非球面光学元件行业概述

非球面光学元件行业概述

第一节行业特性

一、行业定义

非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。一般应用在光学系统中的透镜及反射镜，曲面型式多数为平面和球面，原因是这些简单型式的曲面加工、检验容易，但是用在某些高度精密成像系统有一定的限度。虽然非球面的复杂曲面制造困难，但是在某些光学系统中依然是需要的。采用非球面技术设计的光学系统，可消除球差、彗差、像散、场曲，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。非球面光学与球面光学相比有很大的优势，非球面可以提高系统的相对口径比，扩大视场角，在提高光束质量的同时透镜数比球面构成的少，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，镜头的形状小型化、降低成本并有效的减轻仪器重量。

非球面光学元件是一种非常重要的光学元件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学元件可以获得球面光学元件无可比拟的良好的成像质量，非球面光学元件在军用和民用光电产品上的应用很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。

二、行业发展概况

随着光学事业不断发展以及光学仪器在各个领域的高要求、高精

度应用，非球面光学设计由原来的单一型、低阶次逐渐向复合型、多阶次方向发展，为满足非球面加工、检验，新的加工技术、检验技术也在不断地完善。

目前，国内外非球面加工技术主要有：计算机数控、单点金刚石车削技术、高精密数控抛光技术、光学玻璃透镜模压成型技术、光学塑料成型技术等；检测非球面光学系统的方法主要有：干涉法、阴影法、激光束平移旋转法等。

在光学组件进展历程中，大概可以1980年为界，在这之前以使用球面光学组件为主，之后则开始进展到使用非球面光学组件，到了1990年以后，则开始使用精密的非球面光学组件与自由曲面光学组件。现今对光学组件的要求愈趋于微小化、复杂化，且形状精度要求极高，自由曲面的应用领域愈来愈广，如何有效且快速地制作与检测自由曲光学组件已成为目前光学产业的重要课题。

1、国外非球面零件的超精密加工技术的现状

80年代以来，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：

计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的问题。前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。

进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、形状、精度

和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削（S PDT）的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的。另外，还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。

国外许多公司已将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如Rank Pneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60-3D、ULP-100A（H）都具有复合加工功能，这样可以使非球面零件的加工更加灵活。

2、我国非球面零件超精密加工技术的现状

我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室，比国外晚了一二十年。传统的非球面光学元件加工主要是依赖加工者多年的研究和经验来完成，存在着加工效率低、加工周期长、工作质量难以控制、对加工者要求高等诸多缺点，难以满足现代科技的发展需求。近年来，国内也开始了多种非球面光学元件加工技术的研究应用，主要有：复制成型法、离子束抛光法，计算机控制光学表面成形法。这些技术的研究应用基本上能够解决各种非球面光学元件的加工问题，同时加工效率和精度有了很大的提高。