非球面加工工艺 001
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
非球面光学知识课件
随着手机摄像头的像素越来越高，非球面光学元件在照相手机镜头中的应用也越来 越广泛。
医用内窥镜镜头
医用内窥镜镜头是另一个非球面光学元 件的重要应用领域。内窥镜在医疗诊断 和治疗中发挥着重要作用，而镜头的成 像质量直接关系到诊断的准确性和治疗
02
非球面光学元件的设计和制造需 要高精度的加工和测量技术，以 确保其光学性能的稳定性和准确 性。
非球面光学发展历程
非球面光学的发展始于20世纪初， 随着光学技术和计算机技术的不断发 展，非球面光学元件的应用范围不断 扩大，技术水平也不断提高。
目前，非球面光学元件已经广泛应用 于照相机、摄像机、显微镜、望远镜 等光学仪器中，同时也应用于光通信 、光信息处理等领域。
设计要点
考虑透镜的光学性能、机械强度 、加工难度和成本等因素，确保 设计的非球面透镜满足实际应用 需求。
非球面反射镜设计
设计流程
与非球面透镜设计类似，但还需要考 虑反射面的形状和涂层工艺等因素。
设计要点
优化反射面的曲率半径和形状，提高 反射光的利用率和光斑质量；同时考 虑反射镜的机械稳定性和环境适应性 。
03
非球面光学元件制造工 艺
加工设备介绍
数控加工中心
用于加工非球面光学元件的精密 设备，具有高精度、高效率的特
点。
超精密切削机床
用于加工超光滑的非球面光学元件 ，具有极高的切削精度和表面光洁 度。
抛光机
用于对非球面光学元件进行抛光处 理，以获得更光滑、更准确的表面 。
加工工艺流程
01
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04
感谢您的观看
粗加工
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。
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。
数控加工光学非球面技术研究
数控加工光学非球面技术的研究The Aspheric optics processing technologystudies CNC摘要自从非球面加工技术出现以来，至今几百年来采用的加工方法已有50多种，传统的加工方法虽然能达到较高的精度，但这种加工方法加工效率低、重复精度差。
在最近几年出现的数控加工光学非球面技术大大解决了传统加工方法存在的缺陷。
它提高了加工精度和加工质量、缩短了产品研制周期等。
在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。
由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控加工技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。
本文将简单的介绍一些非球面和数控机床的理论知识，传统加工非球面技术。
最后重点介绍数控加工光学非球面技术。
关键词: 数控加工非球面抛光技术计算机控制ABSTRACTSince the emergence of non-spherical processing technology ,about 50 methods in the optical processing have been used. Although traditional processing methods can achieve high accuracy, this processing method has processing inefficiency and poor repeatability precision . In recent years the NC aspheric optics technology greatly solve the traditional processing methods flawed. It improves processing accuracy and processing quality, and shorten the product development cycle and so on. A large number of applications has been found in some areas such like the aviation industry, and the auto industry. Because of the strong demand, Home and Abroad are on the NC machining techniques for a wide range of research, and achieved fruitful results.This paper will briefly introduces some technology of the Non-spherical and NC machine tools and the traditional processing.And highlights NC aspheric optical processing technology in the last part.Keywords : CN Aspheric optics Polishing Technology CCOS目录第一章绪论 (1)1.1研究的目的和意义 (1)1.2国内外发展现状 (1)第二章非球面的理论基础 (3)2.1非球面的优缺点 (3)2.2非球面的数学表达式 (3)2.3非球面的加工方法 (4)2.4传统加工非球面技术 (5)2.5光学非球面的检验 (7)第三章数控机床的介绍 (10)3.1数控机床的发展概况 (10)3.2数控机床的结构和特点 (10)第四章非球面的数控加工技术 (14)4.1常见的计算机控制抛光技术 (14)4.2计算机数控研磨和抛光技术 (15)4.3数控抛光技术中工艺参数选择 (19)4.4数控加工技术的检验 (20)4.5阴影法检验非球面 (22)4.6数控加工非球面实例 (23)结论 (25)参考文献 (26)致谢 (27)第一章绪论1.1研究的目的和意义自从1638年法国学者笛卡儿第一个提出凸面是椭圆面，凹面是球面的无球差非球面透镜，各国公司都进行了大量的非球面透镜技术研究和开发，但加工精度不高。
非球面相关技术简介PPT课件
0.2
Glass
CR39 BK7 熱固 性
2.52
0.2
94
94
93-94
92,93
93
90-92
92
91
95
96
1.492
1.49
1.50-
1.51,
1.53
1.53
1.58
1.51
1.52
58
52-57
57,56
58
56
31
1
0.3-0.8
1
1.3
8
1.59
1.504 1.52
30
56
64
<1
<1-1
厚薄比
1
材料
PMMA, Zeonex, …..
