光學非球面的定義
廣義(yi)來(lai)說(shuo)，非(fei)球(qiu)面(mian)是不(bu)包括(kuo)球(qiu)面(mian)和平面(mian)的(de)(de)其他表面(mian)。從應用(yong)的(de)(de)角度(du)來(lai)說(shuo)，非(fei)球(qiu)面(mian)可以分成軸對稱的(de)(de)非(fei)球(qiu)面(mian)、具有兩個對稱面(mian)的(de)(de)非(fei)球(qiu)面(mian)、沒有對稱性的(de)(de)自由曲面(mian)。
非球(qiu)面分類
通(tong)常把非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)分(fen)成二(er)次(ci)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)和高次(ci)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)。二(er)次(ci)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)在(zai)(zai)光(guang)學(xue)系統當中(zhong)應(ying)用最(zui)廣(guang)，相對于(yu)其他類型的(de)(de)(de)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)有(you)著特殊的(de)(de)(de)位置(zhi)。二(er)次(ci)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)又可以分(fen)為：有(you)一(yi)對無(wu)像(xiang)(xiang)差點的(de)(de)(de)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)和沒有(you)無(wu)像(xiang)(xiang)差點的(de)(de)(de)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)。前者(zhe)廣(guang)泛(fan)應(ying)用于(yu)各種光(guang)學(xue)儀(yi)器當中(zhong)，是最(zui)常見的(de)(de)(de)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)。后者(zhe)廣(guang)泛(fan)應(ying)用在(zai)(zai)形成變形像(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)光(guang)學(xue)系統當中(zhong)。高次(ci)非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)可以分(fen)成單調子午(wu)曲線(xian)的(de)(de)(de)表面(mian)(mian)和非(fei)(fei)單調表面(mian)(mian)。非(fei)(fei)球(qiu)面(mian)(mian)分(fen)類如圖1所示。
圖(tu)1. 光學非球面的分(fen)類
自由曲面
自由曲(qu)面(mian)(mian)(mian)的一(yi)般(ban)表(biao)達式：Z=∑A ij XiYj i,j=0,1,2……n。對(dui)于此類(lei)自由曲(qu)面(mian)(mian)(mian)雖已失去了(le)非球面(mian)(mian)(mian)軸(zhou)對(dui)稱的特點(dian)，但仍是(shi)圍繞著一(yi)個坐(zuo)標原點(dian)有規(gui)律展開的。現對(dui)還是(shi)有規(gui)律可循的。
另有一類僅能(neng)用(yong)三(san)維點位(wei)坐標(biao)來定義的(de)復雜(za)自由曲面，廣泛地被(bei)應用(yong)在漸(jian)進(jin)多焦點眼(yan)鏡中，以實現光(guang)焦度按特定規律(lv)分(fen)布的(de)目的(de)。
技術原理
非球(qiu)面(mian)(mian)透(tou)鏡，曲(qu)率半(ban)徑隨著中心軸而(er)變化，用以(yi)改進光學品質(zhi)，減少光學元件，降低設(she)計成本(ben)。非球(qiu)面(mian)(mian)透(tou)鏡相對于球(qiu)面(mian)(mian)透(tou)鏡具有獨(du)特(te)的優勢，因此在光學儀器、圖像(xiang)、光電子工業(ye)得到(dao)了廣(guang)泛的應(ying)用，例如數(shu)碼相機(ji)、CD播放器、高端顯微儀器。
對比優勢
a. 球差校準
