非球面加工与检测

1非球面加工与检测技术郭培基苏州大学现代光学技术研究所2主要内容非球面概述非球面加工非球面检测大口径非球面反射镜在空间和天文上的应用苏州大学的工作3一、非球面概述广义非球面：不能用球面定义描述的面形（即不能用一个半径确定的面形），其中有旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面；有关于轴对称的面形；有排列有规律的微结构阵列；有包含衍射结构的光学表面；还包含形状各异的自由曲面。4一、非球面概述狭义的非球面主要指是旋转对称的非球面，能够用含有非球面系数的高次多项式来表示，其中心到边缘的曲率半径连续发生变化。离轴非球面是旋转对称非球面的一部分，但其所在部分的中心轴与旋转对称轴有偏离。5一、非球面概述Z轴为非球面的旋转对称轴即光轴，坐标原点取在顶点其中：；顶点曲率；二次曲面常数；为高次项系数。2468123221/2...1[1(1)]crzarararkcr=+++++−+狭义非球面一般写成以下形式：222rxy=+ck123aaa…、、、6一、非球面概述当高次项系数都为零时，上式只有第一项，为常用二次曲面0k0k=10k−1k=−1k−扁圆(也称扁椭圆)圆椭球面抛物面双曲面7一、非球面概述光学系统应用非球面可易于校正除场曲外的各种单色像差。如：在光阑附近使用可校正各带的高级球差，在像面前或离光阑较远的位置使用可校正像散和畸变。球面透镜非球面透镜8一、非球面概述系统中采用非球面，可简化系统结构、提高系统性能(如相对孔径、视场角、光照均匀性、成像质量等)。17世纪，非球面就应用于反射望远系统中来校正球差，之后，在一些像质要求不高的系统，如照明器中的反射、聚光、放大等系统中也开始用非球面。9一、非球面概述随光学加工工艺和检测技术的提高，非球面光学元件已在国防、空间科学、核能以及一些工业、民用领域获得了广泛应用。高精度：军用航空航天系统、空间遥感测绘、光学数据存储、光刻、激光核聚变的光学系统等中精度：红外探测、照相设备及视频成像系统（尤其变焦距镜头）、投影电视、医用内窥镜、光纤系统、扫描仪、打印机等。10制造困难：1、加工工艺2、检测原因:非球面一般只有一根对称轴，而球面有无数对称轴，球面加工时的对研方法很难用；非球面表面各点曲率半径不同，而球面各点相同，所以面形不易修正，干涉检测困难。非球面广泛应用的障碍一、非球面概述11二、非球面加工加工方法按其特点可大致分成三类：（1）材料去除加工法（MaterialRemovalProcess,简称MRP）是采用研磨、切削及能量束抛光等手段去除零件表面材料，使零件表面质量达到指标要求。该方法主要包括传统的研磨抛光法以及计算机控制加工法。传统的研磨抛光法是目前国内非球面光学零件的主要加工方法之一。12二、非球面加工计算机控制加工法通常包括计算机数控磨（车）削、数控研（抛）两类。其中数控磨（车）削主要指数控铣磨和数控单点金刚石车削；数控研（抛）主要包括数控小工具研抛、应力盘研抛、离子束抛光、等离子体辅助抛光以及近几年来刚刚发展起来的磁流变抛光、液体喷射抛光等。13二、非球面加工（2）变形加工法主要包括应力变形法、热压成形法、光学玻璃透镜模压成形法及光学塑料注射成形、铸造成形和压制成形等。（3）附加加工法是在光学元件的表面附加一层材料，使之形成所要求的非球面形状，主要包括真空镀膜法和复制成形法。14二、非球面加工传统的研磨抛光利用抛光盘与工件表面的相对滑动，借助抛光液及混与其中的磨料粒子与工件表面之间的机械化学和物理作用实现工件表面材料的去除。该方法一般首先加工该非球面的最接近球面，视非球面与最接近球面的最大偏离量确定从哪一道工序开始把球面修改成形非球面。D/2hYZ最接近球面非球面非球面与其最接近球面15二、非球面加工传统的研磨抛光对机床的精度要求不高，机修与手修结合，特别在最后阶段更是依靠加工者的经验手修。因此它对加工者的个人经验和能力要求很高。