非球麵光學元件是指麵形（xíng）由多項高次方（fāng）程決定、麵形（xíng）上各點的半徑均不同的光學元件。一般（bān）應用在光學係統中的透鏡及（jí）反射鏡，曲（qǔ）麵型式多數為平麵和球麵，原因是這些簡單型式的曲（qǔ）麵加工、檢驗容易，但是用在某些高（gāo）度精密成像係統有一定的限度。雖然非球麵（miàn）的複（fù）雜曲麵製造困難，但是某些光學係統中依然是需要的。采用非球麵技術設計的光學係統，可消除（chú）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（pǐn）質的光學特性。

概述

非球（qiú）麵光學零件的作用

非球（qiú）麵光學零件是一（yī）種非常重（chóng）要的光學零（líng）件，常用的有拋物麵鏡、雙曲麵鏡、橢球麵鏡等。非球麵光學零件可以獲（huò）得球麵光學（xué）零件（jiàn）無可比擬的良好的成像質量，在光學係統中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質量，提高係統鑒別能力，它能以一個或幾（jǐ）個非球麵零件代替多個球麵零件（jiàn），從而（ér）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（guāng）學零件在軍用和民用光電產品上的應用也（yě）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、衛星紅外望（wàng）遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和（hé）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　國外非球麵零件的超精密加工技（jì）術的現狀

80年代以來（lái），出現了許多種新的非球（qiú）麵超精密加（jiā）工技術，主要有：

計（jì）算機數控單點金剛石車（chē）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（jīng）密拋光技術和非球（qiú）麵複印技術等，這（zhè）些加工方法，基本（běn）上（shàng）解決了各種（zhǒng）非球麵鏡加工中（zhōng）所存在的問題。前四種（zhǒng）方法運用了數控（kòng）技術，均具（jù）有加工精度較高，效率高等特點，適於批量生產。

進行非球麵零（líng）件加工時，要考（kǎo）慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑等因素，對於銅、鋁等（děng）軟（ruǎn）質材料，可以用單點金剛（gāng）石切削(SPDT)的方法進（jìn）行超精加工，對於玻璃或（huò）塑料等（děng），當前主要采用先超精密加工其模具（jù），而後再用成形（xíng）法生產非球麵零件（jiàn），對於其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過超（chāo）精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進行加工的，另外．還有非球麵零件的特種加工技術如離子束拋光（guāng）等。

國外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋（pāo）光加工集（jí）成為一體，並且研製出超精密複合加工係統，如Rank Pneumo公司生產的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研製的 Nanocentre、日（rì）本的 AHN60―3D、ULP一（yī）100A(H)都具有複合加工功能，這樣（yàng）可以便非球麵零件的加工更加靈活。

1.3　我國非球麵零件超精密加工技術的現（xiàn）狀（zhuàng）

我（wǒ）國從80年（nián）代初才開始超精密加工技術的研究，比國外整整（zhěng）落後了20年。近年來，該（gāi）項工作開展較好的單位有北京機床研（yán）究所、中國航空精密機械研究所、哈爾濱工業大學、中科院長春光機所應用光學重（chóng）點實驗室等。

為更好的開展對此項超精密加工技術（shù）的研究，國防科工委於1995年在中國航空（kōng）精密機械研究所首先建（jiàn）立（lì）了國內第一個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年研製成功（gōng）了 R―θ方式（shì）的非球麵創成加工機（jī）床。這是一台具有位置（zhì）反饋的雙坐標數控車床，可實時（shí）改變刀座（zuò）導軌（guǐ）的轉角θ和半（bàn）徑 R，實（shí）現非球麵的鏡麵加工。加工直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度為±0.63μm，表麵粗（cū）糙度為Ra0.025μm。

摩爾公司於（yú）1980年首先開發出了用3個坐標控製（zhì）的M―18AG非球麵加工機床，這種機（jī）床（chuáng）可加工直徑356mm的各種（zhǒng）非球麵的金屬（shǔ）反射鏡。

