非球面加工与检测
非球面镜片的精密加工光学镜片的加工及检测
2.6 定心磨边
定中心是完工的玻璃或晶体零件在磨边 时所需要的一道工序，其目的是使每一个球面 的曲率中心同轴 。
2.6 定心磨边
定心方法
一种大物镜定中心的特殊装置，并可同时检查中心偏差
松香蜂蜡胶上盘法
优点是操作简便，缺点是平行度精度不高，也不适用于面形精度 要求较高的薄片。
荷重 工件 粘结模
工件 粘结模
方法一
方法二
2.3 上 盘
点胶上盘法
优点是可获得较好的面形和平行度。缺点是承受不了高速高压 的加工条件，易“走动” 。
工件 软胶点 粘结模
工件 火漆点 粘结模软点胶粘结 Nhomakorabea硬点胶（火漆）粘结
2.1 开料成形——磨外圆
磨外圆
2.2 粗 磨
粗磨平面 粗磨棱镜和斜面 粗磨球磨
2.2粗磨——平面
散粒磨料多片加工
散粒磨料单片加工
2.2粗磨——平面
双面加工
2.2粗磨——平面
LOH公司SPM平面铣磨机
2.2粗磨——棱镜和斜面
铣磨棱镜和斜面的准直夹具
制造精密的反射角及 小平面棱镜需要这种夹具
1、细磨时间不够 2、砂号选择不当 3、上道砂磨后的面形不合适
1、磨料添加不均匀 2、磨料堆集在镜盘边缘
1、对磨料应复检或试用 2、磨料悬浮液应浓淡适当 3、新加工的模具应用细磨料对研 4、做好工作环境的清洁工作
1、磨去量要足够 2、两道磨料磨号间隔不要太多 3、每道磨料都应从镜盘边缘磨起
1、添磨料时应用毛刷均匀散开 2、模具表面开槽
非球面加工与检测
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12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。
3一、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。
46一、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k >0k =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。
8一、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。
9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。
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验光学非球面的设计、加工与检验是现代光学技术领域的重要内容。
非球面镜头是一种光学元件，其曲率半径不是球形，可以用于改变光路、调整成像质量和改善成像形态等方面。
在非球面镜头的设计过程中，需要充分考虑光线的折射和反射，
以及材料的折射率和色散等因素。
设计师需要采用先进的光学软件进
行模拟优化，不断调整镜片形状和参数，以达到最优光学效果。
加工非球面镜头是一个复杂而精密的过程。
需要采用高精度加工
设备和技术，以确保镜片的形状和表面质量。
在加工过程中需要考虑
到材料的特性，如可加工性、耐磨性和耐腐蚀性等，并进行合理的质
量控制。
镜片检验是保证光学精度的关键步骤。
可以采用光学检测设备进
行检验，如干涉仪、激光测量仪等。
通过检验，可以了解镜片表面的
误差和偏差，从而进行调整和改进，提高光学成像质量和精度。
总之，非球面镜头的设计、加工和检验是一个紧密相连的过程，
需要充分考虑光学原理和技术要求，并采用先进的设备和技术手段，
以确保光学元件的高质量和高性能。
非球面镜片的鉴别方法
非球面镜片的鉴别方法非球面镜片是一种在制造过程中通过对普通球面镜片进行加工，使其在特定方向上的曲率半径不等于在垂直方向上的曲率半径的镜片。
在实际应用中，非球面镜片广泛应用于光学仪器、眼镜、摄影镜头等领域。
鉴别非球面镜片的方法如下：1.观察光线反射：使用一束平行光线照射在非球面镜片上，观察光线的反射情况。
如果光线在镜片的表面上反射时发生了折射，即光线在不同方向上的角度不相等，则可以判断镜片为非球面镜片。
2.检查曲率半径：使用曲率半径检测仪或者显微镜等设备，对非球面镜片的曲率半径进行测量。
根据非球面镜片的制造过程，非球面镜片在特定方向上的曲率半径会与垂直方向上的曲率半径不同。
3.检查反射像差：反射像差是指光线经过非球面镜片反射后所产生的像差。
通过观察反射像差的大小和分布情况，可以初步判断镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片在设计和加工过程中可以通过调整曲面形状来减小或消除反射像差。
4.检查折射像差：折射像差是指光线经过非球面镜片折射后所产生的像差。
