大口径非球面光学零件抛光技术概述-天津大学研究生e-Learning平台.docx
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先进制造技术课程大作业 2012年11月
大口径非球面光学零件抛光技术概述
赵 东
天津大学机械工程学院机械工程专业2012级直博生
摘要：
本文重点从非球面零件概述，抛光原理，抛光方法，抛光参数，检测技术和控制技术等方面，介绍了大口径非球面光学零件的发展现状和关键技术，总结了大口径非球面抛光领域的研究热点，并对未来非球面抛光技术的研究方向进行展望。
关键词：
大口径非球面抛光
0前言
非球面光学零件具有校正像差、改善像质、扩大视场和增大作用距离的优点，同时还能够减轻系统重量、减小占用空间。
近年来，随着光电子学的飞速发展，非球面光学零件在军用和民用领域都得到了广泛应用，如军用激光装置，热成像装置，民用天文望远镜，摄像机的变焦镜头等。
西方国家自20世纪五六十年代开始就非球面加工和应用的相关技术展开研究，目前已经取得了显著成果。
最具代表性的工作是美国于1990年发射的哈勃太空望远镜，其主镜采用了非球面镜片，升入太空后，发现镜片产生了2μm误差，使观测距离由140亿光年缩短到40亿光年。
1994年，
Tinsley公司与Itek,EastmanKodak公司合作，完成哈勃太空望远镜非球面主镜的空间校正修复工作，使得其观测距离达到120亿光年。
除此之外，美国的NIF（国家点火工程）和法国的LML（惯性约
束聚变激光兆焦耳计划）中也用到了大量的非球面透镜。
英国，俄罗斯等国在此领域也有深入研究，均独立开发了用于非球面研抛的五轴联动加工设备。
我国的非球面加工技术起步较晚，关键加工技术和工艺均大幅落后于西方先进国家。
目前国内开展相关研究的科研院所有，哈工大，国防科技大学，浙江大学，中科院长春光机所，南京紫金山天文台等。
1非球面零件概述
非球面光学元件，是指面型由多项式高次方程决定，面型上各点处的曲率半径各不相同的光学元件。
目前，已经使用或可适用的非球面光学元件主
要可分为两类，一类是回转对称非球面，可细分为二次非球面，如抛物面，椭球面，双曲面等，和高次非球面。
另一类是非回转对称非球面，可以分为规则非回转对称曲面，如离轴非球面，环曲面，
Zernike曲面和双二次曲面等，和自由曲面。
常用的非球面零件有椭圆，抛物线，双曲线和任意高次曲线绕光轴旋转所成的旋转对称曲面。
有时候也采用非旋转对称曲面，如抛物面等。
二次非球面表达式为：
=
cy2
x
1+1-kc2y2
其中：
c是顶点曲率，k=-e2，e是偏心率。
根
据偏心率的不同，二次非球面可以细分为扁球面，椭球面，抛物面和双曲面。
轴对称的高次非球面表达式为：
1 2 3 n
y2=ax+ax2+ax3+...+axn
非球面的参考球面一般有两种，一个是顶点球面，另外一个称为最佳比较球面。
顶点球面是指经过非球面顶点，而且其曲率半径与非球面在顶点处的曲率半径相等。
最佳比较球面，是指经过非球面顶点与两个端点的球面。
实际加工时，一般采取先加工该非球面的参考球面，之后在此基础上根据非球面度的大小，研磨成型的方法。
非球面度的大小，一定程度反应了加工的难易程度。
同时还要考虑零件口径大小，确切的说，非球面度的变化值反映了加工的难易程度。
非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、彗差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，从而获得高质量的图象效果和高品质的光学特征。
一般来说，在光学仪器上，一块非球面透镜的作用相当于三块球面镜，因此，
2012年11月
赵东：
大口径非球面光学零件抛光技术概述
光学仪器设备采用非球面镜片具有重量轻、透光性能好、成本低、且使光学系统设计更具灵活性的优点。
2非球面零件抛光原理
根据Preston假设，在很大的数值范围内，抛光可以表述为一个线性方程：
dz=KVPdt
其中：
K为比例系数，是由除抛光速度V和抛光压力P之外的所有影响因子决定。
V=V（x,y,t），
P=P（x,y,t）。
在此基础上，我们可以得到在t时间之内，材料去除量z的表达式：
t
Dz（x,y）=KòV（x,y,t）P（x,y,t）dt
0
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，令T为总的抛光时间，有：
¥+¥
T=òòD（x,y）dxdy
0-¥
定义函数R（x,y）是不做移动的抛光模在时间T