英國 Rank Pneumo公司於1980年向市場推（tuī）出了利用激光反饋控製的兩軸聯動（dòng）加工機床(MSG―325)，該（gāi）機床可加工直徑為（wéi）350mm的非球麵金（jīn）屬（shǔ）反射鏡，加工工件形狀精度達（dá） 0.25-0.5μm，表麵粗糙度 Ra在0.01-0.025μm之間。隨後又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床，該公司（sī）又在上述機床的基礎上，於1990年開（kāi）發出Nanoform600，該機床能加工直徑為600mm的非球麵反射鏡，加工工件（jiàn）的形狀精度優於0.1μm，表麵粗（cū）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（lún）斯．利弗莫爾(LLNL)實驗室於（yú）1984年研製（zhì）成功的 LODTM，它可（kě）加工直徑達2100mm，重達4500kg的工件其（qí）加工精度（dù）可達0.25μm，表麵粗糙度（dù）Ra0.0076μm，該機床可加（jiā）工平麵、球麵及非球麵，主要用於加工（gōng）激（jī）光核聚（jù）變工程所（suǒ）需的零件、紅外線裝置用的零（líng）件和大型天體反射鏡等。

英國 Cranfield大學精密工程（chéng）研究所(CUPE)研（yán）製的大型超精（jīng）密金剛右鏡麵（miàn）切削機床，可以加工大（dà）型 X射線天體望遠鏡用的非球麵反射鏡(最大（dà）直（zhí）徑可達1400mm，最大長度為600mm的圓錐（zhuī）鏡)。該研究（jiū）所還研製成功了可以加工用於 X射線望遠鏡（jìng）內側回轉拋物麵和外側回轉雙曲麵反射鏡的金（jīn）剛石切削機床。

日本開發的超精密加工機（jī）床主（zhǔ）要是用於加（jiā）工民用（yòng）產品所（suǒ）需的透鏡和反射鏡，目前日本製造的加工機床有：東芝機械（xiè）研製的 ULG―l00A(H)不二越（yuè）公（gōng）司的 ASP―L15、豐田工機的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球麵加工機床等。

非球麵零件超精密磨削加工技術（shù）

3.1　非球（qiú）麵零件超精磨削（xuē）裝置

英國 Rank Pneumo公司1988年開發了（le）改進型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床，這（zhè）些機（jī）床不僅能夠進切削（xuē）加工，而且也可以用金剛石砂輪進行磨削，能加工直徑為300mm的非球麵金屬反射鏡，加工工件的形（xíng）狀精度為0.3-0.16μm，表麵粗糙度達Ra0.01μm。最近又推出 Nanoform250超精密加工係統（tǒng），該（gāi）係統是一個兩軸超精密 CNC機床，在（zài）該機床上（shàng）既能進行超精密車削又能進行（háng）超揚（yáng）密磨（mó）削．還能進行超（chāo）精密拋光。最（zuì）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學零件。該機床（chuáng）采用了許多先進的 Nanoform600、Optoform50設計思想（xiǎng），機床最大加工工件直徑達250mm，它通過（guò）一個升高裝（zhuāng）置使機床的最大加工工件直徑達到450mm，另外通過控製（zhì）垂直方（fāng）向的液（yè）體靜壓導軌(Y軸)還能磨削非軸對稱零件，機床數控係統的分（fèn）辨率達 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的激光幹涉儀，加工工件（jiàn）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 CNC非球麵範成裝置，它可以滿足單（dān）點和延性（xìng）磨削兩個方麵的使用要求，通過合理（lǐ）化機（jī）床結構設計、利用高（gāo）剛度伺服驅動（dòng）係統和液體靜壓軸（zhóu）承使機床具有較高的閉環剛度， x和 Z軸的分辨率為1.25nm，這個機床（chuáng）被認為是符合現代工藝規範的。 CUPE生產的（de） Nanocentre非球麵光（guāng）學零件加工機床，加工直徑（jìng）達600mm．麵（miàn）型精度優於（yú）0.1μm，表（biǎo）麵粗糙度優於 Ra0.01μm。 CUPE還為美國柯達公司研究、設計和生產（chǎn）了當今世界（jiè）上（shàng）最大的超（chāo）精密大型 CNC光學零件磨床"0AGM2500"，該機床主要用於光（guāng）學玻璃等硬脆材料的加工，可加工和測量2.5m×2.5m×0.61m的工件，它能加工出2m見方的非（fēi）對稱光學鏡麵，鏡（jìng）麵的形狀誤差僅為1μm。