模仁(core)加工
CNC鑽石刀車削
規格
平行錯位,傾斜,厚度…..
2021/6/7
=1 PC 平面研磨 傾斜,厚度…..
6
球 面 vs. 非 球 面
砞璸 C 0 .0 05 A6 410 10
K0 A8
A4 710 6
810 12
A10 310 15
Grating
Cylindrical Lens
Objective Lens Collimating Lens Diffraction Grating
Diode Laser
Detector
4
透鏡聚光成像
如何提高光線收斂能力?
提高透鏡折射率 增加透鏡厚度 提高透鏡表面曲率
2021/6/7 5
透 鏡 vs. 碟 片
2021/6/7 8
像 差 (Abberation)
2021/6/7 9
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 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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。
高精度小口径非球面加工工艺研究
更 高的分辨率和成像质量 。因此 ，无论在 军用和 民用方面都得 到了广泛的应 用。本文是 以 ６ ｍｍ的石英玻 璃透镜 为研 究对
象 ， 目的是 研发 一种 针 对 高精度 小 口径 非球 面 的加 工工 艺。本 文 以 Ｐ ｒ ｅ ｓ ｔ ｏ ｎ 理 论作 为基 础 ，将数 控光 学表 面成 型技 术 （ ＣＣ ＯＳ ）和传统加 工技术结合 ，对透镜 进行 数控磨 削、抛光 、和手 工修抛等工序 ，并对加 工过程 中的各种误差进行分析并
ｐａ ｐ ｅ ｒ ｉ ｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ａ ｎｄ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ＣＣＯＳ ａ ｎｄ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ．Ｔｈ ｅ ｌ ｅ ｎ ｓ ｗｏ ｕ ｌ ｄ ｂ ｅ ｍ ｃ ｉｎ ｈ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｍｅ ｈｏ ｔ ｄ ｓ ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ＣＮＣ ｇ ｒ ｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ， ｐ ｏ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｔ ｉ ｉ ｆ ｃ ｉ ａ ｌ ｐ ｏ ｌ ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｇ ．Ａｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅ ｓ ，ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ — ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ｅ ａ ｒ ｒ ｏ ｒ ｓ ｗｉ ｌ ｌ ｂ ｅ ｎａ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｒｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｃ ｉｅ ｈ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ．Ｆｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍｏ ｒ ｅ ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｓ Ｏ ． ２ ８ ｇ ｍ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｒｆ ｕ ａ ｃ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｓ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ｎ ｓ ｃ ｏ ｕ ｌ ｄ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｈｅ ｔ 耐 ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｎ ａ ｉ ｔ ｏ ｎ ｌ ａ ｓ ｔ ｎｄ ａ ｒｄ ａ ．Ａｓ ａ
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凹抛物面镜
大型天文望远镜，在可见光以外的波段 工作的物镜，探照灯反射镜等。 聚光镜，反射式物镜和望远镜的二次反射 镜等。 卡塞格林系统中的反射镜
凹椭球面镜
凹双曲线面镜
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二次非球面的光学性质
子午曲 线顶点 的曲率 半径R0
文字内容
基本几 何参数
偏率e
决定几何焦 点相对于表 面顶点的位 置
￡.反射面 ￡.折射面
夹具，可以保证非球面零件的正确定位和提高面形的加工精
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度
数控研磨抛光技术 （2）修改面形的抛光磨具
直接用来修改非球面面形的抛光磨具，外径一般和 被加工零件外径相同，工作表面曲率半径为被加工球面 的最接近球面曲率半径。 常见的表面形状：
（3）二次非球面的研磨抛光要点
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数控研磨抛光技术
抛光非球面
粗磨、 精磨 机
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数控研磨抛光技术
研磨抛光法关键点
关键：研磨的起始球面确定 无论采用何种研磨抛光法加工非球面，通常都是
先加工出一个起始球面，它是通过非球面最接近
比较球面来确定的一个研磨起始球面，然后修磨 此球面的各带成为一个非球面。
max
是非球面的最大非球面；实际加工工艺中还
