設計成本。非球面透鏡相對於球面透鏡具有獨特的優勢,因此在光學儀器、圖像、光電子工業得到了廣泛的應用,例如數碼相機、CD播放器、高端顯微儀器。

加工方法的分類和特點

材料去除法:

以銑磨、車削和拋光為代表,主要包 括傳統範成法銑磨和修磨拋光;數控銑、車削、精密磨拋;計算機控製拋光等。特別是對於數控拋光,以拋光媒質的不同又可分為小磨具、應力盤、離子束、等離子體、磁流變、液體噴射拋光等。

其特點是效率相對較高、與傳統光學加工有互通之處易於被接受、靈活性較高、適合於樣件的研製和中小批量生產。但產品的一緻性較差,對操作者的要求較高。

模具成形法:

玻璃熱壓成形、光學塑料注射成形、熱沉降和固化成形。其特點是效率極高、成品的一緻性好、對操作者的要求較低,適合於大批量生產。但對模具要求較高、初期投入大和工藝流程較為複雜。

附加材料法:

真空鍍膜和複製成形。其實質是在最接近球面的基礎上附加一層與非球面度和折射率相匹配的薄層材料。其特點工件的一緻性好,對設備要求不高,靈活性好。適合於中小批量和反射元件的生產。但由於附加層須與基底材料具有匹配性限製了應用。

最新相關研究

波長光電成功實現非球面CaF2和Si 的加工突破

CaF2材料是一種可以用於紅外和紫外光譜的光學材料,其透光性能好,覆蓋光譜寬,在紫外激光,照相複製,紅外熱成像領域都受到青睞。但是CaF2的物理性能脆弱,容易受潮,溫度變化下容易脆裂,因此使得加工和儲存非常困難。若設計為非球面,加工也非常的困難。

波長光電近期成功開發了非球面CaF2的加工製造工藝,采用先進超精密加工設備,可以達到精密非球面面形,表面粗燥度優於傳統加工。

紅外Si材料在中波3-5um領域是最常用的材料,Si非球面一直不容易加工,其原因也是Si材料物理性能脆硬,加工刀具非常容易磨損,使得Si非球面一直停留在小數量樣品階段,不能得到大量的運用。高昂的刀具成本也使得Si非球面透鏡價格很高。

波長光電的工藝技術團隊經過不斷嚐試,采用超精密加工技術成功攻克了這個難題,解決了Si表面加工非球面的批量生產的困惑,實現可批量供貨的能力。 

CaF2材料的透光光譜


Si材料的透光光譜

非球面透鏡可以更好地校正像差,節省光學材料,減低產品成本。圖為非球面CaF2和Si透鏡


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