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分歧的光学元件。通常利用在光学系统中的透镜及反射镜，曲面型式无数为平面和球面，原因是这些单一型式的曲面加工、检验容易，但是用在某些高度精密成像系统有肯定的限度。固然非球面的复杂曲面造作难题，但是某些光学系统中依然是必要的。选取非球面技术设计的光学系统，可解除球差、慧差、像散、场曲，削减光能损失，从而获得高质量的图像成效和高品质的光学个性。

1、概述

1.非球面光学元件的作用

非球面光学元件是一种极度沉要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学元件能够获得球面光学零件无可比力的优良的成像质量，在光学系统中可能很好的改过多种像差，改善成像质量，提高系统甄别能力，它能以一个或几个非球面零件包办多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器沉量。

非球面光学元件在军用和民用光电产品上的利用也很宽泛，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、卫星红表望远镜、录像机镜头、录像和灌音光盘读出面、条形码读出面、光纤通讯的光纤接头、医疗仪器等中。

1.2　国表非球面元件的超精密加工技术的近况

80年代以来，出现了很多种新的非球面超精密加工技术，重要有：

推算机数控单点金刚石车削技术、推算机数控磨削技术、推算机数控离子束成形技术、推算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工步骤，根基上解决了各类非球面镜加工中所存在的问题。前四种步骤使用了数控技术，均拥有加工精度较高，效能高档特点，适于批量出产。

进行非球面元件加工时，要思考所加工零件的资料、状态、精度和口径等成分，对于铜、铝等软质资料，能够用单点金刚石切削(SPDT)的步骤进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前重要选取先超精密加工其模具，而后再用成形法出产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性资料，目前重要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等步骤进行加工的，另表.还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。

国表很多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研造出超精密复合加工系统，如Rank Pneumo公司出产的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研造的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都拥有复合加工职能，这样能够便非球面零件的加工越发矫捷。

1.3　我国非球面元件超精密加工技术的近况

我国从80年代初才起头超精密加工技术的钻研，比国表整整落后了20年。近年来，该项工作发展较好的单元有北京机床钻研所、中国航空精密机械钻研所、哈尔滨工业大学、中科院长春景机所利用光学沉点尝试室等。

为更好的发展对此项超精密加工技术的钻研，国防科工委于1995年在中国航空精密机械钻研所首先成立了国内第一个从事超精密加工技术钻研的沉点尝试室。

2、非球面元件超精亲昵削加工技术

美国Union Carbide公司于1972年研造成功了 R―θ方式的非球面创成加工机床。这是一台拥有地位反馈的双坐标数控车床，可实时扭转刀座导轨的转角θ和半径 R，实现非球面的镜面加工。加工直径达φ380mm，加工工件的状态精度为±0.63μm，表表粗糙度为Ra0.025μm。

摩尔公司于1980年首先开发出了用3个坐标节造的M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工直径356mm的各类非球面的金属反射镜。

英国 Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈节造的两轴联动加工机床(MSG―325)，该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加工工件状态精度达 0.25-0.5μm，表表粗糙度 Ra在0.01-0.025μm之间。随后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床，该公司又在上述机床的基础上，于1990年开发出Nanoform600，该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜，加工工件的状态精杜着于0.1μm，表表粗糙杜着于0.01μm。

代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯.利弗莫尔(LLNL)尝试室于1984年研造成功的 LODTM，它可加工直径达2100mm，沉达4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表表粗糙度Ra0.0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，重要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红表线装置用的零件和大型天体反射镜等。

英国 Cranfield大学精密工程钻研所(CUPE)研造的大型超精密金刚右镜面切削机床，能够加工大型 X射线天体望远镜用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm，最大长度为600mm的圆锥镜)。该钻研所还研造成功了能够加工用于 X射线望远镜内侧回转抛物面和表侧回转双曲面反射镜的金刚石切削机床。

日本开发的超精密加工机床重要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜，目前日本造作的加工机床有：东芝机械研造的 ULG―l00A(H)不二越公司的 ASP―L15、丰田工机的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球面加工机床等。