光学零件的加工工艺 LOGO 知识概况
非球面零件的加 工工艺
数控研磨抛光法
易龙 guangdian09305@
非球面加工方法
非球面 的加工 方法按 其特点 可大致 分成三 类：
材料去除法是采用研磨、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、单点金刚石车削和磨削、计算 机控制铣磨成形和研磨抛光，根据抛光介质的不同又可分 为小工具、应力盘、离子束、等离子体辅助、磁流变和液 体喷射抛光等。 变形加工法是用不同的方法是材料产生应力变形而得到 所需非球面，主要包括应力变形、热沉降、热压成形和注 射成形等。 附加材料法是在光学元件的表面附加一层非均匀的材料， 使之形成所要求的非球面，主要有真空沉积和复制成形法 等。
要考虑加工余量。
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数控研磨抛光技术
非球面研磨抛光法工艺流程 依零件图 选择原材料 切断（计算 切割余量） 滚圆、滚 边（倒角） 起始球 面粗磨
外观检验 包装（入库 或下道工序）
检验面形 精度、鉴别率、 面形误差
非球面精 磨和抛光
自动定中心 磨边
清洗
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数控研磨抛光技术 非球面研磨加工工艺
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数控研磨抛光技术 粗磨修正成形 抛光修正成形 精磨修正成形 全径口抛光修正成形
研磨抛光 修正方式
非球面表面和最接近比较球面在沿光轴方向
上的最大偏差值， max 。 研磨抛光法加工非球面除了考虑最大非球面外， 还要和具体的设备相关，一般专门非球面加工设 备有仿形成机床，采用这种设备加工非球面称为 仿形成形法。
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实际非球面的评价指标
表面轮廓度、光圈和局部光圈表示、Z 值的允许偏差 D=Di-D0常用于消像差系统中的非球面检 测
用来判断非球面的偏差
非球面系统像面上能分辨的最小线距离
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实际的非球面与理论曲面在x、y方向上 的误差；特殊曲面的检测
实际非球面的评价指标
利用刀口仪的阴影图可定性判断非球面 的面形精度 非球面成像后实际波面相对于理想波面 的最大偏差数（用波长表示） 限定长度内非球面面形与理论面形的偏 离程度（是最大波相差的补充）
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数控研磨抛光技术
二次非球面的光学性质 非球面的评价指标（技术要求） 研磨抛光非球面方式和设备 非球面研磨抛光工艺
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二次非球面的光学性质
1.反射面 二次非球面的反射面是由平面曲线围绕连接其几何焦点 的轴线旋转而成的。 假设点光源在几何焦点之一F1处，则被非球面反射的所 有光线都严格交于第二个几何焦点F2，且F1和F2是一对无像差 点（即：光线以任何角度入社时在该反射面上都不产生像差）
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数控研磨抛光技术 非球面的抛光
（1）抛光磨具 整盘抛光磨具；局部抛光磨具
￡.整盘抛光磨具
(a)常用抛光模具 (b)带充气腔抛光模具 (c)带套箍抛光模具
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数控研磨抛光技术
￡.局部抛光磨具
气压抛光零件夹具
局部抛光模具
1—抛光柏油；2—泡沫塑料或毛毡；3—模具座。 气囊抛光磨具加工零件通常边缘较差，采用气压抛光零件
精磨非球面时，一般先修磨非球面度最大、带宽最宽的
部位，此时尽可能地减少磨和球面接近的部位——可以保持 曲面平滑
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数控研磨抛光技术
精磨检验
精磨非球面时通常多采用金属样板、千分表球径 计、线条板法等进行检验。其具体方法的选择，通常 依据非球面面形的精度要求和非球面度的大小而定。
￡.面形精度低、非球面度大的（如低精度和最大非球面度 在零点几毫米以上的）：除采用金属样板粗步检验外，还 需要用千分表球径计或线条样板进行检验 ￡.非球面度较小的零件，静磨后仍为球面：用球面光学样 板或球径仪检验
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中心误差、中心厚度、表面疵病允差和 表面粗糙度（和球面零件给定一样）
非球面加工方法
根据非球 面光学零 件的精度 要求，非 球面可大 致为高精 度、中等 精度和低 精度三类
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数控研磨抛光技术 研磨抛光非球面方式和设备
非球面研磨抛光方法是非球面加工最基本的方法
（传统的方法）：把零件研磨成最接近球面的形 状用机器或手工继续局部研磨或抛光，边加工 边测量修磨出非球面面形 这种方法适用于大口径、非球面较小的非球面 这种研磨抛光修正法加工精度高，加工效率低， 精度重复性差，只适用于单件或小批生产
非球面的毛坯一般定制成球面透镜形状，通常情况： 起始球面粗磨开始 →修改起始球面，改成非球面
￡起始球面的粗磨
起始球面曲率半径，毛坯准备、粗磨工艺、测量 方法同球面加工，粗磨完后留有适当的精磨余量
￡非球面的精磨
精磨是修改非球面的主要工序（采用手工和机器 修磨）精磨方法、精磨磨具、精磨检验
￡非球面抛光
抛光磨具、二次非球面的研磨抛光要点
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数控研磨抛光技术
精磨磨具
单块静磨磨 具
静磨磨具修改 面形的原理，是基 于磨具工作表面相 对于非球面不同带 区有不同接触面积， 产生不均匀磨损。
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精磨磨具的选 择要依据加工 非球面的类型、 面度大小和精 度而定。
整盘静磨 磨具
数控研磨抛光技术
精磨注意事项
精磨前调整零件轴线与机床主轴轴线重合，对于面形精 度越高的零件来说，同轴度要求越高