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。

工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。

三、产业链概述

1、在产业链中的位置

产业链是建立在产业内部分工和供需关系基础上的，以若干个企业为节点、产品为小节点纵横交织而成的网络状态系统。还可以说是从一种或几种资源通过若干产业层次不断向下游产业转移直至到达消费者的路径。

产业链分为两种类型：一种是垂直的供应链，另一种是横向的协作链。垂直关系是产业链的主要结构，一般把垂直分工划分为产业上、中、下游关系，横向协作关系则是产业的服务与配套。

非球面光学元件在整个光学领域的产业链中处于中游零部件加工和制造行业，其上游属于原材料提供与材料加工行业，包括光学玻璃、光学塑料、光学晶体、研磨抛光、工控机行业、机械设计制造、光学辅料、镀膜及加工设备等，易受上游原材料价格变动的影响；下游属于元器件整合应用、终端产品制造行业，将光学元件应用到显微镜、分析仪器、光学检测、光衍射/干涉、光谱相关、光学安全、光反射/折射、望远镜、照相机、摄像机、舞台灯光、眼视光学、其他光学用品等仪器设备或相关领域中。其中消费类产品受国际国内消费市场需求变化的影响，存在销售淡季和旺季，中游产业的生产和销售情况随之波动。

近年随着我国摄像手机、摄像机、DV、数码相机等消费产品的

大量普及，以及产品更新率的快速提高，以此为代表的下游产业带动中上游产业发展，推动整个市场对光学元器件的需求，特别是非球面光学元件的需求。

2、相关行业简述

光学加工工业相关行业包括加工技术、加工设备、加工材料等几个主要方面。

在光学元件原材料方面，国内目前光学塑料生产能力虽然有较大发展，但产品结构不合理，只能生产普通品级产品，缺乏高附加值产品。光学玻璃行业目前我国部分企业具有一定自主开发的能力，但光学玻璃行业部分核心技术和尖端技术方面仍处于劣势。

进入二十一世纪后，光电行业有较大发展和充实。光电事业有了很大发展，研制出不少具有世界先进水平的产品。产品虽然研制出来，但是投入批量生产却很难。其主要原因是产品设计和工艺设计脱钩，配合不当。在工艺上的研究还很浅，在光学加工方面还没有形成一个完整的工艺体系。光学加工设备的数量不均衡是一个原因，而更重要的是很多设备加工效率低，精度差，有30%以上的设备上仿苏设备和国产设备，国产设备原型机多为日本和韩国设备，其中一部分设备根本没有投入生产。而从现有的设备和检测仪器看，不能满足发展的需求。近年来，很多光学厂进行了改造，但在光学加工技术引进和技术改造方面的项目还不多，同时，国有企业在这方面的投入很不够，没有一定的投资强度，就不可能形成强有力的生产基础，达到预期的产出目的。