分析报告-非球面光学镜头
非球面透镜
球面与非球面的区别光学透镜的镜面通常是制成球面状的，从透镜中心到周边有一定的曲率，这种透镜称为球面透镜。
非球面透镜的镜面则是从透镜中心到周边曲率作连续变化的，非球面透镜又有单面非球面和双面非球面两种。
现代相机镜头要求较高的光学性能、需要校正多种像差。
前面已讲到，由球面透镜组成的镜头，是采用多片透镜的组合来克服像差的。
这种由球面透镜组成的镜头，会不同程度地存在一定的“球差”。
采用非球面透镜组成的镜头则能有效地克服“球差”。
非球面透镜组成的镜头，其优点包括如下四个方面：一是能理想地克服球差，可以制成大口径高像质镜头；二是能全向提高镜头的成像质量；三是能减少镜头的透镜片数；四是可以减少镜头的长度，有利于镜头小型化，参见图1—2。
所谓球面和非球面，主要是针对镜头（各种相继、显微镜等镜头）、眼镜（包括隐形眼镜）的镜片几何形状而言，即球面镜片与非球面镜片。
二者在几何形状上的差别决定了它们在平行的入射光的折射方向上产生差异，从而影响其成像效果的好坏。
球面镜片，其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈弧状。
当不同波长的光线，以平行光轴入射后镜片上不同的位置时，在菲林平面（与镜片中心和镜片焦点联机相垂直的、通过焦点的平面）上不能聚焦成一点，而形成像差的问题，影响影像的质素，例如出现清晰度下降和变形等现象。
一般普通镜头是采用球面镜片组成的。
为解决这一成像问题，可以透过在镜身内增加镜片以作为对像差的矫正，但此举可能会引起反效果，进一步削弱影像质素，因为额外的镜片，除增加光线在镜身内反射的机会，引起耀光现象外，亦会增加镜头的体积和重量。
非球面镜片，其镜片并非呈球面的弧度，而是镜片边绿部份被「削」去少许，其横切面呈平面状。
当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，亦即菲林平面上，以消除各种象差。
例如耀光现象在球面镜使用大光圈会比细光圈下拍摄来得严重，但若然加入非球面镜便可将耀光情况大大降低；又例如影像呈现变形(枕状或桶状)，乃因镜头内的光线没有适当折射而产生，以变焦镜为例，短焦距时通常是桶状变形而变焦至长焦距时则为枕状变形，若采用非球面镜，则可以改善这方面的像差。
2014年光学镜片镜头光学仪器行业分析报告
2014年光学镜片镜头光学仪器行业分析报告2014年11月目录一、行业分类与简介 (4)1、精密光学镜片与镜头概述 (4)2、光学仪器概述 (5)二、行业监管 (5)1、行业主管部门和管理体制 (5)2、行业法律法规及产业政策 (6)（1）行业主要法律法规 (6)（2）国家产业相关政策 (7)三、行业发展现状及市场规模 (8)1、精密光学镜片及镜头行业 (8)（1）单反相机（数码相机） (9)（2）智能手机 (10)（3）车载镜头、安防设备 (12)2、光学仪器行业 (13)（1）户外光学仪器 (14)（2）文教光学仪器 (16)四、行业产业链分析 (18)五、影响行业发展的主要因素 (19)1、有利因素 (19)（1）产业政策的支持 (19)（2）科技发展推动光学元件和仪器应用不断延伸 (19)（3）智能手机成为移动互联重要载体，相关产业未来市场空间巨大 (20)（4）消费升级推动国内光学产品需求 (20)2、不利因素 (21)六、行业壁垒 (21)1、品牌壁垒 (21)2、技术壁垒 (21)3、资金壁垒 (22)七、行业发展趋势 (22)1、光学仪器欧美市场已趋成熟，亚非等主要发展中国家成为未来增长点 (22)2、移动互联的广泛应用推动光学镜头与镜片市场规模快速增长 (23)八、行业基本风险 (23)1、市场竞争风险 (23)2、大客户变动风险 (23)九、行业竞争格局及主要企业 (24)1、精密光学元件：光学镜片与镜头 (24)（1）大立光电 (25)（2）玉晶光电 (25)（3）舜宇光学 (26)（4）晶华光学 (26)（5）华国光学 (27)（6）凤凰光学 (27)2、光学仪器行业 (27)（1）Bushnell (28)（2）Celestron (28)（3）Vixen (28)一、行业分类与简介1、精密光学镜片与镜头概述光学镜片为主要光学元器件之一，根据材质不同，光学镜片可分为玻璃镜片、塑胶镜片和合成镜片等。
基于ZEMAX的非球面摄影镜头的设计
基于ZEMAX的非球面摄影镜头的设计倪绿汀;程萍;位迪【摘要】10.3969/j.issn.1003-5060.2012.11.017% 文章利用光学设计软件ZEMAX以及缩放法设计一款焦距50mm,像素为500×104的非球面摄影镜头.该镜头的像元大小为2.2μm,镜头采用的初始结构为双高斯摄影物镜结构.该设计的最大优点在于畸变极小,小于0.05%,各个视场的调制传递函数(MTF)值超过一般要求值,在奈奎斯特频率1/2处视场的MTF值等于0.585,0.7视场之内的MTF值等于0.464,各个视场的照度都能达到95%以上.【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】4页(P1510-1513)【关键词】ZEMAX软件;摄影镜头;光学设计;调制传递函数;非球面【作者】倪绿汀;程萍;位迪【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】O435球面镜片具有球差像差的先天缺陷，从而带来了无法克服的光斑现象，而非球面镜片使光线经过高次曲面的折射，就可以把光线精确地汇聚到一点。
一片非球面镜片就能实现多个球面镜片校正像差的效果，这样非球面镜头可以有效地减少镜片数量，从而减小了体积和质量。
非球面镜头成为佳能、索尼及奥林巴斯等各大公司的热门镜头。