通过观察折射像差的大小和分布情况，可以进一步确认镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片通过改变曲率半径来控制折射像差的大小和方向，从而提高光线的聚焦能力和像质。
5.查看制造工艺：通过查看非球面镜片的制造工艺资料，了解镜片的设计和加工过程，可以确认镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片的制造过程通常包括球面镜片的加工、抛光和涂膜等步骤，其中会涉及到特定的加工设备和工艺技术。
综上所述，通过观察光线反射、检查曲率半径、检查反射像差和折射像差，以及查看制造工艺，可以对非球面镜片进行鉴别。
准确的鉴别非球面镜片对于确保光学仪器和眼镜等设备的性能和质量至关重要。
光学加工过程中高次非球面的三坐标测量数据处理
光学加工过程中高次非球面的三坐标测量数据处理光学加工中的高次非球面形状通常不能通过传统的球面测量方法进行测量，而需要使用更先进的三坐标测量技术。
三坐标测量能够在X、Y、Z三个方向同时测量物体表面的形状和位置信息，可以获得非球面形状的三维坐标数据，进而进行进一步的数据处理和分析。
在光学加工过程中，高次非球面的三坐标测量数据处理通常包括以下几个步骤：1.数据采集：使用三坐标测量仪器对工件的表面进行测量，获取大量的数据点。
根据测量仪器的精度和分辨率，可以选择不同的测量密度和采集速度，以获得满足要求的测量数据。
2.数据处理：将采集到的数据点转化为三维坐标数据，并对数据进行清洗和滤波处理，去除测量误差和噪声。
常用的数据处理方法包括滤波算法、插值算法和拟合算法等，可以根据实际情况选择合适的算法进行处理。
3.数据拟合：由于高次非球面的形状复杂，无法用简单的数学模型来描述。
因此，需要选择合适的曲面拟合算法，将测量数据拟合为一个合适的曲面模型。
常用的拟合算法包括最小二乘拟合算法、高阶拟合算法和样条曲线拟合算法等。
4.数据分析：通过对拟合后的曲面模型进行分析，可以获得高次非球面的重要几何参数，如曲率半径、偏心距和面形误差等。
这些参数可以用于评估加工质量和确定后续修磨或矫正加工的策略。
5.数据修正：根据分析结果，可以对加工过程进行修磨或矫正。
修磨是指通过磨削加工，调整工件表面的形状和位置，以达到要求的非球面形状。
矫正是指通过附加补偿元件或曲面矫正加工，对错误的非球面进行修正，使其符合要求。
6.数据反馈：将修正后的加工参数反馈给光学加工设备，进行下一轮的光学加工。
通过反复的测量、分析和修正，逐步获得满足要求的高次非球面形状。
总之，高次非球面的三坐标测量数据处理是光学加工中非常重要的一环，能够为加工过程的控制和优化提供关键信息。
通过合理的数据采集、处理、拟合和分析，可以有效地实现高次非球面的测量和修正，提高加工精度和质量。
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面（aspherical）的设计、加工与检验是光学领域中非
常重要的主题。
与球面镜不同，非球面镜的曲率半径是不同的，从而
可以实现更复杂的光路设计，使得像差和畸变得到校正。
首先，非球面镜的设计通常采用光学设计软件，如Zemax、Code
V等。
设计师需要根据系统的要求，选择合适的非球形曲率，并进行优化，以达到更好的成像质量。
此外，许多非球面元件是自由曲面，其
形状没有数学解析式，因此需要进行参数化建模，并通过优化算法，
对设计进行特定的目标函数的优化。
然后，非球面镜的加工也有其特殊性。
传统的机械加工难以精确
地制造复杂曲率的非球面，因为这需要超高精度的加工设备和领域专
家的卓越技能。
目前，许多先进的加工技术已经得到应用，例如电解
抛光、激光抛光等。
这些高效、高精度的加工技术，使得制造非球面
镜变得更加容易和可行。
最后，非球面镜的检验也是必不可少的。
由于非球面曲率形状是
非常复杂的，无法被通用的球差检验方法所测量。
因此，许多特殊的
检验方法已经被提出。
例如干涉法、投影法、衍射法等。
这些方法可
以精确地测量非球面镜的曲率和形状，确保其具备高精度的成像功能。
综上所述，非球面光学元件的设计、加工以及检验是光学领域的
重要组成部分，对于现代光学系统的优化和实用化起到了关键性的作用。
非球面轮廓测量与分析
a is the indexed Polynomial Coefficient a为多项式系数
C is the reciprocal of the Base Radius C为基圆半径的倒数
K is the Conic Constant of the Surface K为二次常数
Xp是指非球面光轴到轮廓最高点之间的距 离。
非球面参数简介
• Xt:
Xt is the distance of the aspheric axis from the measured data.
