非球麵光學元件是指麵形由多項（xiàng）高次方程決定、麵（miàn）形上（shàng）各（gè）點的半徑均不同的光學元件。一般應用在光學係統中的透鏡及反（fǎn）射鏡，曲麵型式多數為（wéi）平（píng）麵和球麵，原因是這些簡單（dān）型式的（de）曲麵加工、檢驗容易，但是用在某（mǒu）些高（gāo）度精（jīng）密成像係統有一定的限（xiàn）度。雖然非球麵的複雜曲麵製造困（kùn）難（nán），但是（shì）某些光學係統（tǒng）中依然是需要的。采用非球（qiú）麵技術設計的光學係統，可消除球差、慧差、像散、場曲，減少光能損失，從而獲得高質量的圖像效果和高品質（zhì）的（de）光學（xué）特（tè）性。

概述

非球麵光學（xué）零件的作用

非球（qiú）麵光學零件是一種非（fēi）常重要的光學零件，常用的有拋物麵鏡（jìng）、雙（shuāng）曲麵鏡、橢球（qiú）麵鏡等。非球麵光學（xué）零件可以獲（huò）得球麵光學零件無可比擬的良好的成像質量（liàng），在光學係統（tǒng）中能夠很好的矯正（zhèng）多種像差，改善成像質量，提高（gāo）係統（tǒng）鑒別（bié）能力，它能以一個或幾個非（fēi）球麵零（líng）件代替多個球麵零件，從（cóng）而簡化儀器結構，降低成本並有效的減輕儀器重量。

非球麵（miàn）光學（xué）零件在軍用和民用光電（diàn）產品（pǐn）上的應用也很（hěn）廣泛，如在（zài）攝影（yǐng）鏡頭和取景器、電（diàn）視（shì）攝像（xiàng）管、變焦鏡（jìng）頭、電影放影鏡頭、衛星紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信（xìn）的光纖接頭、醫療儀器等中。

1.2　國（guó）外非球麵零件的超（chāo）精密加（jiā）工技術的現狀

80年代以來，出現（xiàn）了許多（duō）種新的非球麵超精密（mì）加（jiā）工技（jì）術，主要有：

計算機數控單點金剛石車削技術、計（jì）算機數控磨削（xuē）技術、計算機（jī）數控離子束成形技術、計算機（jī）數控超精密拋光技術和非球麵複印技術等，這（zhè）些加工（gōng）方法，基本上解決了各種非球麵鏡加工中所存在（zài）的問（wèn）題。前四種方法（fǎ）運用了數（shù）控技術，均具有加工精度較高，效率高等特（tè）點，適於（yú）批量生產（chǎn）。

進行（háng）非球麵零件加工時，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度（dù）和口徑等因素，對於銅、鋁等軟質材料（liào），可以用單點金剛石（shí）切（qiē）削(SPDT)的方（fāng）法（fǎ）進行超精（jīng）加工，對於玻璃或塑（sù）料等（děng），當前主要采用（yòng）先超精（jīng）密加工其模具，而後再用（yòng）成形法生產非球麵零件，對於（yú）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（jīng）密研磨、拋光等方法進行加工的，另外．還有非球麵（miàn）零件的特（tè）種加工技術如離（lí）子束拋光等。

國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，並且研製出超（chāo）精密複合加工係統，如（rú）Rank Pneumo公司生產的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研製的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都（dōu）具有複合加工功能，這（zhè）樣可以便非球麵零件的加工更加（jiā）靈活。

1.3　我國（guó）非（fēi）球麵零件超精密加工技術的現狀

我國從80年（nián）代初才開始超精密加工技術的（de）研究，比國外（wài）整整落後了20年。近年來（lái），該（gāi）項工作開展較好的單位有北京機（jī）床研究所、中國航空精密機械研究（jiū）所、哈爾濱工業大學（xué）、中（zhōng）科院長春光機所應用光學重點實（shí）驗室等。

為更好的開展對（duì）此項超精密加工技術的研究，國防科工委於1995年在中國航（háng）空精密機械研究（jiū）所首先（xiān）建立了國內第一個（gè）從事超精密加工技術（shù）研究的重點實驗室。

非球麵零件超精密切削加工技術

美國Union Carbide公司於1972年研製（zhì）成功了 R―θ方式的非球麵創成加工機床。這是一台具有位置反饋的雙坐標數（shù）控車床，可實時改變刀（dāo）座導軌的轉角θ和半徑 R，實現非球麵的鏡麵加工。加工直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度（dù）為±0.63μm，表麵（miàn）粗糙（cāo）度為Ra0.025μm。