内的平均材料去除量，则有：
计算机控制光学表面成形技术是用一个比工件小得多的研抛盘（直径通常小于工件直径的四分之一），在计算机的控制下，以特定的路径、速度在光学零件表面运动，通过控制每一区域内的驻留时间、加工压力等参数，可以精确地控制零件材料的去除量，达到修正误差、提高精度的目的。
CCOS技术的突出优点在于加工过程中小工具能够有效地跟踪非球面表面各点曲率半径的变化，与非球面的面形良好吻合从而提高加工精度。
该方法的优点是具有各种可更换直径的磨头，投资低；缺点是磨头去除函数不能长时间稳定，存在亚表面损伤层，易产生小尺度制造误差，存在边缘效应。
2、应力盘抛光（SP）技术
应力盘抛光技术实质上是对CCOS技术的一种发展和补充。
应力盘采用主动变形技术，利用计算机控制应力盘的表面形状，使之在不同的坐标下能够与非球面相应位置的面形较好地吻合。
该方法的优点是有利于控制小尺度制造误差，对人工依赖较少；缺点是边缘区域误差不易控制，存在亚表面损伤层，投资高。
3、磁流变抛光（MRF）技术
磁流变抛光是最近发展起来的一种先进光学加工技术，它利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成具有粘塑态的柔性介质进行抛光加工，其形状精度、表面粗糙度和下表面破坏层均比传统抛
1T 光方法要好，是获得超精密光学表面的理想工艺。
T
R（x,y）= （òDz（x,y,t）dt）
0
其中，函数Dz（x,y,t）为不移动抛光模时的去除函数。
因此只要给出材料的去除量，去除函数和驻留
函数三个量中的任意两个，便可以求得另外一个。
它们之间满足关系：
DZ（x,y）=R（x,y）*D（x,y）
3非球面零件的加工方法
在上述建立的数学模型基础上，根据所采用的研抛工具的不同，常用的确定量研抛技术可分为计算机控制光学表面成型（Computer ControlledOptical Surfacing，CCOS）技术，应力盘抛光
（Stressed-lap Polishing，SP）技术，磁流变抛光
（MagnetorheologicalFinishing），MRF）技术和离子束成型（IonBeamfiguring，IBF）技术等。
1、计算机控制光学表面成型（CCOS）技术
该方法的优点是磨头工作函数稳定，无亚表面损伤层；缺点是对尺寸和曲率有一定的限制，不易控制小尺度制造误差，投资高。
4、离子束成型（IBF）技术
离子束抛光采用被充电的高能离子，在真空状态下由离子枪射向工件，材料在离子束的轰击下实现去除。
由于离子束抛光的精度可以达到原子量级，因此离子束抛光可以达到非常高的精度。
该方法的优点是不存在边缘效应，工具与光学零件之间无机械接触；缺点是在真空中加工，光学材料受限，对表面粗糙度改善贡献不大，投资高。
综合上述各种研抛工艺的方法和优缺点，可以制定大中型非球面光学零件的加工路线为：
首先对铣磨成型后的光学零件进行小工具研磨和抛光，然后利用磁流变或离子束加工方法去除亚表面损伤层和二次提升面形精度。
其中，计算机控制小工具研抛（即CCOS）阶段所需时间占总加工时间的比重最大，其对亚表面损伤层和全口径、全波段面形误差的控制程度将直接影响后续加工过程和光学零件的整体加工效率。
4非球面零件抛光参数研究
由于目前各国之间对研抛非球面光学零件的工艺参数互相保密，所以很少有该方向的外文文献可供参阅。
通过控制变量的研究方法，可以针对大口径非球面光学零件工艺参数开展工艺试验，以加工完成后的光学零件检测结果为依据，给定最优抛光工艺参数。
综合国内科研院所的研究成果，可知，工件材料去除效率随抛光盘转速的提高而增大，随抛光盘材料硬度的增加而增大，随抛光压强的增大而增大。
工件表面粗糙度与抛光盘的粗糙度和硬度紧密相关，而抛光速度和抛光压强对工件抛光的表面粗糙度变化不大。
工件的去处函数稳定性与抛光盘材质和选用的抛光液有密切关系，并随抛光时间的增加呈现函数稳定性下降的现象
5非球面检测技术
目前常用的非球面加工检测技术有如下几种：
1、面型轮廓法：
在控制软件中设置好被测件的参数和控制参数，零件在伺服电机带动下扫描整个非球面。
测量杆由弹簧控制，以适当力接触零件表面，然后从连接测量杆的电脑里读取测量点的三维坐标，从而获取零件表面信息。
该方法最大的不足是，接触式测量容易对零件表面造成损伤。
2、计算全息法：
激光经过显微物镜和针孔后，产生标准球面波，经过分束器后，入射到带有计算全息图的透镜上。
透镜反射面反射回来的标准球面波作为参考波前，透镜的一级衍射波垂直的投射到非球面零件表面上。
透镜反射的参考波前和非球面反射的波前经过分束器之后，由成像物镜成像到