由于它在低照度下所表现出的优越性能，非球面镜头必将在视频监控中得到广泛的应用，尤其是在军事领域中，可以在军事观察、侦查以及搜索指挥中得到应用。
本产品的有效像素为2 580×1 936，总像素为500万像素，像元大小为2.2μm×2.2μm，其CCD的有效面积为5.68mm×4.26mm，对角线长度为7.1mm。
设计中取对角线的1／2作为系统的像高。
相机镜头非球面镜片的技术简述
相机镜头非球面镜片的技术简述想要拍摄画质出色，细节层次出色的照片不仅需要有高超的摄影技术，在摄影器材方面也要有比较出色的性能产品来辅助你完成你的创作想法，而其中镜头的品质可以说是有着决定的因素，一支品质优异的镜头作为照片成像的保障能让你所拍摄高画质的照片。
而如何判定一支镜头是否优异呢，下面是小编为大家精心推荐的非球面镜片技术简述，希望能够对您有所帮助。
非球面镜片技术简述我们来了解一下非球面镜片。
何为非球面镜片，它的作用又是什么呢?镜头中的镜片多为球面镜片，通过镜片的排列方式和它们之间的距离，可以在一定程度上补偿像差。
但由于球面镜片本身能力有限，要彻底抑制像差很困难。
而非球面镜片则是为补偿多种像差而设计制造的特殊镜片，它通过调节镜片表面的曲率从而控制入射光线的方向将像差抑制在较低水平。
因此可以提高大光圈镜头的性能，并且能够让广角变焦镜头实现更为宽广的焦段。
经常被应用在广角镜头和包含广角焦段的标准变焦镜头中。
非球面镜片可以实现两片球面镜片才能达到甚至更佳的效果，减少了镜片组，所以在镜头小型化方面非球面镜片也能起到很大作用。
在佳能镜头中非球面镜片根据其加工方法的不同可以分为四类，研磨非球面镜片、大口径玻璃模铸非球面镜片、高精度树脂成型非球面镜片以及复合非球面镜片。
这四类非球面镜片各具特色，其中研磨非球面镜片加工工艺最为复杂，精度很高，通过研磨将玻璃加工成为非球面镜片。
而其他几种非球面镜片的加工方式也各有不同，大口径玻璃模铸非球面镜片和高精度树脂成型非球面镜片锁是通过将镜片材料注入专用的模具中再用高压制作的方式获得的非球面镜片。
而复合非球面镜片是在镜片基材上形成紫外线硬化树脂皮膜使镜头表面非球面化。
至于使用何种非球面镜片都是要结合镜头特征来综合考虑的。
非球面镜片对球面像差、彗星像差、歪曲像差等多种像差补偿都很有帮助。
摄影初学者适合的镜头50mm的镜头50mm 焦段的镜头又被称为标准镜头，因为其在全画幅上大约39度的视角与人眼的视野相当。
非球面摄影镜头的主要特性及使用现状
●吴启海非球面透镜与球面透镜的主要区别是设计自由度较大。
球面由一个参数,即球面半径决定其形状,非球面理论上可以有多个参数决定其面形,并能从中心到边缘连续发生变化。
这样一来,仅仅是球面透镜组成的镜头不能完全校正的象差,使用非球面透镜可以得到进一步改善,成象质量大大提高了。
从另一角度来看,使用非球面透镜,往往一个透镜的作用等同数个球面透镜的组合,于是球面透镜组合无法获得的新型镜头可能产生,或者是镜头构成数量大幅度减少。
非球面镜头发展概况其实,在17世纪镜头设计师已经知道在镜头中使用非球面有特殊的效果。
第一次在常用照相机镜头中使用非球面是1966年出现在徕卡M相机上的M OKTI LX50mmF112镜头,表明非球面透镜对大孔径照相镜头高性能化有明显效果。
70年代前半期,非球面镜头制造成本较高,应用主要停留在单镜头反光照相机高级镜头上,例如部分大孔径和超广角镜头上。
最早能大批量生产投入市场的非球面镜头是1977年推出的柯达110照相机使用的25mmF119镜头。
直到80年代,才涌现出许多普及型非球面镜头。
这段时期的非球面镜头,主要是瞄准“镜头的小型化和轻量化”,非球面在镜头中仅起辅助作用。
真正使非球面透镜在照相机镜头中起主导作用的产品是1992年日本美能达公司推出的APEX90照相机使用的38～90mm非球面镜头。
该镜头由2组4个透镜构成,其中2个非球面透镜(图1)。
作为变焦距镜头,真正实现了理论上最少构成透镜数4个,达到小型化和满足低成本要求。
从1992年开始,至今短短数年时间,非球面镜头进入全盛时期,从低档相机的普通镜头到单反相机的高级镜头,从超广角到中长焦,从大孔径到高变倍比,新的高质量和高性能的镜头出现几乎都离不开使用非球面透镜。
例如今年已先后获日本照相机记者俱乐部特别奖和欧洲TIPA大奖的腾龙AF28～300mm/F315～613LD非球面(IF)微距变焦镜头就是使用2件复合非球面透镜的成果。
基于玻璃非球面镜片的手机镜头设计
率处所有视场的ＭＴ 调制传递 函数） Ｆ（ 值大于 ０１ ， ． 具有较好的成像质量 ； ６ 。 ５ 在 ６时成像的畸变为－ ． ％， ０９ ３ 光斑的Ｒ Ｍｓ
（ 均方根值）直径为 ９ ｕ 新镜头由 ． ｍ。 ６ 前端 ２ 片非球面玻璃镜片、后端 １ 片塑胶非 球面镜片和 １ 片滤光片组成，结构 紧凑。玻璃非球面镜片可采用新型热模压成型技术制造 ， 镜头热稳定性强， 其成像分辨率达到 ２ ４ × ６ ８ １ ３ 像素 ， ０ ５ 有
为Ｋｏａ ｌＫ 一１０ ｄｋ ＡＣ３ ０ ，为 ３０万像素￣Ｃ Ｓ ￣ １ ＭＯ 传感器，像素尺寸为 ２７Ｉ ．． ｍ，对角线长 ６ ＂ 。镜头设计 的极 限分 ｔ ．Ｉ１ ９１ １ Ｄ
辨率为 １镜头。像高为 ３ ４ ｌ ，Ｆ ． １ ｉｎ 数为 ２ ，在奈奎斯特频 ４ ８／ｌ ． ８
ｅ ｅｔｅ ｏｕ ｌ ｇ ３Ｔ Ｔ ｅ ａ ｅ ｌ ｉｓｉｂ ｆ ｔ ｈ －ｖｌｅｐｏ ｅ ｆ ｃｖ ｆ ｓｅ ｔ５ ｉ ｈ ｍ ｒ ｅ ｓｕ ｌ ｏｈ ｉ ｌ ｅｃｌｈｎ． ｉ ｃ ｎ ｈ ．１ｍ． ｃ ａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｇ ｅ ｌ ｓ ａ ｈ
