1  光電儀器及器件發(fā)展的主要特點(diǎn)

    在最近的一二十年中，我們親身感受到光電技術(shù)的迅速發(fā)展。光電儀器及器件發(fā)展的主要特點(diǎn)是：

    1) 小型化、集成化的進(jìn)程越來(lái)越明顯。器件由大而分散到小而分散，最后到集成。在視頻信號(hào)采集、通訊、計(jì)量、遙控、生命科學(xué)(內(nèi)窺鏡)和照明等應(yīng)用領(lǐng)域，光學(xué)系統(tǒng)小型化的趨勢(shì)非常明顯。高精度非球面和衍射元件的大批量制造和應(yīng)用大大促進(jìn)了光學(xué)系統(tǒng)小型化和集成化；
    2) 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期進(jìn)一步縮短；
    3) 多品種、小批量的生產(chǎn)成為主流。

2  光學(xué)材料制造技術(shù)的進(jìn)展和趨勢(shì)

     在光學(xué)材料研發(fā)方面，焦點(diǎn)之一是用于精密模壓的低Tg玻璃。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，可以獲得玻璃表上所有標(biāo)準(zhǔn)玻璃的低Tg玻璃。另一個(gè)焦點(diǎn)是將材料擴(kuò)展到不同的區(qū)域，例如塑料會(huì)研發(fā)新的材料系統(tǒng)，或用納米微粒改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)而進(jìn)入玻璃的區(qū)域。玻璃也可以在采用新的熔煉技術(shù)和熱成型技術(shù)后，進(jìn)入晶體的nd－vd區(qū)。

     在激光、紅外和紫外領(lǐng)域，成為關(guān)注熱點(diǎn)的是透過(guò)率高的多晶陶瓷。

3  非球面制造技術(shù)的進(jìn)展

     光電儀器發(fā)展的重要原因之一是制造技術(shù)的發(fā)展。最近，對(duì)光學(xué)制造產(chǎn)業(yè)有重大促進(jìn)作用的技術(shù)進(jìn)步是非球面和衍射元件制造技術(shù)的發(fā)展和提高。在金剛石超精密切削、超光滑表面加工和表面膜層沉積技術(shù)等領(lǐng)域也有重要進(jìn)展，這方面的內(nèi)容將在以后論述。

3.1 非球面的應(yīng)用
 

     采用非球面的原動(dòng)力是可使設(shè)計(jì)人員有更多的自由度來(lái)改善成像質(zhì)量，同時(shí)可以減少零件的數(shù)量和簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。非球面玻璃鏡片大多用在高檔的安防監(jiān)視鏡頭或是高光學(xué)變焦倍數(shù)的數(shù)碼相機(jī)鏡頭為主，為了達(dá)到小巧的尺寸要求。以目前最新的5倍光學(xué)變焦、1200萬(wàn)像素?cái)?shù)碼相機(jī)用的鏡頭為例，其鏡頭長(zhǎng)度僅需要 2 cm左右，其主要原因就是采用了非球面玻璃鏡片。

     非球面光學(xué)零件一直以來(lái)被光學(xué)企業(yè)視為戰(zhàn)略武器，若要發(fā)展鏡頭或是相關(guān)的影像模塊產(chǎn)品，不論是非球面塑料鏡片或是玻璃鏡片都是關(guān)鍵零件。

     非球面對(duì)像質(zhì)的貢獻(xiàn)決定于它在系統(tǒng)中的位置。一般來(lái)說(shuō)，靠近系統(tǒng)光闌的非球面用來(lái)校正球差。非球面離系統(tǒng)光闌愈遠(yuǎn)，對(duì)校正畸變、垂軸色差的作用就愈大。一個(gè)大視場(chǎng)的系統(tǒng)，可以在前一、兩個(gè)透鏡上采用非球面表面的方法來(lái)校正畸變。位于光闌和像面之間的非球面就可以校正其他像差。

     由于制造技術(shù)的發(fā)展，非球面已普遍應(yīng)用于光信息采集，特別是光電消費(fèi)類產(chǎn)品中。零件的尺寸可以從幾毫米到幾米。

     非球面在軍用裝備中也起到十分關(guān)鍵的作用，美軍最自豪的兩個(gè)非球面系統(tǒng)是“靈巧”導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭和“阿帕奇”武裝直升機(jī)的全天候觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。