摩爾公（gōng）司於1980年首先開發出（chū）了用3個坐（zuò）標控製（zhì）的M―18AG非球麵加工機床，這種機床可加工直徑356mm的各種非球麵（miàn）的金屬反射鏡。

英國 Rank Pneumo公司於1980年向市場推出了利用激光反饋控製（zhì）的兩軸聯動加工機床(MSG―325)，該機床（chuáng）可加工直徑為350mm的非球麵金屬反射鏡，加工工件形狀精度達 0.25-0.5μm，表麵（miàn）粗糙度 Ra在0.01-0.025μm之間。隨後又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機（jī）床，該公司（sī）又在上述機床的基礎上，於1990年開發出Nanoform600，該機床能加工直（zhí）徑為600mm的非球麵反射鏡，加工工件的形狀精度優（yōu）於0.1μm，表麵粗糙度優於0.01μm。

代表當今員高水平的超精密金剛石車床（chuáng）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（gōng）精度可達（dá）0.25μm，表麵粗糙度Ra0.0076μm，該機床可加工平麵、球麵及非球麵，主要用於加工激光（guāng）核聚變工程所需的零件、紅（hóng）外線裝置用的零件（jiàn）和大型天體（tǐ）反射鏡等。

英國 Cranfield大學（xué）精密工程研究所(CUPE)研製的大型超精密金剛右鏡麵（miàn）切削機床，可以加工大型 X射（shè）線天體望遠鏡用的非球麵反射鏡(最（zuì）大直徑可達1400mm，最大（dà）長（zhǎng）度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研製成功了可以加工用於 X射線望遠鏡內側回轉拋物（wù）麵和外側回轉（zhuǎn）雙（shuāng）曲麵反射鏡的金剛石（shí）切（qiē）削機床。

日本（běn）開發的超（chāo）精密加工機床主要是用於加工民（mín）用產品所需的透鏡和反射鏡，目前日本（běn）製造的加工機床有：東芝機（jī）械研製（zhì）的 ULG―l00A(H)不二（èr）越公司（sī）的 ASP―L15、豐田工機的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球（qiú）麵加工機床（chuáng）等。

非球麵（miàn）零件超精密磨削加工技術

3.1　非球麵零件（jiàn）超精磨削裝置（zhì）

英國 Rank Pneumo公司1988年開發了改進型（xíng）的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床，這些機床不僅能夠進切削加工，而且也可以用金（jīn）剛石砂輪（lún）進行磨削，能加工直徑為300mm的非球麵金屬（shǔ）反射鏡，加（jiā）工工件的形狀精度為0.3-0.16μm，表（biǎo）麵粗糙度達（dá）Ra0.01μm。最近又推出 Nanoform250超精密加工係統，該係統是一個兩軸超精密 CNC機床，在（zài）該（gāi）機床上既能進行超精密車削又能進行（háng）超揚密磨削．還能進行超精密拋光。最突出的特點是可以直接磨削出能達到光學係統要求的具有光學表麵質量和麵型精度的硬脆材料光（guāng）學零件。該機床采用了許多先進的 Nanoform600、Optoform50設計思想，機床最大加工工件直（zhí）徑達250mm，它通過一個升高裝置使機床的最大加工工件直（zhí）徑達到450mm，另外通過控製垂直方向的液體靜（jìng）壓導軌(Y軸)還能磨削非軸（zhóu）對稱零件，機床數控係統的分辨（biàn）率達 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（wéi）1.25nm的激（jī）光幹涉儀，加工工件的麵型精度達0.25μm，表麵粗糙度優於 Ra0.01μm。

Nanocentre250、 Nanocentre600是一種三軸超精密（mì） CNC非球麵範成裝置，它可以滿足（zú）單點和延性磨削兩個方麵的使用（yòng）要求，通過合理化機床（chuáng）結構設計、利用高剛度伺服驅動係（xì）統和液體靜壓軸（zhóu）承使機床具有較高的閉（bì）環剛度， x和 Z軸的分辨率為1.25nm，這個機床被認為是符合（hé）現代工（gōng）藝規範（fàn）的。 CUPE生產的 Nanocentre非球麵光學零件加工機床，加工直徑達600mm．麵型精度優於0.1μm，表麵粗糙度優於 Ra0.01μm。 CUPE還為美國柯達公司研究、設（shè）計和生（shēng）產了當今世界（jiè）上最大的超精（jīng）密大型 CNC光學零（líng）件磨床"0AGM2500"，該機床主要用於光（guāng）學玻璃等硬（yìng）脆材料的（de）加工，可加工和測量2.5m×2.5m×0.61m的工件，它能加（jiā）工出（chū）2m見方的（de）非對稱光學（xué）鏡麵，鏡麵的形狀誤（wù）差僅為1μm。