日本豐田工機研製的 AHN60―3D是一台 CNC三維截形磨削和車削機床，它能在 X、 Y、和 Z三軸控製下（xià）磨削和車削軸向對稱形狀的光學零件，可以在 X、 Y和 Z軸二個半軸控製下磨削和車削非軸對稱光學零件，加工工件的截形精（jīng）度為0.35unl，表麵粗糙度達 Ra0.016μm。另（lìng）外東芝機械研製的 ULG―100A(H)超精密複合（hé）加工（gōng）裝置，它（tā）用分別（bié）控製兩個軸的方法，實現了（le）對非（fēi）球麵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（lǜ）為0．01μm的光柵。

3.2　非（fēi）球麵光（guāng）學零件的（de） ELID鏡麵磨削技術

日本學（xué）者大森整等人從1987年對超硬磨料砂輪進行了研（yán）究，開發了使用（yòng）電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，實現了對硬脆材料高品位鏡麵磨削和延性方（fāng）式的（de）磨削，現在（zài）該方法（fǎ）己（jǐ）成功的應用於（yú）球麵、非（fēi）球麵透鏡、模具的超精密加工。

① ELID鏡麵（miàn）磨削原理

ELID磨削係統包括：金屬結合劑（jì）超微細粒（lì）度超硬磨料砂輪、電解修整電（diàn）源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機床設備（bèi）。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相（xiàng）接，安（ān）裝在機床上的修整電極（jí）與電源的負極相接，砂輪和電極之間（jiān）澆注電（diàn）解液，這樣，電源、砂輪、電極、砂輪和電極之間（jiān）的電解液形成（chéng）一個完整（zhěng）的電化學係統。

采用 ELID磨削時，對所用的砂輪、電源、電（diàn）解液均有一（yī）些特殊（shū）要求。要求砂輪的結合劑有良好的導電性和電解性（xìng）、結合劑元素的氫（qīng）氧化物（wù）或氧化物不導電，且不溶於水，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）形的脈衝電源或直流基量脈（mò）衝電源（yuán）。在 ELID磨削過程中（zhōng），電解液除作為磨削（xuē）液外，還起著降低磨削區溫度和減少摩撩（liáo）的作用，ELID磨削一般采用（yòng）水溶性磨削液，全屬基結合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（néng）得到高的形狀精（jīng）度（dù）。應用這個原理，能實現從平麵到非球麵，各（gè）種形狀的光學元件的超精密鏡麵磨削（xuē）。

②ELID鏡麵磨削實驗係統

在 Rank Pneumo公司（sī）的 ASG―2500T機床上，裝上由砂輪、電源、電極、磨削液等（děng）組成（chéng）大森整 ELID係統毛坯粗成形加工時使用400#、半精加工時（shí）使用1000#或2000#、作鏡麵磨削時使用4000#(平均（jun1）粒（lì）徑約為4μm)或8000#(平均粒徑約為2μm)的鑄（zhù）鐵結合劑（jì）金剛石砂輪，電解修銳電源(ELID電源)，使用的是直流高頻脈衝電壓（yā）式專用電源，工作（zuò）電壓為60V，電流為 lOA。所用的磨削液，使用時要求用純（chún）水將（jiāng）水溶性磨削液 AFH―M和 CEM稀釋（shì）50倍。

③ ELID鏡麵（miàn）磨削實驗方（fāng）法（fǎ）和實驗結果

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（jié）合劑金剛（gāng）石砂輪為φ30×W2mm)進行平（píng）砂輪（lún）的隻成形（xíng）體整，作10min的電解初期修銳之後，經過（guò）400#的粗磨和1000#的半精加工，最後再用4000#進行 ELID鏡麵磨削，在超精（jīng）密非球麵加工機（jī）床上，借助 ELID磨削技術，成功地加工出了（le）光（guāng）學玻璃 BK―7非球麵透鏡。麵（miàn）型精度達到優於 0.2μm，表麵粗糙度達Ra20nm，而對於（yú）稍軟如 LASFN30和Ge等材料的非球麵加工，同樣能達（dá）到麵型精度優於（yú） 0.2-0.3μm，表麵粗糙度（dù）達 Ra30nm。