3.2 光學(xué)非球面零件的制造技術(shù)及進(jìn)展

3.2.1 非球面的數(shù)控磨削成形

     由于拋光的去除量很小，而且要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，所以工件表面先要磨削成最接近的面形。一般來(lái)說(shuō)，在數(shù)控磨削前要將被加工表面先加工成與要求非球面最接近的球面。計(jì)算機(jī)控制磨削僅僅是去除球面和要求非球面在各點(diǎn)處所存在的偏離量。

     與球面數(shù)控磨削的不同之處在于一個(gè)是線接觸，另一個(gè)是點(diǎn)接觸。非球面數(shù)控磨削可以采用兩種磨輪：杯形磨輪和圓盤(pán)磨輪。

3.2.2 非球面的數(shù)控拋光

      非球面的數(shù)控拋光的原理是用去除函數(shù)已知的拋光工具，通過(guò)控制在確定的零件表面的停留時(shí)間，精確獲得所需要的材料切除，同時(shí)改善表面的粗糙度。在加工中使用迭代方式，使表面誤差逐步收斂。
去除量是駐留函數(shù)與去除函數(shù)的卷積：

      ΔZ(x,y)=R(x,y)**D(x,y)

     在實(shí)際加工中先是用儀器測(cè)量工件表面，得到工件的真實(shí)面形，將它與理想的面形比較后，得到表面面形的誤差。也就是說(shuō)去除的材料量是已知的。當(dāng)拋光模的運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定后，去除函數(shù)也是已知的。所以問(wèn)題就變成求解實(shí)現(xiàn)給定去除量時(shí)的駐留函數(shù)，也就是變成將被去除材料量與去除函數(shù)進(jìn)行反卷積運(yùn)算或稱傅立葉變換的過(guò)程。
 

      目前實(shí)現(xiàn)光學(xué)非球面表面數(shù)控拋光的方法有：彈性拋光墊、液體噴射法、磁流變體拋光、離子束拋光。這些方法的加工精度如表1所示[2]。
 

3.2.3 精密模壓成形

      如今，當(dāng)你走進(jìn)現(xiàn)代光學(xué)精密模壓車間的時(shí)候，你會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)不大的廠房?jī)?nèi)，只有一兩個(gè)操作人員用幾臺(tái)模壓機(jī)床每天可以生產(chǎn)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的、可以直接裝配的精密光學(xué)透鏡。同時(shí)你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些透鏡或零件的表面居然是過(guò)去無(wú)法制造的、復(fù)雜的高次非球面或是具有微結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件、或者是微透鏡或微棱鏡的陣列。而應(yīng)用這些零件的產(chǎn)品就在我們的周圍，如數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、可拍照手機(jī)、光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、條形碼掃描筆、投影機(jī)和激光打印機(jī)等。

     現(xiàn)代光學(xué)精密模壓技術(shù)是無(wú)切屑加工，對(duì)光學(xué)零件制造來(lái)說(shuō)是一次革命，它不僅節(jié)約了原材料、能源和勞動(dòng)力成本，而且由于在模壓光學(xué)表面的同時(shí)可以形成精確的定位面，從而大大減少了系統(tǒng)的裝配時(shí)間和成本。

     精密模壓成形是大批量生產(chǎn)非球面零件的最佳方法。有三種方法：復(fù)制法(玻璃加樹(shù)脂層)、光學(xué)塑料非球面精密模壓和光學(xué)玻璃非球面精密模壓。

     a 復(fù)制法

     復(fù)制法是用冷模壓的方法制造的混合光學(xué)零件。透明有機(jī)層的厚度約為1~30 μm。因?yàn)?9%以上的材料是玻璃，因此它具有與玻璃非球面相類似的光學(xué)性能和熱性能。其缺點(diǎn)是它對(duì)濕氣和劃傷的敏感度有時(shí)會(huì)增加。零件的直徑最大可達(dá)50 mm。

     b 光學(xué)塑料非球面注塑成型的主要技術(shù)領(lǐng)域

     將塑料加熱成型，加工成光學(xué)零件有以下三種方法。

     1) 熱壓成型法

     這種方法是利用一定尺寸和形狀的塑料放入加熱的模具中，并施加一定的壓力，使塑料充滿型腔，在加熱下使其在模具中成型。冷卻后，脫模取出零件。熱壓成型法主要加工尺寸較大、中等精度的熱塑性塑料零件(如菲涅爾透鏡等)。

