王丽荣

（中山火炬职业技术学院，广东 中山 528436）

随着科学技术的发展，非球面光学零件因其优良的光学性能，而日益成为一类非常重要的光学零件。在很多情况下，光电仪器采用非球面，能够得到球面光学零件难以达到的光学性能，如提高系统的相对孔径，增大视场角，改进像质，改善光照度均匀性，缩短工作距离，大大地减少镜片数量等，从而简化仪器结构，缩小外形尺寸，减小总质量。从17世纪最早提出非球面应用至今400余年，人们一直在探索非球面光学零件的加工技术。

非球面制造通常分为非球面成形和光学面实现两个工艺方面。相对而言，难点主要在光学面的实现。本文主要讲述非球面光学零件抛光技术。传统的非球面加工方法，是通过研磨抛光方法，随着光机电算的逐渐一体化，现已发展出多种新的非球面抛光方法。

1 非球面传统加工技术

研磨抛光法，是传统的非球面光学零件材料去除式加工方法。这种方法，是先把零件研磨成最接近球面形状，然后用机器或手工继续局部研磨或抛光，边加工边测量，直至修磨出符合要求的非球面面形。由于主要依靠手工，所以这种方法只适用于大口径且非球面度较小的非球面。按此方法加工出的非球面，可达到很高的精度，但效率低，且精度重复性差，只适用于单件或小批量生产[1]。

传统研抛技术，一直伴随着非球面加工技术的历史。由于依靠操作者的技术，可达到较高的加工精度，因此可作为现代新型非球面抛光技术的一种补充，两者相结合，达到所需的表面粗糙度和面形精度。

2 非球面抛光新技术

2.1 计算机控制光学表面（CCOS）加工技术

20世纪70年代初，美国Itek公司率先提出了一种新的光学表面加工的技术构想，即CCOS，它是通过计算机控制一个小型工具，将控制软件、机床设备和检测方法有机结合起来，进行光学表面加工。随后美、法、德、俄的科研中心，都在此领域开展了深入的研究。如美国的亚利桑那大学光学科学中心、法国空间光学制造中心、德国蔡司公司、俄罗斯瓦维洛夫国家光学研究所等[2]。随着计算机技术和精密计量技术的飞速发展，CCOS加工技术从计算速度到加工精度等，都得到了进一步的提高与完善。

CCOS加工技术的基本原理，是用计算机来控制一个比被加工零件尺寸小得多的抛光模，以一定的路线、速度和压力抛光工件表面。通过改变任何一个区域的抛光时间，可以精确地获得要求的材料去除量。由于抛光的去除量不大，所以工件要先用通常的方法研磨、抛光成接近的比较球面。计算机控制抛光，仅仅是抛去球面和要求的非球面在各点处所存在的偏离量。在加工中，使用迭代的方式，使表面误差逐步收敛。

用CCOS方法加工出来的零件，局部面形误差（波纹）难以消去，要达到高品质的光学级表面，仍需要后续传统抛光。与其他技术相比，CCOS的优势主要是在非球面成型和精磨方面。

2.2 磁流变抛光技术

磁流变抛光技术（MRF），是美国Rochester大学提出的一种新型的光学零件加工方法，其将电磁学、流体动力学理论、分析化学有机结合起来。磁流变抛光液在高强度的梯度磁场中会变硬，而成为具有粘塑性的Bingham介质，形成类似缎带的凸起。当这种介质流经工件与运动盘形成的很小空隙时，工件表面材料会被工件表面与其接触的区域产生的剪切力去除。

由于磁流变抛光能够获得品质很高的光学表面，与CCOS相结合，可实现计算机控制，从而得到较复杂的面形，且去除效率高，不会存在刀具磨损、堵塞现象。因其独特的剪切去除机理在保证较高去除效率的同时不引入亚表面损伤，可以高效消除磨削产生的亚表面损伤层，实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光[3]。

因此，磁流变抛光是一种非常好的光学加工方法。目前，我国很多高校及科研机构都投入了大量精力进行磁流变抛光技术的研究。缺点是有磁介质不能使用，且磁流变液特性随材料变化，抛光去除函数必须随时标定。