Ｋ ｅ ｒ ｓ ａ ｐ ｅ ｉｓ； ｇ ａ ｓ； ｃ ｍ ｅａ ｌｎ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｓ ｈ ｒｃ ｌｓ ａ ｒ ｓ ｓ； ｏ ｔｃ ｌｄ ｓｇ ｅ ｐ ｉａ ｅ ｉ ｎ； ｉ ａ ｅｒ ｓ ｕ ｉ ｎ ｍ ｇ ｅ ｏｌｔｏ
光学非球面的超精密加工技术及非接触检测
华南理工大学学报(自然科学版)第32卷第2期J our nal of Sout h China U niversity of TechnologyV ol.32 N o.22004年2月(Natural Science Edition )February 2004文章编号:1000565X (2004)02009405光学非球面的超精密加工技术及非接触检测谢 晋(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘 要:针对亚微米级及亚微米级以下的光学硬脆性非球面器件难加工问题,分析了光学非球面的形状精度和应用,讨论了其超精密加工原理和方法及非接触检测手段.结果表明,精密数控机床、硬脆性材料延性域加工原理和超精密检测是光学非球面超精密加工的技术保证.关键词:非球面;超精密加工;光学器件;非接触检测;单点金刚石切削;弧形金刚石砂轮中图分类号:T G 58 文献标识码:A 收稿日期:20031022 作者简介:谢晋(1963-),男,博士,副教授,主要从事磨削及精密加工的研究.E-mai :jinxie @ 长期以来,光学球面镜头存在色像差的问题,如图1(a )所示.要构成高性能的光学系统,往往采用多枚镜头.20世纪30年代,为了消除这种色像差,研究人员提出并发明了非球面镜头,如图1(b )所示.但是,几个世纪以来的传统切削、磨削和抛光方法无法加工非球面产品,而只有利用数控机床才能有效地实现非球面的加工.19世纪70年代至80年代,应用于投影仪、显微镜、照相机、CD 读写装置和激光加工机等领域的民用光学产品开始朝着高性能、大口径化和小型化等方向快速发展,工业上开始生产非球面光学部件.目前,一些主要的非球面光学器件及其应用领域如表1所示,从该表中可以看出,大部分光学非球面器件材料为难加工的硬脆性材料.在光学系统的应用中,光的反射和折射要求非球面的形状精度达到光波长的1/10左右[1],特别是,应用于航空和军事领域中的光学系统要求非球面具有较高的形状精度.因此,光学非球面超精密加工及超精度测试已经受到许多研究者的关注.例如,O P TI CA M 中心已经将CN C 技术应用到精密光学器件的生产中,自动进行有选择性的非球面粗加工、精细加工和最终抛光加工,从而大幅度地降低了生产成本.图1 球面和非球面透镜的光学性能Fig.1 Op tical perf or ma nce of sp heric a nd asp heric le ns表1 光学非球面器件的材料及应用Table 1 Op tic asp heric materials a nd its appplication 非球面类型材料应用领域普通镜头红外线镜头普通反射镜注射模具椭圆体反射镜光学玻璃单晶锗、单晶硅铝合金、铜、磷青铜陶瓷、镍合金石英玻璃、碳化硅显微镜、CD/DVD 、投影仪夜视镜、医用内视镜、激光加工激光加工机、大型显示器激光打印机X 射线系统国内也已经开始引进超精密加工机床来加工国防、航空等高科技领域所急需的高精度非球面零件.由于超精密磨削涉及的技术比较复杂,国内花巨资购买的砂轮系统还没有得到有效的使用[2].虽然中国航空精密机械研究所成功地研制了Na nosys-300球面曲面超精密复合加工系统[2],但是,加工精度、砂轮精密修整、非球面成形机理以及非球面的超精密检测等诸多关键技术的研究都没有详细的报道.实际上,目前我国光学非球面的加工技术和质量检测仍处在初级阶段.本文中主要介绍和分析最新研究和开发的光学非球面的超精密加工机理、方法和测试技术及其特点.1 光学非球面部件的制作工艺光学非球面的成型加工大体可分为模具成形法和切除加工法两种.模具成形法是在非球面模具上用可塑化材料注射或模压,形成有非球面的光学部件;而切除加工是利用切削、磨削和抛光将工件直接切除成非球面.模具成形法适应大批量生产,但很难保证非球面形状的高精度.注射和模压成形用的镀镍模具通常采用单点金刚石切削,但对于陶瓷等超硬模具,切削就变得非常困难.因此,采用磨削加工法,可大大缩短加工工期.非球面光学镜头按制作工艺可分为玻璃镜头、塑化镜头、微型镜头和复合镜头[3].其中,玻璃镜头主要在耐热非球面模具中将玻璃材料加温到软化温度400～700℃再模压成形.塑化镜头是利用镀镍硬质钢模具将非球面注射成形.微型非球面镜头是在超精密机床上将树脂材料直接加工成形后再抛光,或者在球面模具中注射树脂再加热硬化.复合非球面镜头是在非球面模具与球面镜头之间注入紫外线树脂,然后用紫外线照射使其硬化成形.2 非球面的切除加工方法及特点无论是注射成形/模压成形所需的模具还是高精度光学非球面部件,都必须采用切削、磨削和抛光直接进行切除加工.切削加工主要采用单晶金刚石刀具,磨削加工主要采用金刚石砂轮,而抛光主要采用游离磨料.每一种方法都是在工件表面沿着非球面的三维坐标轨迹对工件逐渐进行切除加工.一般是先在数控机床上将非球面形状加工成型,然后在保持形状精度不变的情况下将其抛光,减小其表面粗糙度[4].但是,这种游离磨料抛光方式会消耗大量的加工时间,无法进行规模生产.美国Precitech I nc.公司生产的超精密多轴自由曲面加工机床不需抛光就可以使光学非轴对称非球面零件的加工精度达到亚微米级乃至纳米级的范围[5].近来,全部省去游离磨料抛光方式进行直接切削或磨削来达到最终的形状精度和表面粗糙度,即利用延性域加工原理进行镜面切削和镜面磨削的研究已经取得了许多新的进展.2.1 非球面超精密加工机床的构造最新的研究结果表明,为了实现硬脆性材料的精密切除加工就要求材料的切除深度始终保持在临界延性域(ductile-mode)切深以下的范围,一般要求亚微米级以及亚微米级以下.