     2) 注射成型法

     這種方法是將塑化樹(shù)脂粒料或粉料放入注塑機(jī)的料筒中，經(jīng)加熱、壓縮、剪切、混合和輸送，使物料均化和熔融，即塑化。然后再借助于螺桿向熔化好的熔體施加壓力，將其推入預(yù)先閉合好的模腔內(nèi)，經(jīng)冷卻后固化成型，開(kāi)模后脫模、切澆口而獲得零件。注射成型是熱塑性光學(xué)塑料的主要成型方法，近年來(lái)也已推廣到熱固性塑料的成型工藝中，主要用于中、小尺寸的高精度非球面零件的精密模壓加工。

     3) 澆鑄成型法

     這種方法是將已準(zhǔn)備好的澆鑄原料，通常是單體，經(jīng)初步聚合或縮聚的漿狀物或聚合物與單體的溶液等注入模具中，使其固化，從而得到與模具型腔面形相同的零件。澆鑄成型法主要用來(lái)成型熱固性塑料CR-39的各種眼鏡片。

     目前我國(guó)已經(jīng)可以大批量生產(chǎn)中、低精度的光學(xué)塑料非球面零件，大多用于手機(jī)的照像模組、CCTV鏡頭和LED的聚光透鏡。

     c 玻璃非球面精密模壓成型的方法

     玻璃和模具是在等溫下加壓，所以稱之為等溫加壓法。用這種方法可以得到形狀精度高的零件，即能精密復(fù)制模具的表面。但是這種方法需要較長(zhǎng)的加熱和冷卻時(shí)間，因而降低了生產(chǎn)效率。

    在玻璃非球面模壓成型法中，雖然一般是預(yù)先準(zhǔn)備好玻璃的預(yù)制件(預(yù)先成型的玻璃零件)，將它加熱軟化和加壓成型。目前正在研究最后能將從熔融爐中流出的玻璃直接地進(jìn)行精密成型的方法。

     目前國(guó)外生產(chǎn)玻璃模壓非球面零件的主要廠家有美國(guó)的Rochester Precision Optics (RPO)， Lightpath，Archer OpTx，Maxell；德國(guó)的Docter Optics GmbH，Moulded Optics GmbH；日本的HOYA(保谷)，OHARA(小原)，Sumita(住田)，Sony， National，Olympus和英國(guó)的Bluebell Industries。我國(guó)玻璃模壓非球面零件的制造剛剛起步，最需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是模芯用材料、膜層材料及其制造技術(shù)。

3.3 非球面技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和仍需要解決的問(wèn)題

      非球面制造技術(shù)，特別是光學(xué)塑料精密模壓技術(shù)，目前已發(fā)展到比較成熟的階段。下一個(gè)值得關(guān)注和等待解決的問(wèn)題是高精度深而陡的非球面和自由曲面的制造和檢測(cè)技術(shù)。

      在含有非球面鏡片的光學(xué)系統(tǒng)中，非球面透鏡的精確準(zhǔn)直是特別重要的。因?yàn)樗鼘?duì)光學(xué)成像質(zhì)量的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球面透鏡。假如非球面不能和系統(tǒng)光軸重合的話，成像質(zhì)量會(huì)大大降低。鏡頭的口徑愈大，非球面透鏡的精確準(zhǔn)直就愈重要。而非球面的邊緣區(qū)起著重要的作用，這些邊緣區(qū)和球面形狀有很大的偏差，對(duì)光學(xué)成像質(zhì)量有很大的影響。