非球麵零件的超精密拋光(研磨)技術

超（chāo）精密拋光是加工速度極慢的（de）一種加工方法。不適合形狀（zhuàng）範成法加（jiā）工，近年來，由於短波長（zhǎng）光學元件、OA儀器和（hé） AV機器等的飛速發展，對零（líng）件的表麵（miàn）粗糙度（dù）提出了更高的要求，到目前為止還（hái）沒有比超精密拋光更好的實用的方（fāng）法，尤其（qí）當零件的表麵粗糙度要求優於 0.0lμm時，這種（zhǒng）方法是不可缺少（shǎo）的，對形狀精度要求很高的工件，如果采用強製進給的方法進行切削或進行（háng）磨削時，其形狀精度（dù）將直接受到機床進給定位精度的影響，達到所在反應，並由此引起的加工作用，在工件表麵上存在同樣微小凹的部分，在一般情況下（xià），隻能獲得波紋（wén）起伏較大的表麵。

日本大（dà）阪大學工學（xué）部森勇芷（zhǐ）教授等人利用 EEM開發了一種三軸(x、 z、 C)數控光學表麵範成裝（zhuāng）置，利用該裝置加工時，一（yī）邊在工件表麵（miàn）上控製聚胺（àn）脂球的滯留時間，一邊用聚胺脂（zhī）球掃描加工對象的物全領域，利用該裝置能加工高精度的（de）任意曲麵。

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

目前（qián）廣泛采用的切削、研磨、拋光（guāng）等機械加工方法，由於加工（gōng）材料中存在微細裂紋或結（jié）晶中（zhōng）的品格缺（quē）陷（xiàn）等原因，無論怎樣提高加工精度，改進加工裝（zhuāng）置，總（zǒng）存在一定的局限性，為此，日本大阪大學工學（xué）部森勇正教授提出了一種用（yòng）化學氣體加（jiā）工的新的加工工藝方（fāng）法，稱為（wéi）等離子 CVM法，這是一種利用原子化學反應，獲得超（chāo）精密表麵的一種（zhǒng）技術，其加工原理和等離子體（tǐ）刻蝕一樣，在（zài）等離子體中，被激活的遊離基和（hé）工件（jiàn）表麵原子起反應，將之變成（chéng）揮發性分子，並通過氣體蒸發實現（xiàn）加工的，在高（gāo）壓力下所產（chǎn）生的等離子體，能夠生成密（mì）度（dù）非（fēi）常高的遊（yóu）離基，所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度。

在高壓力下，由（yóu）於氣體分子（zǐ）的平均自由行程極小，等離子體（tǐ）局限在電極附近。所（suǒ）以可以通過電極掃描，加（jiā）工出 0.01μm精度的任意形狀的零件（jiàn），另外可以以50μm／min的速（sù）度加工單晶矽平麵，加工工件的（de）表麵粗糙度（dù）可達（dá）0.1nm(Rrms)。

下個世紀，在矽芯片加工和半導體曝光裝置用（yòng）的非球麵透鏡加工等很多領域（yù）中，將應用 CVM技術，當前有人正在（zài）研究通過（guò） CVM和 EEM的組合，加工同步（bù）加速器用的 X射（shè）線反射鏡等原子級平坦的（de）任意曲麵（miàn）。

非球麵零件複（fù）製技術

用控製除去厚度的拋光(研磨)方（fāng）法能夠製造出高精度的非球麵零（líng）件，但和一般的光（guāng）學（xué）零件加工方法（fǎ）相比，這種方法（fǎ）的加工效率很低，解決這個問題（tí）的方法之一有複製技術，即塑（sù）料注射成（chéng）形和玻璃的模壓成形技術，這種技術能夠製造一部分非球麵透鏡。塑料透鏡注射成形是將（jiāng）熔化（huà）的樹（shù）脂注入（rù）模（mó）具內，一邊施加壓力，一邊冷卻固化的加工方法，這種方法（fǎ）能夠進行廉價、大批量生產，但（dàn）存在塑（sù）料自身的某些問題，如溫度變化、吸（xī）濕導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（tòu）鏡、棱（léng）鏡的（de）最（zuì）佳的小型零件大批（pī）量生產方法。模壓成形技術是將模具內的溫度控製（zhì）在（zài）衝壓（yā）的玻璃轉移溫度以上p軟化溫度以下，在模具（jù）內，進入有流動性（xìng）的玻（bō）璃，加壓成形，並且保持這種狀態20s以上，直到成形了（le）的玻璃溫度分（fèn）布均勻化，將模具的形狀精度作到0.1 μm，表麵粗糙度作到0.01μm以下，在上述條件下（xià）加（jiā）壓成形，能加（jiā）工出和模具精度相（xiàng）近的零件。