非球面光學鏡片背后的超精密拋光工藝

隨著市場上對成像質量要求的不斷提高，高精度的光學非球面鏡逐漸在光學儀器、空間激光通信、航空航天等領域中得到重要應用。與傳統球面鏡相比，非球面鏡片通過設計不一致的曲率半徑，讓近軸光線與遠軸光線所形成的焦點位置重合，減小波像差、彗差、畸變等光學像差的大小，有效修正了球面影像，并避免了球面鏡片需要增加透鏡來實現成像質量的問題，有利于實現更小、更輕量化的光學系統。

非球面透鏡及其與球面透鏡的成像對比

不過這種不一致的曲率半徑，也為其精密拋光帶來了極大難題：

1、面型精度要求高：非球面鏡的曲率半徑是經過特定設計的，因此對面形精度要求極高，對拋光技術也提出了極高的要求。

2、拋光路徑難規劃：非球面只有一個回轉對稱軸，離軸非球面甚至沒有回轉對稱軸，非球面上各處曲率不一致，不僅無法采用常規球面的加工方法，而且也難以規劃處科學合理的拋光路徑。

適用于非球面鏡頭的拋光技術

以往非球面鏡采用是的經典研拋技術，即先利用單/多軸機研拋出與非球面*接近的球面，再根據設計對局部研拋修形，該方法不僅完全依賴人工經驗，有較大的盲目性，并且效率低，無法保證加工的穩定性。為此，科學家們結合計算機技術、自動控制技術、彈性力學基礎理論等，開發了多種曲面拋光技術，包括計算機控制小磨頭加工技術以及 射流拋光、離子束拋光、磁流變拋光、應力盤拋光等可控柔性光學拋光技術。

01計算機控制小磨頭加工技術（CCOS）
計算機控制小磨頭拋光技術是一種結合傳統研拋經驗和現代數控技術的先進工藝方法，隨著技術日趨完善， 現已逐步替代傳統研拋技術成為我國非球面鏡加工的主流技術。實際加工時，可以將目標工件表面形貌數據提前輸入控制系統中，根據具體拋光環境，通過對工具頭駐留時間、速度、拋光軌跡、拋光壓力等主要因素以及拋光液PH值和濃度、工具姿態角、溫度等次要條件進行控制，并反復地檢測、加工，從而使光學表現的面形精度與目標面型精度的誤差不斷減小，*終達到目標面型精度。

計算機控制小磨頭加工技術的應用

相對于經典研拋技術，CCOS屬于一種確定性的加工手段，可以對整個光學曲面的拋光過程進行盡可能的模擬，從而達到比較高的加工精度。但由于工具頭較小，對于大口徑非球面鏡的研拋CCOS同樣存在加工效率低的問題。此外，研拋盤隨著工作時長的增加會發生磨損，進而導致去除函數無法保持長期穩定，對精度也有一定影響。

02應力盤拋光技術
為提高小磨頭在非球面光學元件加工過程中的加工效率，通常會選用更大尺寸的磨頭來實現高去除量，常用磨盤作為大尺寸磨頭。但是，由于較大口徑的磨盤與非球面光學元件的吻合度不大，導致無法完成高精度的加工。針對這一問題，科學家們將目光放到了對磨頭（拋光盤）的優化上，開發了應力盤拋光技術。

應力盤拋光技術是對研拋盤進行能動變形再對工件進行拋光的技術，具體來說是在應力盤徑向平移和旋轉的動態研磨拋光過程，由計算機實時控制應力盤，使盤面產生動態形變以與被加工非球面的理論面形吻合，從而保證在主動盤加工過程中磨盤與非球面貼合，更加穩定地去除材料。

與CCOS技術相比，應力盤拋光技術具有較高的加工效率，且可優先去除表面高點，修正平滑局部中高頻誤差效，可使得磨制的鏡面在較大的空間頻率范圍內自然平滑，非常適合大口徑光學非球面的加工，使目前實現2m級、4m級甚至8m級主鏡高效高精度加工的主要技術之一。不過，由于需要調整驅動器改變彎矩、扭矩使應力盤始終與工件表面貼合，控制較為復雜。

03氣囊拋光技術
氣囊拋光仍然采用CCOS的基本修形理論，采用的拋光磨頭為具有一定壓力且表面粘附了一層聚氨酯拋光墊的柔性氣囊。拋光時，可根據被拋光光學元件尺寸、面形，實時調節氣囊內部氣壓，使得拋光磨頭與工件表面幾乎完全吻合，保證光學元件上的局部拋光區的去除函數相同，可以有效地提高表面粗糙度及控制加工后面形精度；同時氣囊拋光的的整個過程由CNC系統控制，以“進動”方式（類似陀螺運動方式）按照設定路徑速度和壓力對工件實施拋光，參數靈活可控，確保了在拋光過程中材料去除的穩定性。