非(fei)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)用(yong)以替換(huan)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)，最顯(xian)著(zhu)的(de)(de)優勢在于可以修正球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)在準(zhun)直和(he)聚(ju)焦(jiao)(jiao)系統中(zhong)所(suo)帶來的(de)(de)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)差(cha)。通過調(diao)整(zheng)曲面(mian)常數(shu)和(he)非(fei)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)系數(shu)，非(fei)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)可以最大限(xian)度的(de)(de)消(xiao)除球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)差(cha)。非(fei)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)（光線(xian)(xian)匯聚(ju)到(dao)(dao)同(tong)一(yi)(yi)點，提供光學(xue)品質(zhi)），基本(ben)上消(xiao)除了球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)所(suo)產生(sheng)的(de)(de)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)差(cha)（光線(xian)(xian)匯聚(ju)到(dao)(dao)不同(tong)點，導致成像(xiang)模糊）。采用(yong)三片球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)，增大有效焦(jiao)(jiao)距，用(yong)于消(xiao)除球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)差(cha)。但是，一(yi)(yi)片非(fei)球(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)(qiu)面(mian)透鏡(jing)（高數(shu)值孔徑，短焦(jiao)(jiao)距）就可以實現，并且簡化系統設計和(he)提供光的(de)(de)透過率。
圖2. 消球差非球面透鏡
b. 系統優勢
非球面透(tou)鏡(jing)(jing)簡(jian)化了光學(xue)工程師為了提(ti)(ti)高(gao)光學(xue)品(pin)質所涉及的(de)元素，同時提(ti)(ti)高(gao)了系(xi)(xi)統的(de)穩定性。例(li)如在變焦(jiao)系(xi)(xi)統中，通常情況下10片(pian)或(huo)(huo)者(zhe)更(geng)多的(de)透(tou)鏡(jing)(jing)被(bei)采用（附加：高(gao)的(de)機械(xie)容(rong)差，額外裝(zhuang)配程序，提(ti)(ti)高(gao)抗(kang)反射(she)鍍(du)膜），然而1片(pian)或(huo)(huo)者(zhe)2片(pian)非球面透(tou)鏡(jing)(jing)就可以實現類似或(huo)(huo)更(geng)好(hao)的(de)光學(xue)品(pin)質， 從而減(jian)小(xiao)系(xi)(xi)統尺(chi)寸，提(ti)(ti)高(gao)成(cheng)本(ben)(ben)率，降低系(xi)(xi)統的(de)綜合成(cheng)本(ben)(ben)。
加工(gong)方法的分(fen)類和(he)特點
材料去除法：
以銑磨、車(che)(che)削(xue)和(he)拋光(guang)為代表，主要包 括傳統(tong)范成法銑磨和(he)修磨拋光(guang)；數(shu)控(kong)銑、車(che)(che)削(xue)、精密磨拋；計算機控(kong)制拋光(guang)等(deng)。特別是對于(yu)數(shu)控(kong)拋光(guang)，以拋光(guang)媒質的不同又可分為小磨具、應力盤、離(li)(li)子束(shu)、等(deng)離(li)(li)子體、磁(ci)流變、液(ye)體噴射(she)拋光(guang)等(deng)。
其特點是效率相對較高、與傳(chuan)統光學加工(gong)有互通之處易于被接(jie)受、靈活性(xing)較高、適合于樣件(jian)的研制和中小批量(liang)生產。但(dan)產品的一(yi)致性(xing)較差，對操作者的要(yao)求較高。
模具成形法：
玻璃熱壓(ya)成形、光學(xue)塑料注射成形、熱沉降和固化成形。其特點(dian)是效率極高(gao)、成品的(de)一致性好、對(dui)操作者的(de)要(yao)求較低，適(shi)合于(yu)大批(pi)量生產。但對(dui)模(mo)具要(yao)求較高(gao)、初期投入大和工藝流程較為復雜。