这也就是要求加工机床能够控制工件进给量在微米级甚至亚微米级以下.采用空气静压和油静压轴承配制高精度(直线度,表面粗糙度)摩擦系数小的V-V滚动滑道和高精度(圆柱度,圆心度)传动杆可以使导向机构到达10～20nm以内的波动[3].图2中所示的为空气差压圆柱立轴的工作结构图.空气静压轴承可以使低速运动时无震动.利用d1,d2,p能够进行克单位的力调节,可以达到与水平结构一样的纳米级的微小波动.工件回转轴最合适采用空气静压形式,安装内置电机可以消除传递转动带的振动,可以达到轴方向和径向方向小至10nm的偏心振幅.图2 空气静压轴的工作原理Fig.2 Wor king p rinciple of air-p ressure axis2.2 单点金刚石切削单点金刚石切削是在精密数控机床上同时控制x和y两轴的运动,将旋转工件切除成非球面体,如图3(a)所示.通常应用于加工激光反射的非球面铜镜面和塑化玻璃非球面金属模具.最近的研究表明,弧形单晶金刚石刀具的圆弧包络线切削法可以应用到硬脆性材料的非球面超精密切削中[6],但是,必须要求金刚石刀具进给量非常小(小于1～2μm/r),这就会花费非常长的切削时间,导致单晶金刚石刀具的急剧磨耗.然而,平面形单晶金刚石刀具的直线包络线切削法在加工非球面59第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测单晶硅镜头时可以较大幅度地加大金刚石刀具进给量(20μm/r ),提高加工效率,其非球面的表面粗造度达到16nm ,形状精度(PV 值)可达到1.36μm [7].2.3 弧形金刚石砂轮磨削加工在磨削加工方面,无论对于硬脆性材料还是金属材料,采用弧形金刚石砂轮在一定的行走轨迹和修整条件下都可以在数控机床上实现非球面的成形加工.最新研发的几种弧形金刚石砂轮成型磨削方法可以大致分为交叉磨削法、平行磨削法、倾斜磨削法、球面砂轮磨削法和斜轴圆柱砂轮磨削法[8～10],分别如图3(b ),(c ),(d ),(e )和(f )所示.图3 光学非球面成形加工方法Fig.3 Form machining methods of optical asp heric surface交叉磨削法的加工表面粗造度较差,为此,将砂轮轴旋转90°使砂轮周速与工件速度方向平行进行磨削,即采用平行磨削法.实验结果表明,平行磨削法比交叉磨削法能获得更好的表面加工质量[9].倾斜磨削法是将砂轮轴倾斜一定角度适用于加工更深的凹形非球面.球面砂轮磨削法是利用砂轮球面按照非球面的运动轨迹与工件点接触进行磨削加工,它能使球面的砂轮均衡摩耗,形状精度可达到0.089μm [10],但球面砂轮成形修整比较困难.斜轴圆柱砂轮磨削法[9]是采用小直径砂轮加工很深的凹面,主要用于光通讯,医疗器件等3m m 以下的小口径非球面的加工.3 光学非球面的形状精度光学非球面器件的形状精度要求在几到几十厘米的范围内达到1μm 以下[11].图4表示了一些应用于不同领域的非球面光学器件的尺寸大小及其必要的加工精度.可以看到非球面光学部件正在向小型高精度化和大型高精度化方面发展.但是,现有的加工工具,加工工艺及加工设备常常无法保证更小或更大尺寸的产品达到高精度.这主要是因为以下原因造成了设计形状与加工形状的差异.(1)机床的运动误差和切削刀具/金刚石砂轮的磨耗;(2)非球面中心和外围的不同加工条件;(3)切削刀具/磨削砂轮的形状测试误差;(4)加工形状的测试误差;(5)三维坐标系与加工点的漂移;(6)加工力引起的变形和加工热产生的热变形.图4 光学非球面的尺寸与形状精度Fig.4 Op tic asp heric size a nd its f or m accuracy为消除这些因素的影响,使其与设计值的形状误差缩小到1μm 以下,往往利用被加工的非球面形状的检测信息进行多次的误差修正.非球面加工中可能需要几十次的测试和修正才能达到目标精度,也就是说,没有高精度的测试手段也就无法加工出高精度的光学非球面器件.但是,传统的三维测试仪的测试精度只能达到5μm ,而且大多只能检测球面和平面[13].因此,最近非接触三维形状测试手段已经可以在行走精度为0.1μm 的水平面上检测垂直方向精度为0.05μm 以下的非球面的形状精度[11,12].69华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷4 非球面的非接触测试仪通常,非球面的加工形状测试主要采用接触式测定方式.它的动态测试范围较大,但容易损伤工件表面,特别不易检测断口,且超硬材料易损伤探头.因此,非接触三维形状测试的研究开始得到了广泛的重视.但是,非接触测试无法检测到陡峭的斜面,且非球面材料的颜色和反射率也会产生散乱导致数据误差.针对这些问题,最近研制的光干涉形状测试仪,激光形状测试仪和原子力探针测试仪能够在纳米级范围内检测非球面的三维形状.4.1 非接触光干涉三维形状测试仪非接触光干涉三维形状测试构造如图5(a )所示.其原理是采用白色光源在半反射镜上分叉到测试表面和参照镜,再反射回来结合于半反射镜,当光路差相等时发生干涉[12].白色光的干涉性较小,能够在很小的范围内产生干涉条纹,因此,通过采集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直光轴方向,使之能够调节到干涉条纹的零位置.利用这种原理,垂直移动参照镜观察测试面上的CCD 各点的干涉条纹,确定其等光路位置,然后在水平方向的测试面上进行一定速度的扫描,最终检测出非球面的高度数据.