      具體的準(zhǔn)直方法還要根據(jù)非球面零件的制造方法和幾何形狀而定。用模壓和用拋光方法制造的非球面有明顯的差別。為了能有最佳的準(zhǔn)直效果，要求避免由透鏡楔形角所產(chǎn)生的誤差。結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)孔必須達(dá)到很高的精度(例如，達(dá)到DIN ISO286T1標(biāo)準(zhǔn)的h6/H6)，同時(shí)，楔形角要小于1 arc min。

3.4 非球面的測(cè)量

3.4.1 輪廓測(cè)量法

     采用逐點(diǎn)采樣的方法，不需要干涉測(cè)量中必須的零透鏡系統(tǒng)或補(bǔ)償器。儀器標(biāo)定后就建立了內(nèi)在的坐標(biāo)系統(tǒng)，采樣點(diǎn)的坐標(biāo)值就參考此坐標(biāo)系。

     測(cè)量方法又分：二維掃描(線掃描)，測(cè)量變量是x，z坐標(biāo)；三維掃描(面掃描)，測(cè)量變量是x，y，z坐標(biāo)。

     在有些金剛石車床上，裝有控制質(zhì)量用的在線輪廓儀。大多數(shù)情況下，輪廓儀要放在清潔、溫度和濕度恒定、無(wú)震動(dòng)和空氣擾動(dòng)的房間內(nèi)?？梢栽诩庸さ牟煌A段(研磨、拋光)時(shí)使用。面形的測(cè)量精度可達(dá)λ /10，λ =633 nm。

      直接接觸時(shí)可以用不同的傳感器，它們是紅寶石球或金剛石觸針。測(cè)量時(shí)可以用不同的測(cè)量力。非接觸或半非接觸傳感器有光學(xué)的、氣動(dòng)的或原子力的。

     二維掃描輪廓儀的產(chǎn)品有：德國(guó)Mahr公司的Mahrsurf 120、日本松下公司的UA3P、英國(guó)Taylor Hobson公司的PGI 1250A和Accretech公司的Surfcom 3000A。

      三維掃描輪廓儀的例子是：德國(guó)Carl Zeiss 公司的UPMC Carat。

3.4.2 干涉測(cè)量法

     非球面經(jīng)過(guò)拋光后，面形精度可達(dá)幾個(gè)納米。要對(duì)這樣的表面進(jìn)行測(cè)量和分析，最合適的方法是干涉計(jì)量。但在CCD傳感器上，分析一個(gè)條紋最少也要占兩個(gè)像素。非球面度太大，使干涉條紋太密，以致無(wú)法記錄和處理。因此，通常要用零透鏡補(bǔ)償器。光線通過(guò)此補(bǔ)償器，產(chǎn)生理想的非球面波面。經(jīng)過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)和標(biāo)定，非球面的測(cè)量精度可以達(dá)到球面的測(cè)量水平。零透鏡的設(shè)計(jì)和制造都不易，價(jià)格高。對(duì)于單個(gè)零件或小批量非球面產(chǎn)生來(lái)說(shuō)，是不合算的。

     其他的干涉方法有：多波長(zhǎng)干涉法、亞尼奎斯特(Sub-Nyquist)干涉法、子孔徑拼接法(有或沒(méi)有機(jī)械移動(dòng))和波前檢測(cè)儀(夏克-哈特曼波前傳感器)。

4  衍射光學(xué)零件

4.1 衍射光學(xué)零件的性質(zhì)

      光束通過(guò)一個(gè)小孔或狹縫之類的光闌時(shí)，會(huì)出現(xiàn)光束偏離直線傳播的情況。我們把這種偏離幾何光學(xué)直線傳播規(guī)律的現(xiàn)象稱為光的衍射。

     衍射透鏡的非常特殊的性質(zhì)是它的色散。

     注意，ν值只取決于波長(zhǎng)而與任何材料參數(shù)無(wú)關(guān)。因此，就沒(méi)有“王冕”或“火石”之分。而且因?yàn)棣烷L(zhǎng)總是大于λ短，因此，ν總是負(fù)值。另外，阿貝數(shù)通常是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)λ1=587.6 nm, λ2=486.1 nm, λ3=656.3 nm給定。因此在可見(jiàn)光譜區(qū)是，衍射透鏡的ν=-3.45, 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般折射材料的阿貝數(shù)(光學(xué)玻璃大約為80~20)。在8000~12000 nm紅外光譜區(qū)，ν=-2.5。可以看出，使用折射面和衍射面組合的混合透鏡就可達(dá)到消色差和復(fù)消色差的目的。

