光學(xué)非球面的定義

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

非球面分類

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(xué)系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用最廣，相對(duì)于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(duì)無像差點(diǎn)的非球面和沒有無像差點(diǎn)的非球面。前者廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)儀器當(dāng)中，是最常見的非球面。后者廣泛應(yīng)用在形成變形像的光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中。高次非球面可以分成單調(diào)子午曲線的表面和非單調(diào)表面。非球面分類如圖1所示。

圖1. 光學(xué)非球面的分類

自由曲面

自由曲面的一般表達(dá)式：Z=∑A ij XiYj i,j=0,1,2……n。對(duì)于此類自由曲面雖已失去了非球面軸對(duì)稱的特點(diǎn)，但仍是圍繞著一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)有規(guī)律展開的?，F(xiàn)對(duì)還是有規(guī)律可循的。

另有一類僅能用三維點(diǎn)位坐標(biāo)來定義的復(fù)雜自由曲面，廣泛地被應(yīng)用在漸進(jìn)多焦點(diǎn)眼鏡中，以實(shí)現(xiàn)光焦度按特定規(guī)律分布的目的。

技術(shù)原理

非球面透鏡，曲率半徑隨著中心軸而變化，用以改進(jìn)光學(xué)品質(zhì)，減少光學(xué)元件，降低設(shè)計(jì)成本。非球面透鏡相對(duì)于球面透鏡具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此在光學(xué)儀器、圖像、光電子工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)碼相機(jī)、CD播放器、高端顯微儀器。

對(duì)比優(yōu)勢(shì)

a. 球差校準(zhǔn)

非球面透鏡用以替換球面透鏡，最顯著的優(yōu)勢(shì)在于可以修正球面透鏡在準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)中所帶來的球差。通過調(diào)整曲面常數(shù)和非球面系數(shù)，非球面透鏡可以最大限度的消除球差。非球面透鏡（光線匯聚到同一點(diǎn)，提供光學(xué)品質(zhì)），基本上消除了球面透鏡所產(chǎn)生的球差（光線匯聚到不同點(diǎn)，導(dǎo)致成像模糊）。采用三片球面透鏡，增大有效焦距，用于消除球差。但是，一片非球面透鏡（高數(shù)值孔徑，短焦距）就可以實(shí)現(xiàn)，并且簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提供光的透過率。

圖2. 消球差非球面透鏡

b. 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

非球面透鏡簡(jiǎn)化了光學(xué)工程師為了提高光學(xué)品質(zhì)所涉及的元素，同時(shí)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如在變焦系統(tǒng)中，通常情況下10片或者更多的透鏡被采用（附加：高的機(jī)械容差，額外裝配程序，提高抗反射鍍膜），然而1片或者2片非球面透鏡就可以實(shí)現(xiàn)類似或更好的光學(xué)品質(zhì)， 從而減小系統(tǒng)尺寸，提高成本率，降低系統(tǒng)的綜合成本。

加工方法的分類和特點(diǎn)

材料去除法：

以銑磨、車削和拋光為代表，主要包 括傳統(tǒng)范成法銑磨和修磨拋光；數(shù)控銑、車削、精密磨拋；計(jì)算機(jī)控制拋光等。特別是對(duì)于數(shù)控拋光，以拋光媒質(zhì)的不同又可分為小磨具、應(yīng)力盤、離子束、等離子體、磁流變、液體噴射拋光等。

其特點(diǎn)是效率相對(duì)較高、與傳統(tǒng)光學(xué)加工有互通之處易于被接受、靈活性較高、適合于樣件的研制和中小批量生產(chǎn)。但產(chǎn)品的一致性較差，對(duì)操作者的要求較高。

模具成形法：

玻璃熱壓成形、光學(xué)塑料注射成形、熱沉降和固化成形。其特點(diǎn)是效率極高、成品的一致性好、對(duì)操作者的要求較低，適合于大批量生產(chǎn)。但對(duì)模具要求較高、初期投入大和工藝流程較為復(fù)雜。

附加材料法：

真空鍍膜和復(fù)制成形。其實(shí)質(zhì)是在最接近球面的基礎(chǔ)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(diǎn)工件的一致性好，對(duì)設(shè)備要求不高，靈活性好。適合于中小批量和反射元件的生產(chǎn)。但由于附加層須與基底材料具有匹配性限制了應(yīng)用。