附加材料法：
真空鍍(du)膜和復(fu)制(zhi)成(cheng)形(xing)。其實(shi)質是在最接(jie)近(jin)球(qiu)面的基礎上(shang)附加(jia)一層與(yu)非(fei)球(qiu)面度和折(zhe)射率相匹(pi)配(pei)的薄層材料(liao)。其特點工件(jian)的一致性(xing)好，對設備要求不(bu)高，靈活性(xing)好。適(shi)合于中小批量和反射元件(jian)的生產。但由(you)于附加(jia)層須與(yu)基底材料(liao)具有(you)匹(pi)配(pei)性(xing)限制(zhi)了應用。
下面我們來看一下一些著名的非球面加工方法及設備。
超大型磨床OAGM2500
英國Granfield大學盡管同牛津、劍(jian)橋相比不那么有名，但只要一說(shuo)起其精密(mi)(mi)工程研究(jiu)所(suo)CUPE，則(ze)令工業(ye)界肅然起敬。該所(suo)先后研制出ORGM2500六(liu)軸數控超(chao)精密(mi)(mi)磨(mo)床，Nanocenter250、Nanocenter600非球面光學零(ling)件(jian)車(che)床和(he)大型(xing)超(chao)精密(mi)(mi)金剛石鏡面車(che)床。
OAGM2500大(da)型CNC超精密磨床是(shi)加工(gong)大(da)型離(li)軸非球(qiu)面(mian)光(guang)學零件的(de)(de)機床。加工(gong)尺寸:2.5m×2.5m×0.61m； 采用液體靜壓軸承和(he)(he)摩擦傳動(dong)方式，激光(guang)干涉(she)儀(yi)位(wei)置測量(liang)與(yu)反饋，分辨(bian)率(lv)為(wei)2.5nm；平面(mian)加工(gong)精度(du)可(ke)達(da)1μm；表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du)2——3nm，離(li)軸非球(qiu)鏡加工(gong)精度(du)達(da)2.5μm。該超精密磨床主要用于光(guang)學玻璃等硬脆材料的(de)(de)加工(gong)工(gong)件拋(pao)光(guang)后(hou)再用柯達(da)公司的(de)(de)2.5米離(li)子束拋(pao)光(guang)設備對零件進行修形處理，工(gong)件可(ke)達(da)到很髙的(de)(de)精度(du)。床身采用輕型鋼(gang)焊接結構，中(zhong)間用S100花崗巖(yan)和(he)(he)聚苯乙烯制成的(de)(de)人造花崗巖(yan)填充(chong)，可(ke)保證(zheng)高(gao)剛度(du)，高(gao)度(du)穩定度(du)和(he)(he)很強(qiang)的(de)(de)振動(dong)衰減能力。
JRCODE-CCOS
機床主(zhu)體為龍門式結構，運動部件(jian)采用(yong)精(jing)密導軌結合(he)高精(jing)度光(guang)柵反饋，運用(yong)8軸(zhou)控(kong)制器實(shi)現(xian)任(ren)意軸(zhou)組合(he)插補(bu)，集成在(zai)線輪廓測量(liang)系統(tong)。工藝系統(tong)開(kai)放，具有多軌跡選擇、多格式數據兼容、變參(can)量(liang)操控(kong)與優(you)化功能，能夠實(shi)現(xian)光(guang)學玻璃、微晶、碳化硅、石英等多種(zhong)材料光(guang)學元件(jian)的精(jing)密制造，特別(bie)面(mian)向(xiang)高質量(liang)光(guang)學同軸(zhou)、離軸(zhou)非(fei)球(qiu)面(mian)元件(jian)開(kai)發(fa)自適(shi)應式加工模型，達到(dao)拋光(guang)面(mian)形精(jing)度優(you)于1/50λ（RMS，λ=632.8nm）。
磁流變拋光Q22-750P2
對于光學玻璃、微晶、碳(tan)化硅、石英(ying)等多(duo)種材(cai)料均能獲得較好的表面(mian)(mian)粗(cu)糙度及較高(gao)(gao)的面(mian)(mian)形精(jing)度。特別適用于高(gao)(gao)質(zhi)量光學同軸(zhou)、離軸(zhou)非(fei)球(qiu)面(mian)(mian)元件的超精(jing)密(mi)加(jia)工。
磁射流拋光