3、非球面元件超精密磨削加工技术

3.1　非球面元件超精磨削装置

英国 Rank Pneumo公司1988年开发了改进型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300机床，这些机床不仅可能进切削加工，并且也能够用金刚石砂轮进行磨削，能加工直径为300mm的非球面金属反射镜，加工工件的状态精度为0.3-0.16μm，表表粗糙度达Ra0.01μm。最近又推出 Nanoform250超精密加工系统，该系统是一个两轴超精密 CNC机床，在该机床上既能进行超精密车削又能进行超扬密磨削.还能进行超精密抛光。最凸起的特点是能够直接磨削出能达到光学系统要求的拥有光学表表质量和面型精度的硬脆资料光学零件。该机床选取了很多先进的 Nanoform600、Optoform50设计思想，机床最大加工工件直径达250mm，它通过一个升高装置使机床的最大加工工件直径达到450mm，另表通过节造垂直方向的液体静压导轨(Y轴)还能磨削非轴对称零件，机床数控系统的分辨率达 0.001μm，地位反馈元件选取了分辨率为8.6nm的光栅或分辨率为1.25nm的激光过问仪，加工工件的面型精度达0.25μm，表表粗糙杜着于 Ra0.01μm。

Nanocentre250、 Nanocentre600是一种三轴超精密 CNC非球面范成装置，它能够满足单点和延性磨削两个方面的使用要求，通过合理化机床结构设计、利用高刚度伺服驱动系统和液体静压轴承使机床拥有较高的关环刚度， x和 Z轴的分辨率为1.25nm，这个机床被以为是切合现代工艺规范的。 CUPE出产的 Nanocentre非球面光学零件加工机床，加工直径达600mm.面型精杜着于0.1μm，表表粗糙杜着于 Ra0.01μm。 CUPE还为美国柯达公司钻延注设计和出产了当现代界上最大的超精密大型 CNC光学零件磨床"0AGM2500"，该机床重要用于光学玻璃蹬撞脆资料的加工，可加工和丈量2.5m×2.5m×0.61m的工件，它能加工出2m见方的非对称光学镜面，镜面的状态误差仅为1μm。

日本丰田工机研造的 AHN60―3D是一台 CNC三维截形磨削和车削机床，它能在 X、 Y、和 Z三轴节造下磨削和车削轴向对称状态的光学零件，能够在 X、 Y和 Z轴二个半轴节造下磨削和车削非轴对称光学零件，加工工件的截形精度为0.35unl，表表粗糙度达 Ra0.016μm。另表东芝机械研造的 ULG―100A(H)超精密复合加工装置，它用别离节造两个轴的步骤，实现了对非球面透镜模具的切削和磨削，其 X轴和 Z轴的行程别离为150mm和100mm，地位反馈元件是分辨率为0.01μm的光栅。

3.2　非球面光学元件的 ELID镜面磨削技术

日本学者大森整等人从1987年对超硬磨料砂轮进行了钻研，开发了使用电解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，实现了对硬脆资料高品位镜面磨削和延性方式的磨削，此刻该步骤己成功的利用于球面、非球面透镜、模具的超精密加工。

① ELID镜面磨削道理

ELID磨削系统蕴含：金属结合剂超渺小粒度超硬磨料砂轮、电解建整电源、电解建整电极、电解液(兼作磨削液)、接电电刷和机床设备。磨削过程中，砂轮通过接电电刷与电源的正极相接，装置在机床上的建整电极与电源的负极相接，砂轮和电极之间浇注电解液，这样，电源、砂轮、电极、砂轮和电极之间的电解液形成一个齐全的电化学系统。

选取 ELID磨削时，对所用的砂轮、电源、电解液均有一些特殊要求。要求砂轮的结合剂有优良的导电性和电解性、结合剂元素的氢氧化物或氧化物不导电，且不溶于水，ELID磨削使用的电源，能够选取电解加工的直流电源或选取各类波形的脉冲电源或直流基量脉冲电源。在 ELID磨削过程中，电解液除作为磨削液表，还起着降低磨削区温度和削减摩撩的作用，ELID磨削通常选取水溶性磨削液，全属基结合剂砂轮的机械强度高，通过设定相宜的电解量，砂轮磨损幼。同时能得到高的状态精度。利用这个道理，能实现从平面到非球面，各类状态的光学元件的超精密镜面磨削。

②ELID镜面磨削尝试系统

在 Rank Pneumo公司的 ASG―2500T机床上，装上由砂轮、电源、电极、磨削液等组成大森整 ELID系统毛坯粗成形加工时使用400#、半精加工时使用1000#或2000#、作镜面磨削时使用4000#(均匀粒径约为4μm)或8000#(均匀粒径约为2μm)的铸铁结合剂金刚石砂轮，电解建锐电源(ELID电源)，使用的是直流高频脉冲电压式专用电源，工作电压为60V，电流为 lOA。所用的磨削液，使用时要求用纯水将水溶性磨削液 AFH―M和 CEM稀释50倍。