下面我們來看一下一些著名的非球面加工方法及設(shè)備。

超大型磨床OAGM2500

英國(guó)Granfield大學(xué)盡管同牛津、劍橋相比不那么有名，但只要一說起其精密工程研究所CUPE，則令工業(yè)界肅然起敬。該所先后研制出ORGM2500六軸數(shù)控超精密磨床，Nanocenter250、Nanocenter600非球面光學(xué)零件車床和大型超精密金剛石鏡面車床。

OAGM2500大型CNC超精密磨床是加工大型離軸非球面光學(xué)零件的機(jī)床。加工尺寸:2.5m×2.5m×0.61m； 采用液體靜壓軸承和摩擦傳動(dòng)方式，激光干涉儀位置測(cè)量與反饋，分辨率為2.5nm；平面加工精度可達(dá)1μm；表面粗糙度2——3nm，離軸非球鏡加工精度達(dá)2.5μm。該超精密磨床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工工件拋光后再用柯達(dá)公司的2.5米離子束拋光設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行修形處理，工件可達(dá)到很髙的精度。床身采用輕型鋼焊接結(jié)構(gòu)，中間用S100花崗巖和聚苯乙烯制成的人造花崗巖填充，可保證高剛度，高度穩(wěn)定度和很強(qiáng)的振動(dòng)衰減能力。

JRCODE-CCOS

機(jī)床主體為龍門式結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)部件采用精密導(dǎo)軌結(jié)合高精度光柵反饋，運(yùn)用8軸控制器實(shí)現(xiàn)任意軸組合插補(bǔ)，集成在線輪廓測(cè)量系統(tǒng)。工藝系統(tǒng)開放，具有多軌跡選擇、多格式數(shù)據(jù)兼容、變參量操控與優(yōu)化功能，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)玻璃、微晶、碳化硅、石英等多種材料光學(xué)元件的精密制造，特別面向高質(zhì)量光學(xué)同軸、離軸非球面元件開發(fā)自適應(yīng)式加工模型，達(dá)到拋光面形精度優(yōu)于1/50λ（RMS，λ=632.8nm）。

磁流變拋光Q22-750P2

對(duì)于光學(xué)玻璃、微晶、碳化硅、石英等多種材料均能獲得較好的表面粗糙度及較高的面形精度。特別適用于高質(zhì)量光學(xué)同軸、離軸非球面元件的超精密加工。

磁射流拋光

磁射流拋光是將射流技術(shù)和磁流變技術(shù)相結(jié)合, 利用低粘度磁流變液在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁流變效應(yīng), 表觀粘度增大來增加射流束表面的穩(wěn)定性, 混合有磨粒的磁流變液在噴嘴處軸向磁場(chǎng)的作用下形成準(zhǔn)直硬化的射流束噴射到一定距離處的工件表面, 借助于磨粒的高速碰撞剪切作用實(shí)現(xiàn)材料的去除, 以可控的方式實(shí)現(xiàn)拋光表面修整。

說了這么一大堆，我們來看一下磁射流的效果圖：

應(yīng)力盤拋光技術(shù)

這是一種很高大上的拋光方式，國(guó)內(nèi)成都光電所在做，通過上面的一系列的電機(jī)拉動(dòng)

應(yīng)力盤的盤面上面均勻分布著一些立柱，這些立柱之間通過絲線連著，這些絲線可以通過電機(jī)拉緊放松，這樣就可以控制盤面的形變，使盤面與工件比較好的貼合，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)拋光。應(yīng)力盤拋光的缺點(diǎn)就是控制起來實(shí)在是太復(fù)雜了——看著就暈啊！

離子束拋光

由離子源發(fā)射出的具有一定能量與空間分布的離子束流轟擊工件表面，離子入射到工件表面后在一定深度內(nèi)與工件原子發(fā)生碰撞，在此碰撞過程中，入射離子將自身能量傳遞給工件原子，當(dāng)工件原子獲得的能量大于其晶格束縛能時(shí)，工件原子會(huì)脫離晶格束縛繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并與其他工件原子發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞，即重復(fù)上述動(dòng)作，當(dāng)其傳遞給下一個(gè)原子的能量大于晶格束縛能時(shí)，下一個(gè)原子也會(huì)離開原有位置開始運(yùn)動(dòng)，若該原子獲得的能量不足以克服晶格束縛能，則其獲得的能量將無法繼續(xù)傳遞，只能以聲子形式釋放。在此過程中能量在離子與原子之間、原子與原子之間相互傳遞，當(dāng)處于工件表面原子獲得的能量沿鏡面法線方向的分量大于材料表面束縛能、晶格束縛能時(shí)，該原子將飛離工件表面。

說白了就是把材料表面的原子一個(gè)一個(gè)的去掉（有點(diǎn)夸張）。