日本豐田工機研製的 AHN60―3D是一台 CNC三維截形磨（mó）削和車削機床，它能在 X、 Y、和 Z三軸控製下（xià）磨削（xuē）和車削軸向對稱形狀的光學零件，可以在 X、 Y和 Z軸二個半軸控製下（xià）磨削和車削非軸對稱（chēng）光學零件，加工工件的截形精度為0.35unl，表麵粗糙度達 Ra0.016μm。另外東芝機械研製的 ULG―100A(H)超精密複合加工裝置，它用分別控製兩（liǎng）個軸的方法，實現了對非球麵透鏡模具的切削和磨削（xuē），其 X軸和 Z軸的行程分別為150mm和100mm，位置反饋元件是分辨（biàn）率為0．01μm的光柵（shān）。

3.2　非球麵光學零件的 ELID鏡麵磨削技術

日本學者大森整等人從1987年對超硬磨料砂輪進行了研究，開發了使用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，實現（xiàn）了對硬脆材料高品位鏡麵磨削和延（yán）性方式的磨削，現在該方法己（jǐ）成功的應用於球麵、非球麵透鏡、模具的超精密加工。

① ELID鏡麵磨削原理

ELID磨削（xuē）係統包括：金屬結合劑超微細粒度超（chāo）硬磨料砂（shā）輪、電解修整（zhěng）電源、電解（jiě）修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電（diàn）刷和（hé）機床（chuáng）設備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機（jī）床上（shàng）的（de）修整電極與電源的負極相接，砂輪和電極之間澆注電解液，這樣，電源、砂輪、電極、砂輪和（hé）電極之間的電解液形成一個完整的電化學係統。

采用（yòng） ELID磨削（xuē）時，對所用的砂輪、電源、電解液均有一些特殊要求。要（yào）求砂輪（lún）的結合劑有良好的導電性和電解性、結合劑元素的氫氧化物或氧化物不導電，且（qiě）不溶於（yú）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（bō）形的脈衝（chōng）電（diàn）源或直流（liú）基量脈衝電源。在 ELID磨削（xuē）過程中，電解液除作為磨削液外，還起著降（jiàng）低磨削區溫度和減少摩撩的作用，ELID磨削一般采（cǎi）用水溶性磨削液（yè），全屬基結合（hé）劑砂輪的機械強度高，通過設定合適的電解量，砂輪磨損小。同時能得到高的形（xíng）狀精度。應（yīng）用這個原理，能實現從平麵到非球麵（miàn），各種形狀的光學元件的超精密鏡麵磨削。

②ELID鏡麵（miàn）磨削實驗係統

在 Rank Pneumo公司的 ASG―2500T機床上，裝上（shàng）由（yóu）砂輪、電源、電極、磨削液等（děng）組成大森整 ELID係統毛坯粗（cū）成形加工時使用400#、半精加工時使用1000#或2000#、作鏡麵磨削時使（shǐ）用4000#(平均粒徑（jìng）約為4μm)或8000#(平均粒徑約為2μm)的鑄鐵結合劑金（jīn）剛石砂輪，電解修銳電源(ELID電源)，使用的是直流高頻脈衝電壓式專用電（diàn）源，工作電壓為60V，電流為 lOA。所用的磨削液，使用時要求用純水將水溶性磨削液 AFH―M和 CEM稀釋50倍。

③ ELID鏡麵磨削實驗方法和（hé）實驗結（jié）果

作非球麵加工時，通過安裝在工件軸上的碗形砂輪(325#鑄鐵結合劑金剛石（shí）砂輪為φ30×W2mm)進行平砂輪的隻成形體整，作10min的（de）電解初期修（xiū）銳（ruì）之後，經過400#的粗磨（mó）和1000#的半精加工，最後再用4000#進行 ELID鏡麵磨削，在超精密非球麵加（jiā）工機床上，借助 ELID磨削技術，成功（gōng）地加工出了（le）光學玻璃 BK―7非球（qiú）麵透鏡（jìng）。麵型精度達到優於 0.2μm，表麵粗糙度達Ra20nm，而對於稍軟（ruǎn）如 LASFN30和Ge等材料的非球麵加工，同樣（yàng）能達到麵型精度優於 0.2-0.3μm，表麵粗糙度達 Ra30nm。