若在白色干涉计中处理干涉强度并进行频域解析,不仅能够检测粗糙面及断口面,而且还能够检测超精密加工的工件表面.白色干涉计测试仪的横向行走精度一般为0.6μm ,垂直移动精度可达10nm.图5 非球面的非接触检测方法Fig.5 N on-contact measure me nt met hod of asp heric surf ace4.2 非接触激光三维形状测试仪非接触激光测试构造如图5(b )所示.激光通过显微镜镜筒,从物镜的一端开始向光轴中心聚焦,再由工件反射后经物镜返回,在聚焦A F 感应器聚焦成像.然后,通过移动物镜使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置.此时,将聚焦点的xyz 坐标以线性形式输入到计算机,获取非球面表面的三维形状数据.测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度.此外,在非接触激光显微镜上安装微分干涉光学系统,利用可视光能够检测出数纳米级的凸凹程度,并且可以在1nm 的范围内定量地评价表面粗糙度.非接触激光三维形状测试仪N H-3S P 的水平面的测试精度为1+5L /120μm (L 为测量长度);垂直方向的测量精度在10m m 以内为1μm [13].4.3 原子力探针测试仪原子力探针测试构造图如图5(c )所示.这种方法是根据原子间排斥力通常保持一致的原理,利用探针与物体的原子间排斥力的作用接近测试表面,从而确定非球面表面的三维形状[11].在测试装置上,将重0.2mg 的微型空气滑道用弹簧悬挂,用安置的反射镜对具有波长安定性的激光进行聚光,采集反射光的聚焦误差信号,驱动垂直方向的步进空气滑道,使误差信号接近于零,最终确定垂直方向的坐标.因为原子力探针测试的原子间排斥力仅有30mg ,所以对测试面几乎没有损伤,近似于非接触检测.最大的特点是测试精度不受材质、反射率和表面粗造程度的影响.但是,测量精度与测量范围和测量面角度有关[11].例如,水平测量范围的精度,100mm 以下为0.05μm ,100～200mm 之间为0.1μm ,200～400m m 之间为0.3μm ;测量面倾斜角度的精度,30°以下为0.01～0.05μm ,30°～45°之间大于等于0.1μm ,45°～60°之间大于等于0.3μm.5 结束语光学非球面加工正朝着高精度大型化和高精度小型化方向发展.精密数控机床、硬脆性材料延性域79第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测加工原理和非接触精度检测是光学非球面加工形状精度达到亚微米级及亚微米级以下的技术保证.此外,超精密加工和高精度检测在开拓高增值的复杂光学自由曲面以及特殊形状液晶光导板的模具加工方面将会发挥先导作用.参考文献:[1] Ta na ka K.Rece nt t re nd of asp heric p rocessing tech2nology[J].Scie nce of Machine,2002,54(3):11-20.[2] 罗松保,张建明.非球面的超精密加工与测量技术的研究[J].制造技术与机床,2003,494(9):58-61.[3] Toya ma T.Develop me nt of ult ra-p recision grinder f ormachining asp heric surf ace[J].Toyota MachineryRep ort,1992,32(3):8-18.[4] Suzuik H,Hara S,Matsunaga H.Study on asp hericalsurf ace p olishing using a small rotating t ool-develop2me nt of p olishing syste m[J].J our nal of t he J ap a n So2ciety f or Precision Engineering,1993,59(10):1713-1718.[5] 李荣彬,杜雪,张自辉,等.光学自由曲面的超精密加工技术及应用[A].2003年机械工程学会年会论文集[C],深圳:机械工程学会,2003.15-19[6] Suzuik H,Kitajima T,O kuya ma S.Study of p recisioncutting of axi-symmet ric asp herical surf ace-eff ect oft ool errors on wor kpiece f or m accuracies a nd its com2 pe nsation met hods[J].J our nal of t he J ap a n Societyf or Precision Engineering,1999,65(3):401-405.[7] Ya n J,Syoji K,Kuriyagawa T.Fabrication of large-di2a meter single-crystal silicon asp heric le ns by st raight-line e nveloping dia mond-t ruing met hod[J].J our nalof t he J ap a n society f or Precision Engineering,2002,68(4):1067-1071.[8] Zhou Z,Naga kawa T.New grinding met hods f or as2p heric mirrors wit h large curvature radii[J].A nnalsof t he CI R P,1992,31(1):335-338.