     衍射和反射與折射不同，入射光通過(guò)衍射表面時(shí)能產(chǎn)生多束光線，把它稱為級(jí)次。衍射表面結(jié)構(gòu)的性質(zhì)決定了不同級(jí)次衍射光的相對(duì)強(qiáng)度。

4.2 衍射光學(xué)零件的類型

      衍射光學(xué)零件有三種類型：(1) Kinoforms 是用表面凹凸的浮雕結(jié)構(gòu)進(jìn)行相位調(diào)制的衍射光學(xué)零件；(2) 二元光學(xué)是用光刻技術(shù)制造的Kinoforms，生成的是接近于要求表面輪廓的臺(tái)階；(3) 全息光學(xué)零件(HOEs)是用感光膠記錄兩個(gè)波面或多個(gè)波面的干涉圖形而生成的衍射零件。

4.3 衍射光學(xué)零件的應(yīng)用

      衍射光學(xué)元件與折射光學(xué)元件相結(jié)合，用來(lái)校正色差?；旌贤哥R可以減輕系統(tǒng)的重量，或用一種材料就可獲得消色差透鏡。折衍混合元件還可以用來(lái)提高塑料光學(xué)零件的熱穩(wěn)定性。下面舉幾個(gè)最新應(yīng)用的例子。

     1) 佳能公司在高檔相機(jī)中，為了校正色差而采用的多層衍射零件，其作用是可以避免光線進(jìn)入其他的不希望的衍射級(jí)，從而進(jìn)一步改善像質(zhì)。

     2) 在光學(xué)元件的基底上加工三角形的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，如果折射率合適和三角形結(jié)構(gòu)的形狀做得正確，那么鋸齒狀的表面就會(huì)傳輸特定波長(zhǎng)的光，而不發(fā)生反射。其作用很像傳統(tǒng)的減反射膜，但優(yōu)點(diǎn)要比標(biāo)準(zhǔn)多層減反膜多得多。例如，沒(méi)有熱膨脹不一致的問(wèn)題，也沒(méi)有表面粘附問(wèn)題。有大的視場(chǎng)角和大的帶寬；與其他濾光鏡比較起來(lái)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。最后，可以用各向同性材料加工，并且能提供相當(dāng)大的折射率差異。因?yàn)槠渫庑瓮w蛾眼睛的外形，因此常常稱為飛蛾眼睛結(jié)構(gòu)。其他亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)能設(shè)計(jì)用作濾光器和偏振器。

     3) 將硫化物玻璃模壓成一面是非球面一面是衍射面的折衍混合透鏡，和拋光的球面鍺透鏡組合，可以校正色差和降低制造成本。用于火警、溫度記錄和安全系統(tǒng)，以及車輛的行人探測(cè)、氣囊展開(kāi)、空調(diào)控制和侵入警報(bào)的傳感器。

4.4 衍射光學(xué)零件的制造

     制造母模的方法有光學(xué)和電子束平版印刷，激光圖形生成法(LPG)以及單點(diǎn)金剛石車削(SPDT)。在光學(xué)和電子束平版印刷中用一套掩模板，通過(guò)多步的制造工序得到階梯形表面，以接近所需的面形。用這種方法制造的元件稱為二元光學(xué)元件。

    電鑄技術(shù)是唯一可以生產(chǎn)金屬結(jié)構(gòu)的方法 。用電鑄技術(shù)將金屬鍍?cè)诠鈱W(xué)模板上，最后去除模板，即可得到所需的金屬衍射結(jié)構(gòu)或金屬模芯。金屬模芯可以利用注射成型或熱壓法等方法，大量生產(chǎn)衍射光學(xué)零件。這也是大批量制造其他微光學(xué)零件的方法。

     我國(guó)衍射光學(xué)零件的大批量制造剛剛開(kāi)始，有很多工藝和檢測(cè)問(wèn)題尚待解決。