2.3 离子束抛光

离子束抛光是1965年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术[2]。

离子束抛光的原理，是将惰性气体（如氩、氪、氙等）原子在低真空中电离为离子，再加速撞击到放在高真空度的真空室内的工件表面上，以原子量级将其表面将材料予以去除。

离子束加工玻璃的主要特点，是加工工具精度非常好，表面不产生正压力，加工量的控制极其精确稳定。被加速的离子与工件材料的原子核直接产生弹性碰撞，使其逸出表面，可以轻易实现原子量级的材料去除，加工精度可达λ／100，且不受被加工零件表面和材料的限制。因离子束抛光的加工深度小，因此使用该技术进行零件抛光前，被加工件应先进行初抛光。该项技术的缺点是成本昂贵，操作复杂，工作时有振动，且抛光速度缓慢。

2.4 应力镜与应力盘抛光技术

20世纪90年代，美国亚利桑那大学斯蒂瓦天文台大镜实验室，在发展大型主镜轻量化镜坯计算机控制离心熔铸技术时，发展了这种新的计算机控制大尺寸应力抛光盘，加工超大型高陡度的非球面反射镜。

应力盘（Stress Lap）抛光技术的基础，是能动光学技术，其由传统加工中的控制镜面变为控制加工工具，通过动态控制面形，来使应力盘连续不断地保持同被加工表面的吻合与适配。这种方法，一方面易于修改加工表面所产生的如像散之类的低频误差；另一方面，重要的是摆脱了计算机控制小工具抛光中的中、高频残差的误差来源。

应力镜抛光技术（Stressed-mirror Polishing，SMP）是一种基于弹性力学原理的非球面加工技术。在SMP中，力加到镜基上，使变形形状和期望的非球面面形相反，然后由大型球面抛光工具进行抛光，应力移除后，反射镜松弛到期望的非球面面形。

应力镜抛光技术，允许使用大型球面抛光工具进行非球面光学面形的抛光，显著增加了材料移除率，且没有高频面形误差，参数一致性非常好，其缺点是边缘效应十分明显。

2.5 光学玻璃模压成型技术

美国柯达公司经过近40年的努力，在20世纪70年代研究成功玻璃的精密模压成型技术，一次就完成光学球面或非球面的零件成型，不需要研磨抛光的加工。

光学玻璃模压成型技术，是利用了玻璃从熔融态向固态转化的过程是连续可逆的热加工性质，在玻璃的转变温度Tg附近，在无氧条件下，对玻璃和模具进行加温加压，一次性将光学玻璃模压成达到使用要求的光学零件[1]。由于光学玻璃模压成型法摒弃了传统的粗磨、精磨、抛光以及定心磨边等工序，直接一次成型，大大节省了材辅料、时间、设备及人力，且能模压出不同形状，尤其是在非球面光学玻璃零件制造方面，有着广阔的应用前景。

光学玻璃模压成型法制造光学零件有如下优点：

（1）不需要传统的粗磨、精磨、抛光、磨边定中心等工序，就能使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；

（2）能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积和熟练的技术工人，使一个小型车间就可具备很高的生产力；

（3）可很容易经济地实现精密非球面光学零件的批量生产；

（4）只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数，就能保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度[1]；

（5）可以模压小型非球面透镜阵列；

（6）光学零件和安装基准件，可以制成一个整体。

光学玻璃模压成型技术，是一项综合技术，需考虑玻璃材料、模具材料、模压设备及模压的工艺参数。其所涉及的技术均为各个领域的尖端技术，包括低熔点玻璃材料开发与熔炼、超硬合金材料和加工、模具表面镀膜，以及自动化精密模压设备的研制、模压工艺参数等。该技术主要适用于小型非球面制造，目前最大模压尺寸在50 mm以内。

3 结束语

光学非球面加工，是光学冷加工发展研究的趋势和方向，其工艺难度主要来自于非球面度。虽然非球面光学零件抛光的技术方法很多，但目前还没有一种方法能与球面或平面加工相比，既保证加工精度和品质，又能适应不同批量、不同尺寸的要求，且加工成本适中。因此，不断寻求既有较高精度和效率，又有较低成本的非球面加工方法，仍是未来很长一段时间内的重要研究方向。现代加工手段，必须与传统加工手段有机结合。另一方面，非球面制造的关键，是非球面检测技术，加工强烈依存于检测，制造非球面的水平与所掌握的检测方法密切相关，非球面检测和相应数据分析处理技术的发展，为制造更高要求的非球面提供了可靠的保证。

[1]舒朝濂.现代光学制造技术[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2]蔡 立.光学零件加工技术[M].北京：兵器工业出版社，2006.

[3]康桂文.磁流变抛光技术的研究现状及其发展[J].机床与液压，2008，36(3)：173-176.