ab特殊形状抛光盘16二、非球面加工非球面数控铣磨利用精密砂轮在数控设备上直接把毛坯铣磨成为符合面形方程要求的非球面，铣磨时切削点相对工件做理想表面形状的扫描运动，可用于光学玻璃等脆硬材料的加工，铣磨结束后基本上都要经过抛光才能得到符合光学反射面要求。德国SatisLoh公司设备铣磨后的精度可达到1um17二、非球面加工非球面数控铣磨杯形磨轮碟形磨轮18二、非球面加工单点金刚石车削技术加工的材料主要有：有色金属、塑料和红外光学晶体等。采用特殊刀具和工艺也可加工玻璃、钛、钨等材料。特点是生产效率高、加工精度高、重复性好。美国莫尔公司设备面形可优于0.1μm19二、非球面加工车削刀是单点金刚石车削技术的关键之一材料:天然单晶金刚石，其优点：硬度非常高，磨损率低；能磨出极锋利的刀刃，刃口半径ρ值可以极小，能实现超薄厚度切削；摩擦系数小、导热性好，产生的热量容易散失；热膨胀系数小，易于使刀具几何形状在加工过程中保持不变，面形精度容易控制；化学性质比较稳定、不易腐蚀，而且切削屑不易堆积。20二、非球面加工晶面的选择，这对刀具的使用性能有重要的关系刃口半径ρ，它关系到切削变形和最小切削厚度，从而影响加工表面质量，国外刃口半径可小到数纳米的水平，国内目前刃口半径只能到达0.1~0.3μm各种形状的车削刀pointedtool:rβ50nm;ε=70º30’;γ=0º;α=7º21二、非球面加工切削时的情况22二、非球面加工数控小工具研抛技术可用于大口径、高精度非球面零件的加工。它把高级光学加工者的加工技巧数字化、定量化，由计算机控制抛光模对光学元件表面进行加工。与传统加工方法比较，它对工件面形的判断更加准确、抛光过程控制更加可靠，从而大幅度提高非球面光学元件的加工效率和加工精度。理论基础：Preston假设23二、非球面加工Preston假设为描述整个抛光过程，1927年Preston提出了著名的Preston假设，即：在很大的数值范围内，抛光可以描述为一线性方程：,dzKVPdt=K为比例常数，速度和压力以外的其它因素决定；V为表面某一点(x,y)在瞬时(t)与抛光盘上对应点的相对运动速度，V＝V(x,y,t)；P为抛光压力，是关于位置坐标(x,y)和瞬时(t)的函数，P＝P(x,y,t)24二、非球面加工在加工时间内表面材料的去除量Δz：(,,)(,,)0.txytxytzKVPdtΔ=∫用抛光模在工件表面任意一个给定区域的驻留时间函数D(x,y)作为表征抛光模运动的参量。(,)00xyTDdxdy∞∞=∫∫总的抛光时间在V、P相同情况下，除去量和时间成正比25二、非球面加工定义去除函数为不作移动的抛光模在单位时间内材料的去除量，即：(,,)01(,)lim()TrxytTRxyzdtT→∞=Δ∫zr(x,y,t)为不移动抛光模时的去除函数。如果它是周期函数，则去除函数由一个周期内去除量的平均值给定，此时T就变成抛光模运动的周期。26二、非球面加工在工件表面上移动去除函数，然后将工件表面上每一个区域处所去除的材料进行叠加，就可以得到工件表面各处的去除量：去除量应是驻留函数D(x,y)和去除函数R(x,y)的卷积(,)(,)(,).xyxyxyzRDΔ=∗∗27二、非球面加工理论分析表明理想去除函数应具有以下特征：是一个旋转对称的连续光滑函数；中心具有最大去除量，函数具有单个峰值并随半径的增大而减小至零；在最大半径以外，去除函数不具有材料去除能力；在边缘处和中心峰值处，函数的斜率为零。28二、非球面加工应力盘抛光实物照片Arizona应力抛光盘的盘面应力盘研抛技术利用主动变形技术，通过计算机控制实时改变抛光盘的形状，使其符合理论非球面面形，进而将被加工面向标准非球面修正。应力盘抛光技术也是建立在Preston方程基础上的。29二、非球面加工应力盘研抛技术应力盘结构图30二、非球面加工磁流变抛光技术电磁学和流体动力学理论相结合并应用于光学加工的新技术。