Xt是指非球面光轴到测量起始点之间的距 离。
非球面参数简介
• Xv:
Xv is the distance of the lowest valley from the aspheric axis .
6) Residual Error After Form Removal 形状去除之后的残余误差
+Z 轴
Aspherics axis 非球面轴线
+X 轴
-X轴
D=B-C(Residual error after
absolute aspheric form removal)
-Z 轴
去除绝对形状后的残余误差
• 之所以称为“锥面”项，是由于我们可以用 不同方位的面与圆锥相切可以得到以上表面
基本形式：球面(K=0)
相切面平行于圆锥底面
圆的标准方程: x2 y2 R2 (R 0)
基本形式：抛物面(K=-1)
相切面平行于圆锥侧面
抛物线标准方程 : y2 2 px或y2 2 px或 x2 2 py或x2 2 py( p 0)
光学塑料的非球面加工
•光学塑料零件的注射成型技术 ：
• 注射成型的光学塑料透镜，均为一次注射成型。它要求 透明度极高，这就给注射成型造成了一定困难。因此，对于注 射成型光学塑料制品模具的结构设计、材质选择以及制造精度 等都提出了较高的要求。
•光学塑料非球面技术的发展趋势
• 近几年来，我国光学制造企业在光学塑料非球面，特 别是小尺寸非球面零件的制造技术方面，有很大的进步。但 随着新产品和新技术的发展，仍然在制造设备和技术的提高 等方面有巨大的发展空间。 •
•非球面与球面的区 别：
• 所谓球面和非球面,主要是针对各种光学仪器的镜头或 者眼镜的镜片几何形状而言。球面是一种旋转曲面,球面上每 一点的曲率半径是相同的。
•（2）可以设计非常复杂的形状 • 光学玻璃零件很难研磨和抛光成球面和平面以外的形状 。然而用注射成型的方法，光学塑料可以很容易且经济地制 造成非球面、微透镜阵列、菲涅耳透镜等面形复杂的零件。
•
•（3）重量轻、耐冲击 • 光学塑料的密度仅为玻璃的1/2~1/3，因此可以减轻系 统的重量。光学塑料的耐冲击强度要比玻璃高得多。
•光学塑料零件的检 验•三、塑料透镜的曲率半径检
验
• 制造塑料光学零件必须 检检其面型精度。由于塑料光 学元件表面硬度低，接触式检 测易划伤其表面是表面变形。 因此塑料透镜面形检测必须是 非接触度的。图为一种检验塑 料透镜的曲率半径的仪器结构 示意图，可以依据成像质量定 性判别表面的完善程度。
•光学塑料零件的表面镀膜
•非球面的种类 ：
•非球面光学曲面包括有回转轴的回转非球面（如抛物面 、椭球面、渐开面、双曲面等二次曲面以及高次曲面） 。
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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
1
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
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。
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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。
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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
k >0
k =10k −<<1
k =−1
k <−扁圆(也称扁椭圆)圆椭球面抛物面
双曲面
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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
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。
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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。
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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
10
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（Material Removal
Process,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。
11
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。
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。
13
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/2
h Y Z
最接近球面
非球面
非球面与其最接近球面
a b
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
1 um
16
17
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0.1μm
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。
19
pointed tool:
r β<50nm; ε=70º30’;
γ=0º; α=7º
二、
非球面加工
21
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
24
二、非球面加工
在加工时间内表面材料的去除量Δz ：
(,,)(,,)0.t
x y t x y t z K V P dt Δ=∫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。
(,)00x y T D dxdy
∞
∞=∫∫总的抛光时间在V 、P 相同情况下，除去量和时间成正比
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
(,)(,)(,).
x y x y x y z R D Δ=∗∗
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。
27
应力盘抛光实物照片
29
二、
非球面加工
应力盘研抛技术
应力盘结构图
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。
30
33
二、
非球面加工
非球面面形从50nm 降为6nm （RMS ）
35
二、
非球面加工
液体喷射抛光技术
射流抛光
机工作图
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。
36
二、
非球面加工
37
二、
非球面加工
离子束抛光
机床内部示意图
38
a b c
d e f
模压成形工艺流程
40二、
非球面加工
二、
非球面加工
42
43
二、非球面加工
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，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
复制夹具
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
46
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
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
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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。