CCD探测器上，在反射光汇聚出加光阑，去处其他次级杂光，得到非球面反射波前与参考球面波的偏差。
该方法的优点是无干涉样板，直接由干涉条纹得到测量结果（波前偏差），测量精度高，速度快，结构简单，成本低。
缺点是一个非球面应该对应一个全息样板，不具有通用性。
3、补偿法：
补偿器将入射的平面波前转化为同被测非球面理论形状一样的波前。
此波前沿法线方向入射非球面，反射回来的光线携带非球面的信息，和平面波前进行干涉，得到实际非球面的误差信息。
但是通用性不强，每一个非球面形状对应一个补偿器，适用于军工等大项目中。
传统的光学零件表面评价指标有波前峰谷值
（PV），均方根值（RMS）和表面粗糙度等。
然而，以上这些评价指标缺乏定量化的频谱表述功能，难以提供丰富的波前误差信息（特别是中频误差信息）用以评价光学零件表面误差是否达到要求。
为解决这一问题，人们提出了光学表面误差的波前功率谱密度（PowerSpectralDensity，PSD）评价方法。
波前
PSD是一种描述波前信息的新方法，其本质是
Fourie频谱分析，可以定量地给出光学零件波前误差的空间频率分布。
目前光学界还没有对低、中、高频误差的统一划分方法。
然而，现代光学系统对光学零件的质量评价有了新的要求，即要求对波前误差的频谱分布进行评价和控制。
以美国激光惯性约束聚变（InertialConfinement Fusion，ICF）工程的国家点火装置（NationalIgnitionFacility，NIF）为例，整个装置的光学系统使用7000多件大口径光学零件。
根据其对系统光学性能的影响，NIF中的光学零件面形误差被划分为三个空间波段：
波长大于33mm的低频面形主要决定了聚焦性能，由rms梯度控制；波长在0.12mm和33mm之间的中频波度影响焦斑的拖尾和近场调制，由功率谱密度（PSD）控制；波长小于0.12mm的高频粗糙度对丝状形成有重要影响，由rms粗糙度控制。
6非球面加工控制技术
抛光加工时，工件附近都是粘稠的抛光液和磨屑，环境恶劣，难以实现在线超精密检测反馈，因此，目前一般采用离线检测，生成G代码，计算机仿真验证之后输入数控系统进行加工的方法，难以实现全闭环控制。
在进行轨迹规划时，要特别注意：
1、工件相对抛光盘作平面平行运动，能使工件上各点具有相同或相近的抛光行程。
2、工件上任一点，尽量不出现运动轨迹的周期性重复。
3、抛光运动平稳，避免曲率过大的运动转角。
4、保证工件走遍整个抛光盘表面，使抛光盘得到均匀磨损，进而保证工件表面的平面度。
5、及时变换工件的运动方向，使抛光纹路复杂多变，有利于降低表面粗糙度并保证表面均匀一致，否则会在一定程度上将抛光盘的形状“复印”到工件抛光表面。
近年来，非球面加工控制技术中，研抛工具在加工过程中的最佳位姿控制，高效的研抛工具路径规划，研抛表面完整性获得机理与最优控制等方向逐渐成为研究热点。
7结论
由于非球面光学零件的诸多优点，从事非球面加工方法研究的国家也越来越多。
到目前为止，对非球面加工的相关研究主要着重于以下方面：
（1）非球面加工材料的开发以及非球面加工模具材料的研究；
（2）高精密非球面加工方法技术、加工机理的研究；
（3）非球面加工机械设备的研制开发；
（4）计算机数控加工非球面相关软件的开发；
（5）非球面加工检测技术以及设备的研究。
而非球面光学零件的生产也正朝着以下方向发展：
（1）向高精度，低表面粗糙度方向发展；
（2）向大批量，高效率方向发展；
（3）由简单的轴对称旋转二次非球面，向离轴非球面以及高次自由光学曲面发展；
（4）向大型化，巨型化光学零件方向发展；
（5）向小型化，微型化光学零件方向发展；
（6）向自动化柔性生产技术发展。
参 考 文 献
[1]雷源忠我国机械工程研究进展与展望[J].机械工程学报，
2009，45（5）：
1-11
[2]张坤领，林彬，王晓峰非球面加工现状[J].组合机床与自动化加工技术，2007，5:
1-5
[3]吴庆堂计算机控制小工具抛光技术.硕士毕业论文，吉林：
长春理工大学，2006
[4]王健大口径高精度光学元件数控抛光技术研究.硕士毕业论文，四川：
四川大学，2004
[5]周旭升大中型非球面计算机控制研抛工艺方法研究.博士毕业论文，湖南：
国防科学技术大学，2007
[6]翁俊淼非球面检测的若干基础理论研究.硕士毕业论文，
浙江：
浙江大学，2008
作者简介：
赵东，男，1990年出生，天津大学研究生
E-mail:
：
zhaodong19900111@
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