[9] Kuriyagawa T,Sep asy M S,Syoji K.A new grindingmet hod f or asp heric cera mic mirrors[J].J our nal ofMaterials Processing Technology,1996,62(2):387-392.[10] Sae ki M,Kuriyagawa T,Syoji K.Machining of as2p herical molding dies utilizing p arallel grindingmet hod[J].J our nal of t he J ap a n Society f or Preci2sion Engineering,2002,68(4):1067-1071.[11] YoshizumI K.Ult ra high accurate3-D p rofilometerusing at omic f orce p robe[J].J our nal of t he Societyof Grinding Engineers,2001,45(12):562-565. [12] Matsushita H.N on-contact3D imaging surf ace st ruc2ture a nalyzer using interf eromet ry[J].J our nal of t heSociety of Grinding Engineers,2001,45(12):566-569.[13] Miura K.Three-dime nsional measuring equip me ntwit h a laser p robe[J].J our nal of t he Society ofGrinding Engineers,2001,45(12):558-561.Super-p recision Machining a nd Non-cont act Meas urement of t heAsp heric Surf ace of Optic PartsXie J i n(College of Mecha nical Engineering,Sout h China U niv.of Tech.,Gua ngzhou510640,Gua ngdong,China)Abst ract:Ai mi ng at t he diff icult y i n machi ni ng t he op tic p a rt wit h asp heric surf ace,w hich is of high ha r dness/brittle ness a nd is up t o t he accuracy of submicrometer or below submicrometer,t his p ap er a na2 lyzes t he f or m accuracy a nd t he application of t he asp heric surf ace,t he releva nt f a brication p ri nciple a nd p rocess,as well as t he non-contact measure me nt mea ns.The results i ndicate t hat t he sup er-p recision machi ni ng of asp heric surf ace tech nically dep e nds on p recision numerically-cont rolled machi ne t ools,t he ductile-mode machi ni n g p ri nciple of ha r d a nd brittle materials,a nd t he sup er-p recision measure me nt. Key words:asp heric surf ace;sup er-p recision machi ni ng;op tic p a rt;non-contact measure me nt;si ngle-p oi nt dia mond cutti ng;a rc dia mond gri ndi ng w heel89华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷。
分析报告-非球面光学镜头
非球面光学镜头项目建议书昆明禹诚投资管理咨询有限公司编制Kunming Yunnan China昆明钱局街186号兴云大厦606室邮编:650031 电话:(0871)5339860非球面光学镜头项目建议书昆明禹诚投资管理咨询有限公司编制昆明钱局街186号兴云大厦606室邮编:650031 电话:(0871)5339860Kunming Yunnan China目录第一章总论1.项目提出的必要性和依据2.主要经济技术指标第二章产品市场现状及初步预测第三章资源情况及原材料供应状况3.1 资源情况3.2 原材料供应状况第四章项目主要技术内容4.1 技术指标及技术来源4.2 技术负责单位和主要技术负责人简介第五章项目实施方案5.1 项目选址及拟建规模5.2 产品工艺方案5.3 项目承担单位和项目负责人简介第六章项目投资估算及资金筹措第七章项目社会经济效益分析7.1 项目经济效益分析7.2 项目社会效益及生态效益分析第八章项目实施进度第一章总论1. 1 项目提出的必要性和依据随着光学和电子技术的发展，光电技术不仅广泛地应用于国民经济、科学技术和日常生活的各个领域，而且光学零件也由大而分散的零件发展成为小的集成元件。