氣囊拋光機結構及原理

目前，在光刻物鏡的加工中，氣囊拋光技術已經作為離子束拋光前期的主流加工技術。但是由于氣囊拋光的拋光斑尺寸小、材料去除率小，在加工米級以上的大口徑非球面時所需的加工時間很長，并且容易產生中高頻誤差。

04磁流變拋光
磁流變拋光技術是一種融合了電磁學、分析化學和流體動力學等理論的新型加工技術，其“拋光磨頭”為磁流變液在梯度磁場中發生流變而形成的具有粘塑特性的“柔性拋光模”，其形狀和硬度均可由磁場實時控制。拋光時，磁流變液形成的“磨頭”在接觸區域形成剪切力，調整工件的旋轉角度和速度可實現工件表面材料各向均勻去除，得到光滑表面。

磁流變拋光裝置結構（a）及原理（b）

與傳統加工方法相比較，磁流變拋光法可以通過調整磁場強度，引起固化磁流變液形狀和硬度的變化，實現光學元件的定量去除具有很高的拋光效率，而且被加工光學元件表面不會隨著應力的改變而發生形變，可避免下表面破壞層的產生，能夠確保獲得很高的面形質量；此外，由于磁流變形成的拋光頭不會出現磨損的現象，因此保證了去除函數的完整連續性。然而磁流變拋光只適用于任意曲率半徑的凸曲面，對于凹曲面，其曲率半徑要大于拋光輪的半徑。目前美國QED公司，已經研制出了2m～4m加工 口徑的磁流變拋光設備，并已用于大口徑天文光學非球面鏡的高精度加工。

05磨料射流拋光
磨料射流拋光是在純水射流技術基礎上發展而來的一種針對復雜光學曲面加工的先進拋光工藝，原理是利用噴嘴噴射出混有磨料粒子的高速拋光液作用于光學鏡頭表面，粒子間的高速碰撞和剪切可使得材料快速去除，獲得較高質量的表面，具有加工柔性高、無熱損傷、操作靈活、無磨具損傷等優點。

由于普通的液體可控性仍然較差，還可采用磁射流液代替普通的磨料射流，在磁場作用下取得較好的穩定性，進一步減少邊緣效應和亞表面損傷，在大型非球面的二次修形中有很大的應用空間。

（a）普通磨料射流；（b）磁射流液；（c）磁場下的磁射流液

06離子束拋光
離子束拋光可實現原子量級上無應力、非接觸式的拋光效果。其原理是在真空狀 態下利用離子源發出具有 一定能量與空間分布的離子束來轟擊 光學鏡片表面，光學表面的原子在獲得足夠大的能量后將 擺脫表面束縛，發生物理濺射效應而實現原子級的拋光。

離子束拋光原理

由于具有拋光精度高、無亞表面損傷、高穩定性等優點，同時加工中不存在邊緣效應以及表面 和亞表面損傷的問題，離子束拋光與磁流變拋光被公認為近三十年來在光學加工領域*為**的兩大技術。不過作為一種原子量級的拋光技術，離子束拋光的去除效率較低，適用于大口徑非球 面鏡實現*終高精度面形要求。目前利用離子束拋光制造非球面的光刻物鏡，其面形精度RMS已經可達到1nm。

07激光拋光
使用激光對材料進行去除時，有兩種作用機理：一種是采用納秒或皮秒激光，利用激光的熱效應，使工件表面相對高峰區域的材料在激光的作用下熔融，并在表面張力的作用下流向相對低谷的區域再凝固，從而提高金屬表面的面形精度，這種拋光也叫熱激光拋光，具有較高的去除速率，但對材料的熱沖擊較為明顯，限制了加工的精度；另一種是采用飛秒激光利用激光的光化學效應，工件表面材料由于吸收了激光的光子，導致化學鍵斷開或者晶格結構破壞，從而實現 材料去除，與熱激光拋光相反，這種冷激光拋光不會給周圍的材料帶來熱影響，精度高，但去除速率也較慢，在大口徑非球面鏡的拋光應用上受到限制。

熱激光vs冷激光

小結

非球面光學鏡片通過設計不一致的曲率半徑，能夠為光學系統帶來近乎**的成像，但也給拋光工藝帶來了極大的挑戰。因此，光學加工需要廣泛吸納光學、電學、電磁學、流體力學、分析化學、機械設計、自動控制、計算機技術等先進科學，才能適應現代光學制造的發展要求。

目前，基于彈性力學基礎理論的應力盤拋光技術等是實現大 口徑光學非球面鏡高效率研拋的主要手段，而基于多能場的磁流變拋光技術、離子束拋光、激光拋光技術等則是實現非球面鏡高精度修形的必要手段，如要保證現代光學制造高效率和高精度的要求，則可采取多種加工技術的組合。

英國TAYLOR HOBSON的光學測量儀器，可以對非球面光學鏡片、自由曲面光學鏡片等進行**的面型測量。相關儀器有：PGI OPTICS、PGI FREEFORM、LUPHOSCAN等，是行業公認的標桿品牌。

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