利用磁流变液在磁场中的流变性：当磁流变液处于梯度磁场中，其粘滞性明显增强，形成具有粘塑性的宾厄姆（Bingham）质，对与之接触且有相对运动的工件表面产生较大的剪切力，当磁流变液中含有磨料时，工件表面材料就可被去除；而宾厄姆质一旦离开磁场,又立即变成流动的液体。31二、非球面加工磁流变抛光技术工作原理图32二、非球面加工美国Q22-950F抛光机床33二、非球面加工非球面面形从50nm降为6nm（RMS）34二、非球面加工液体喷射抛光技术利用由小喷管喷出的混有磨料粒子的高速抛光液作用于工件表面，借助磨料粒子的高速碰撞剪切作用达成材料去除的目的。磁射流抛光技术不同射流体的比较35二、非球面加工液体喷射抛光技术射流抛光机工作图36二、非球面加工离子束抛光工作原理：将惰性气体（氩、氪、氙等）原子放在真空中用高频或放电的方法使之离子化，同时给离子束以电加速，加速的离子对工件表面以原子为单位进行能量交换，使工件表面得到足够能量的原子逸出表面，从而使工件表面材料以原子量级被去除。可达到很高精度。德国NTGL研制离子束抛光机37二、非球面加工38二、非球面加工离子束抛光机床内部示意图39二、非球面加工光学玻璃非球面透镜模压成形技术非球面透镜模压成形技术是把光学玻璃放入高精度的模具中，加温软化，并在加压和无氧的条件下，直接模压成形出达到使用要求的光学元件。现为国际上最先进的光学元件制造方法之一。模压成形工艺流程abcdef40二、非球面加工41二、非球面加工光学塑料非球面注射成形技术将塑化树脂粒料或粉料送入注塑机的料筒中，经过加热、压缩、剪切、混合和输送，使物料均化和熔融，即塑化；然后再借助于螺杆向熔化好的熔体施加压力，将其推入预先闭合好、温度受控的模腔内，经冷却后固化成形，开模后脱模、切浇口而获得零件。注射成形是热塑性光学塑料的主要成形方法。注射成形工艺装置示意图元件从模具中顶出示意图42二、非球面加工TOSHIBA公司的注塑设备43二、非球面加工热沉降技术热沉降技术广泛地用于低精度薄型非球面和自由曲面镜片的制造，广泛地用于低精度薄型非球面和自由曲面镜片的制造，特别是用来制造作为树脂注入法的玻璃镜片模具。特别是用来制造作为树脂注入法的玻璃镜片模具。陶瓷非球面模具非球面镜非球面镜44二、非球面加工注入成形技术注入成形技术玻璃模具玻璃模具弹性密封隔圈树脂注入孔非球面透镜成形腔广泛地用于非球面和自由曲面树脂镜片的制造，树脂注入后需经紫外线固化。45二、非球面加工复制技术非球面母模树脂填充液+球面基体树脂层复制非球面复制夹具母模面形误差母模面形误差复制件面形误差复制件面形误差46三、非球面的检测方法•几何光线检测法：哈特曼法、光栅法和刀口法•直接的面形轮廓法•干涉法47三、非球面的检测方法哈特曼法利用光阑孔对波面取样，取样点间保持一定关系，当波面上某一部分相对该处的理想波面倾斜时，就会使光线聚焦偏离理想位置，根据偏离量，就能求出波面上取样点的倾斜误差。几种哈特曼光阑结构图48三、非球面的检测方法刀口法刀口阴影法检测光学元件基本原理49三、非球面的检测方法直接的面形轮廓法50三、非球面的检测方法直接的面形轮廓法摆臂轮廓测量仪运动结构示意图51干涉法检测非球面非零检测：欠采样法、长波长法、双波长全息法、剪切干涉法及液体补偿干涉法高分辨率的接收器件法、子孔径法零检测：无像差点法零光学元件（反射、折射或衍射光学元件）52干涉法检测非球面剪切干涉法剪切波面被测非球面空间滤波器53干涉法检测非球面子孔径法标准镜标准镜可变补偿镜可变补偿镜被检非球面被检非球面54干涉法检测非球面无像差点法：利用常用二次非球面(椭球面、抛物面和双曲面)的一对无像差共轭点来检测其自身面形的方法。利用无像差点法检验双曲面标准球面镜被检凹双曲面标准球面镜被检凸双曲面55干涉法检测非球面利用无像差点法检验抛物面凹抛物面标准平面镜凸抛物面标准球面镜56干涉法检测非球面标准球面镜被检凹椭球面标准球面镜被检凸椭球面无像差点法检验椭球面57折射的零光学元件（常叫补偿法）优点：优点：由球面透镜组成，一般其单个面的检测都比由球面透镜组成，一般其单个面的检测都比较简单，并且一旦加