在这个发展过程中非球面光学零件起着很重要的作用。
所谓非球面光学零件简单地说就是光学零件的面形是一个高次曲面，其数学方程是一个高次方程。
非球面光学零件不仅可以校正球差、慧差、畸变、像散等像差，使光学系统的像质提高，从而增大观察或瞄准的视场和作用距离，而且使用少量的非球面光学零件就能显著地减少整个系统的零件数量，缩小系统的尺寸，从而节省大量的材料和劳动工作量，在降低成本的同时还减少光能损失，提高成像的清晰度。
非球面技术是近几年少数几个发达国家首先发展起来的高科技应用技术。
自从有光学仪器以来，其光学系统的透镜都是采用玻璃球面透镜，据不完全统计，目前仅在中国的光学仪器制造行业中，透镜每年的生产量有2亿件左右。
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非 球 面 光 学 镜 头项 目 建 议 书昆明禹诚投资管理咨询有限公司编制Kunming Yunnan China昆明钱局街186号兴云大厦606室 邮编:650031 电话:(0871)5339860非球面光学镜头项 目 建 议 书昆明禹诚投资管理咨询有限公司编制昆明钱局街186号兴云大厦606室 邮编:650031 电话:(0871)5339860Kunming Yunnan China目 录第1章 总论1. 项目提出的必要性和依据2. 主要经济技术指标第2章 产品市场现状及初步预测第3章 资源情况及原材料供应状况3.1 资源情况3.2 原材料供应状况第4章 项目主要技术内容4.1 技术指标及技术来源4.2 技术负责单位和主要技术负责人简介第5章 项目实施方案5.1 项目选址及拟建规模5.2 产品工艺方案5.3 项目承担单位和项目负责人简介第6章 项目投资估算及资金筹措第7章 项目社会经济效益分析7.1 项目经济效益分析7.2 项目社会效益及生态效益分析第8章 项目实施进度第1章 总 论1. 1 项目提出的必要性和依据随着光学和电子技术的发展，光电技术不仅广泛地应用于国民经济、科学技术和日常生活的各个领域，而且光学零件也由大而分散的零件发展成为小的集成元件。
在这个发展过程中非球面光学零件起着很重要的作用。
所谓非球面光学零件简单地说就是光学零件的面形是一个高次曲面，其数学方程是一个高次方程。
非球面光学零件不仅可以校正球差、慧差、畸变、像散等像差，使光学系统的像质提高，从而增大观察或瞄准的视场和作用距离，而且使用少量的非球面光学零件就能显著地减少整个系统的零件数量，缩小系统的尺寸，从而节省大量的材料和劳动工作量，在降低成本的同时还减少光能损失，提高成像的清晰度。
非球面技术是近几年少数几个发达国家首先发展起来的高科技应用技术。
自从有光学仪器以来，其光学系统的透镜都是采用玻璃球面透镜，据不完全统计，目前仅在中国的光学仪器制造行业中，透镜每年的生产量有2亿件左右。
早在17世纪，科学家就认识到在光学系统中采用非球面光学零件的优点，但长期以来一直未能推广应用，这主要是非球面光学零件的制造和检测要比球面光学零件困难得多。
过去，非球面光学零件主要靠技术熟练的工人用手工进行修抛，生产率很低，成本很高，重复精度不能保证。
随着科学技术的发展，特别是精密加工和计算机技术的发展，在70年代在非球面光学零件的加工方法上有了突破。
加工效率、精度和成本等方面取得了许多令人满意的研究成果。
目前国外非球面光学零件的制造技术主要有计算机数控精磨抛光技术，计算机数控单点金刚石车削技术，光学玻璃透镜精密模压成型技术，光学塑料注射成型技术等。
目前国外的各种非球面加工工艺已经处于比较成熟的阶段。
从大到几米直径小到几毫米直径、从单件到大批量、从高精度到一般精度都能加工。
可以根据产品的规格和批量的要求选用不同的非球面加工工艺，经济合理地加工出非球面光学零件。
在近代，光机电结合是推动社会发展的一门新兴技术。
光学系统从单一性能、大体积、高成本及复杂的加工工艺向高性能、小体积、低成本及大批量规模化转化。
在这个转化中很重要的一个技术就是采用非球面光学系统替代传统的球面光学系统，在这方面比较有代表性的有计算机光盘读出头、VCD、DVD等光电产品中的光学系统，还有照相机、摄影机的光学系统。
由于采用了非球面透镜，才使得这些光电仪器实现了小型化、低成本，才能进入千家万户。
九十年代初非球面技术在发达国家得到了飞速的发展。
我国的非球面加工技术基本处于空白，这使我国在光机电产品的档次、性能、体积、重量、成本等方面都无法与国外产品竞争。
因此，非球面光学零件的制造产业化是关系到提高我国光机电产品的档次、质量，是关系到缩小与发达国家在光电高新技术应用方面的差距的大事。
目前我国已经在大量上光机电的产品，如大屏幕投影电视机、VCD 和DVD播放机、各类照相机等。
国家经贸委等有关部门要求云南光学仪器厂尽快制造出非球面的光学透镜，建立起我国自己的非球面产业。
第2章 产品市场现状和初步预测非球面光学零件在民用光电仪器中应用十分广泛，其中的投影镜头及各种照相机镜头、DVD光学头的市场需求将越来越大。
下面仅对大屏幕投影电视非球面投影镜头、DVD光学头、照相机镜头的市场需求进行简要分析：2．1 大屏幕投影电视非球面投影镜头随着市场需求的不断发展，人民生活水平的不断提高，以及工业技术的不断进步，大屏幕、高亮度、高清晰度的彩色电视机需求量越来越大，己经成为当前电视机产业发展的主流。
传统的显象管式直视电视机受体积和质量的限制，而且制造技术难度大，生产成本高，难以将屏幕大型化，为此，一些先进国家都在寻求新的技术路线，竞相开发投影电视。
大屏幕投影电视属于“九五”期间国家重点科技攻关项目，也是九七年国务院批准的当前国家重点鼓励发展的产业、产品。
目前电子工业部开发的投影电视机采用了我国自行生产的宝石屏摄像管，可大大提高显像屏的耐压能力和成像质量。