③ ELID镜面磨削尝试步骤和尝试了局

作非球面加工时，通过装置在工件轴上的碗形砂轮(325#铸铁结合剂金刚石砂轮为φ30×W2mm)进行平砂轮的只成形体整，作10min的电解初期建锐之后，经过400#的粗磨和1000#的半精加工，最后再用4000#进行 ELID镜面磨削，在超精密非球面加工机床上，借助 ELID磨削技术，成功地加工出了光学玻璃 BK―7非球面透镜。面型精度达到优于 0.2μm，表表粗糙度达Ra20nm，而对于稍软如 LASFN30和Ge等资料的非球面加工，同样能达到面型精杜着于 0.2-0.3μm，表表粗糙度达 Ra30nm。

4、非球面元件的超精密抛光(研磨)技术

超精密抛光是加工速度极慢的一种加工步骤。不适合状态范成法加工，近年来，由于短波长光学元件、OA仪器和 AV机械等的飞速发展，对零件的表表粗糙度提出了更高的要求，到目前为止还没有比超精密抛光更好的实用的步骤，尤其当零件的表表粗糙度要求优于 0.0lμm时，这种步骤是不成短缺的，对状态精度要求很高的工件，若是选取强造进给的步骤进行切削或进行磨削时，其状态精度将直接受到机床进给定位精度的影响，达到地点反映，并由此引起的加工作用，在工件表表上存在同样微幼凹的部门，在通常情况下，只能获得波纹升沉较大的表表。

日本大阪大学工学部森勇芷教授等人利用 EEM开发了一种三轴(x、 z、 C)数控光学表表范成装置，利用该装置加工时，一壁在工件表表上节造聚胺脂球的滞留功夫，一壁用聚胺脂球扫描加工对象的物全领域，利用该装置能加工高精度的肆意曲面。

5、非球面元件等离子体的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技术

目前宽泛选取的切削、研磨、抛光等机械加工步骤，由于加工资猜中存在渺小裂纹或结晶中的品质缺点等原因，无论怎么提高加工精度，改进加工装置，总存在肯定的局限性，为此，日本大阪大学工学部森勇正教授提出了一种用化学气体加工的新的加工工艺步骤，称为等离子 CVM法，这是一种利用原子化学反映，获得超精密表表的一种技术，其加工道理和等离子体刻蚀一样，在等离子体中，被激活的游离基和工件表表原子起反映，将之造成挥发性分子，并通过气体蒸发实现加工的，在高压力下所产生的等离子体，可能天生密度极度高的游离基，所以这种加工步骤能达到与机械加工步骤相匹敌的加工速度。

在高压力下，由于气体分子的均匀自由行程极幼，等离子体局限在电极左近。所以能够通过电极扫描，加工出 0.01μm精度的肆意状态的零件，另表能够以50μm/min的速度加工单晶硅平面，加工工件的表表粗糙度可达0.1nm(Rrms)。

下个世纪，在硅芯片加工和半导体曝光装置用的非球面透镜加工等好多领域中，将利用 CVM技术，当前有人在钻研通过 CVM和 EEM的组合，加工同步加快器用的 X射线反射镜等原子级平展的肆意曲面。

6、非球面元件复造技术

用节造除去厚度的抛光(研磨)步骤可能造作出高精度的非球面零件，但和通常的光学零件加工步骤相比，这种步骤的加工效能很低，解决这个问题的步骤之一有复造技术，即塑料注射成形和玻璃的模压成形技术，这种技术可能造作一部门非球面透镜。塑料透镜注射成形是将溶解的树脂注入模具内，一壁施加压力，一壁冷却固化的加工步骤，这种步骤可能进行廉价、大批量出产，但存在塑料自身的某些问题，如温度变动、吸湿导致透镜折射率的变动。

玻璃的模压成形是包办切削、磨削、研磨加工透镜、棱镜的最佳的幼型零件大批量出产步骤。模压成形技术是将模具内的温度节造在冲压的玻璃转移温度以上p软化温度以下，在模具内，进入有流动性的玻璃，加压成形，并且维持这种状态20s以上，直到成形了的玻璃温度散布均匀化，将模具的状态精度作到0.1 μm，表表粗糙度作到0.01μm以下，在上述前提下加压成形，能加工出和模具精度相近的零件。