非球麵零件的超精密拋光(研磨)技術

超精（jīng）密拋光是加工速度極慢的一種加工方（fāng）法。不適合形狀範成法加工，近年來，由於短波長光（guāng）學元件、OA儀器和（hé） AV機器等的飛速發展，對零件的表麵粗糙度提出了更高的要求，到目前為止還沒有比超精密拋光更好的實用的方法，尤其當零件（jiàn）的表（biǎo）麵粗糙度要求優於 0.0lμm時，這種方法是不可缺（quē）少的，對形狀精度要求很高的工件，如果（guǒ）采用強製進給的方法進行切削或進行磨削時，其形狀精度將直（zhí）接受到機床進給定位精度的影響，達到（dào）所在反應，並由此引起的加工作用（yòng），在工件表麵上存在同樣微小（xiǎo）凹的（de）部分（fèn），在一般情（qíng）況下（xià），隻能獲（huò）得波紋起伏較大的表麵。

日本大（dà）阪大學工學部森勇芷（zhǐ）教授等人利（lì）用 EEM開發了一（yī）種（zhǒng）三軸(x、 z、 C)數控光（guāng）學表麵範成裝置，利用該裝置加（jiā）工時（shí），一邊（biān）在工件表（biǎo）麵上控製聚胺脂球（qiú）的滯留時間，一邊用（yòng）聚胺脂球掃描加工對象的物全領域，利用該裝置能加工高精度的任意（yì）曲麵。

非球麵零件等（děng）離子體的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技術

目前廣泛采用的切削、研磨、拋光等機械加工（gōng）方法，由於加（jiā）工材料（liào）中存（cún）在微細裂紋（wén）或結（jié）晶中的品格缺陷等原因，無論怎樣提高加工（gōng）精度，改進加工裝置，總（zǒng）存在一定的局限性（xìng），為（wéi）此，日本大阪大學工學部森勇正教授提出（chū）了一種用化學氣體加工的新的加（jiā）工工藝方法，稱為等離子 CVM法，這是一種利用原子化學反應，獲（huò）得超精密表麵的一種技術，其加工原（yuán）理和（hé）等離子體刻（kè）蝕一樣，在等離子體中，被激活的遊離基（jī）和工件表麵原子（zǐ）起（qǐ）反應，將之變成揮（huī）發性分子（zǐ），並通過氣體蒸發實現加工的，在高壓力下所產生（shēng）的等離子體，能夠生成密度非常高的遊離基，所以（yǐ）這種加（jiā）工（gōng）方法能達（dá）到與機械加工方法相匹敵的加工速度。

在高（gāo）壓力下（xià），由於氣體分子的平均自由行程極小，等（děng）離子體局限在電極（jí）附近。所（suǒ）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（de）速度加（jiā）工單（dān）晶矽平麵，加工工件的表麵粗糙度可達（dá）0.1nm(Rrms)。

下個世紀，在矽（guī）芯片加工和半導體曝（pù）光裝置用（yòng）的非球麵透鏡加工等很（hěn）多領域中，將應用 CVM技（jì）術，當前有人正在研究通過 CVM和 EEM的組合，加工同步（bù）加速器用的 X射線反射鏡等原子級平坦的任意曲麵。

非球麵零件複製技術

用控製除去厚度的（de）拋（pāo）光(研磨)方法能夠製（zhì）造出高精度的非（fēi）球麵零件，但和一般的光學零件加工（gōng）方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這（zhè）個問題的方法之一（yī）有複製技術，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術，這種技術能夠製（zhì）造（zào）一部分非球（qiú）麵透鏡。塑料透鏡注射成形（xíng）是將熔化的樹脂注入模具內，一邊（biān）施加壓力，一邊冷卻固化的加（jiā）工方法，這種方法（fǎ）能夠進行廉價、大批量生產，但存在塑（sù）料（liào）自身的某些問題，如溫度變（biàn）化、吸濕導致透鏡折射率的變化。

玻璃的模壓成（chéng）形是（shì）代替切削、磨削、研磨加工（gōng）透鏡、棱鏡的最（zuì）佳的小型零件大批量生產（chǎn）方法。模壓成形技術是將模具內的溫度控製在衝壓的玻璃（lí）轉移（yí）溫（wēn）度以上p軟化溫度以下，在模具內，進入有流（liú）動性的玻璃，加壓成形，並且保持這種狀態20s以上，直到成（chéng）形了的（de）玻璃溫度分布均勻化，將模具的形狀精度作到0.1 μm，表（biǎo）麵粗糙度作到0.01μm以下，在上述條（tiáo）件下加壓成形，能加工出和模具精度相近的零（líng）件。