电子工业部对这一新技术产品规划在2000年力求达到100万台的生产能力，规划在咸阳和北京各建年产50万台能力的生产线。
大屏幕投影电视机主要是由显视器件、非球面光学镜头和其它辅助元件组合而成，其中非球面光学镜头是关键部件之一，它要求为广视角、大口径、短焦距的玻璃塑料混合式非球面结构，以达到减少镜片数量，缩小体积，减轻重量和提高成像质量。
从预测可以看出，大屏幕投影电视非球面镜头在本世纪末全国最低需求量是100万套。
因此，与大屏幕投影电视相配套的非球面光学镜头产业化生产具有良好的社会效益，以及广阔的市场前景。
云南光学仪器厂是非球面光学镜头的重点配套厂家，并且在科研阶段工厂就参与样机开发，并提供了合格的样品。
2．2 DVD光学物镜一九九七年世界DVD市场启动，据日本电子工业会（EIAJ）统计，一九九七年全世界DVD Video player销量达79.6万台，可以说世界DVD市场“开门大吉”已成定局，一九九八年世界DVD又是突飞猛进的一年，索尼公司曾预测2002年DVD�Video player全世界销量1153万台，世界DVD市场己进入快速增长期。
一九九六年初曾经存在的阻碍DVD市场启动的世界市场影响、整机价格、软件供应，区域划分问题这“四大因素”至今都已得到根本改善，DVD开始受到消费者青睐。
城市居住条件的改善，促进了对大屏幕彩电的需求，同时也促进了影碟机的升级换代，以接近录像机的价格，购买清晰度高得多的DVD，这对城市年青的消费者特别有吸引力。
我国家电市场的特点是消费层次起点低、跨度大，DVD播放机的发展丰富了我国影碟机市场，目前VCD碟片市场品种丰富、价廉物美，特别适应中、低档消费群体，这决定了VCD产品还会有较长的生命周期，因此，VCD与DVD还将有若干年的共存期。
在今后4至5年内DVD逐步进入城市，VCD向农村市场过渡。
目前，制约国内DVD市场发展的主要因素仍是节目盘片的供应问题，据悉，国家己批准引进八条DVD光碟生产线。
其中一条母盘生产线，并将于一九九九年上半年投产，下半年供应市场。
这将有力推动DVD播放机整机市场的启动，预计一九九九年DVD Video player 市场销量100万台至150万台，2000年市场销量300万台至350万台，届时我国的DVD播放机市场进入快速增长期。
同时，与DVD共存的VCD播放机预计一九九九年市场销量为1350万台，二000年市场销量为1200万台。
因此，作为VCD和DVD关键部件的光学头国内需求量预计一九九九年共计将达到1500万只,2000年需求量共计将达到1550万只。
不仅如此，惠州一家组装计算机CD�ROM光学头的公司，要求云南光学仪器厂与其配套生产的月产量就达200万只。
即便每只光学头只有一件非球面光学物镜，按以上论述的数据可以推算出到2000年，仅国内DVD（含VCD）组装厂家每年对非球面光学物镜的需求量至少在1550万件以上。
如果加上其它光学头上的用量，则国内每年对非球面光学物镜的需求量将达到几千万件。
因此，CD、VCD、DVD光学头非球面物镜在国内市场的需求量很大。
为实现DVD产业化生产，国家已成立了DVD产业化推进委员会，云南光学仪器厂是该委员会中唯一的光学厂家。
3．3 照相机变焦镜头随着人们经济生活的改善，带变焦镜头的照相机的市场需求量与日俱增。
目前，国内年产各种照相机300万架，大部分厂家只能生产定焦照相机，变焦照相机年产量则只有几十万架，而此种照相机的需求量则在200万架以上。
另外，照相机变焦镜头也随着照相机的发展，其需求量也在不断增大，现在市场需求量最大的是f28～80mm的变焦镜头。
因此，若国内照相机光学系统采用非球面零件，则每年仅此项对非球面透镜的需求量将达到数百万件。
除上述以外，非球面光学零件还大量应用于其它民用光学仪器中，如已在天文望远镜、摄影镜头、照相机取景器、电影放映镜头、眼科及其它医疗仪器、CCD摄像镜头、复印机光学系统等领域中得到广泛的应用。
非球面光学零件已经逐步取代传统的球面光学零件，其市场需求量将十分巨大。
第3章 资源情况及原材料供应状况3．1 资源情况3．1．1 人力资源情况作为该项目技术负责单位的云南光学仪器厂，现有职工6732人，其中工程技术人员和技术管理人员1433（研究员高工9人，高级工程师148人，中级职称658人），各种生产设备设施4100台，固定资产2.8亿元，是国内光学行业中规模最大、技术全面、水平较高的光机电综合性企业，尤其是在光学零部件的制造中，有着丰富的生产经验，有一批专门从事科研、生产技术管理人员。
具有生产军、民品用光学棱镜、透镜元件2500万件的能力。
3．1．2云南光学仪器厂生产非球面透镜的有利条件A、有一台用于直接加工玻璃和晶体材料的球面和非球面光学透镜的单点金刚石车床（微表面发生器）车削后的面形精度可达0.01～0.0025um，也可加工用于各种镜头的球面和非球面塑料透镜的高精度注塑和模压模具，还可以直接用于光学对样板的加工，这是制造非球面光学体的关键，加快各种光学仪器新产品样机的开发研制速度。
通过该设备就能将一些高新技术转换成生产力，该机床不仅可以加工较软的铝、铜、塑料，还能加工较硬的晶体、光学玻璃和黑色金属。
机床程序分辨率为10纳米(0.01μｍ)，反馈分辨率为2.5纳米(0.0025μｍ)；现已完成投影镜头非球面透镜的车削。
它是目前国内唯一的最先进的用于生产光学零部件和光学专用模具的设备。
B、工厂对非球面光学系统的设计研究已有多年，有先进的计算机设计软件和较丰富的经验，并已进行了多个产品非球面光学系统的设计，基本掌握了非球面光学系统设计的要求和方法,在模具制造方面,工厂先后引进了模具加工中心、线切割机、电火花成型机、高精度数控机床和三坐标测量机等国际先进设备，和美国先进的UG CAD/CAM软件，具有较强的精密模具设计与制造的能力。