磁(ci)射流(liu)(liu)(liu)拋(pao)光是將射流(liu)(liu)(liu)技(ji)術和磁(ci)流(liu)(liu)(liu)變技(ji)術相結合, 利用(yong)低(di)粘(zhan)度磁(ci)流(liu)(liu)(liu)變液在外磁(ci)場的(de)(de)作(zuo)用(yong)下發(fa)生(sheng)磁(ci)流(liu)(liu)(liu)變效應, 表觀粘(zhan)度增(zeng)(zeng)大來增(zeng)(zeng)加射流(liu)(liu)(liu)束表面(mian)的(de)(de)穩定性, 混(hun)合有磨粒(li)的(de)(de)磁(ci)流(liu)(liu)(liu)變液在噴嘴處軸向磁(ci)場的(de)(de)作(zuo)用(yong)下形成(cheng)準(zhun)直(zhi)硬化的(de)(de)射流(liu)(liu)(liu)束噴射到一定距(ju)離處的(de)(de)工(gong)件(jian)表面(mian), 借助于磨粒(li)的(de)(de)高速碰撞(zhuang)剪(jian)切作(zuo)用(yong)實現材料的(de)(de)去除(chu), 以可控的(de)(de)方式實現拋(pao)光表面(mian)修整(zheng)。
說(shuo)了這么一大堆，我們來看一下磁射流(liu)的效(xiao)果圖：
應力盤拋光技術
這是一(yi)種很高大上的拋光(guang)方式，國內成都光(guang)電所在做，通過上面(mian)的一(yi)系(xi)列(lie)的電機拉動
應力盤(pan)(pan)的(de)盤(pan)(pan)面(mian)上面(mian)均勻分布著一些立柱，這些立柱之間通(tong)過絲線連著，這些絲線可以(yi)(yi)通(tong)過電機拉緊放松，這樣(yang)就可以(yi)(yi)控制盤(pan)(pan)面(mian)的(de)形變(bian)，使盤(pan)(pan)面(mian)與(yu)工件比較好(hao)的(de)貼合(he)，從而實現精(jing)準拋(pao)光。應力盤(pan)(pan)拋(pao)光的(de)缺點就是控制起(qi)來實在是太復雜了(le)——看著就暈啊！
離子束拋光
由離(li)(li)子(zi)源發(fa)射(she)出的(de)具有一定(ding)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)與(yu)(yu)空(kong)間(jian)分布的(de)離(li)(li)子(zi)束流轟擊工(gong)(gong)件(jian)表面(mian)(mian)，離(li)(li)子(zi)入射(she)到(dao)工(gong)(gong)件(jian)表面(mian)(mian)后在(zai)一定(ding)深(shen)度內與(yu)(yu)工(gong)(gong)件(jian)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)發(fa)生(sheng)(sheng)碰撞，在(zai)此(ci)碰撞過程中(zhong)，入射(she)離(li)(li)子(zi)將自身(shen)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)傳遞(di)(di)給(gei)(gei)工(gong)(gong)件(jian)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)，當(dang)工(gong)(gong)件(jian)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)獲得(de)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)大于其(qi)晶格(ge)(ge)束縛(fu)(fu)能(neng)(neng)時(shi)，工(gong)(gong)件(jian)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)會脫(tuo)離(li)(li)晶格(ge)(ge)束縛(fu)(fu)繼(ji)續運動，并與(yu)(yu)其(qi)他工(gong)(gong)件(jian)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)發(fa)生(sheng)(sheng)級聯碰撞，即重復(fu)上述動作，當(dang)其(qi)傳遞(di)(di)給(gei)(gei)下一個(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)大于晶格(ge)(ge)束縛(fu)(fu)能(neng)(neng)時(shi)，下一個(ge)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)也會離(li)(li)開(kai)原(yuan)(yuan)(yuan)有位置開(kai)始運動，若該原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)獲得(de)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)不足以(yi)克服(fu)晶格(ge)(ge)束縛(fu)(fu)能(neng)(neng)，則其(qi)獲得(de)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)將無法繼(ji)續傳遞(di)(di)，只能(neng)(neng)以(yi)聲子(zi)形(xing)式(shi)釋放(fang)。在(zai)此(ci)過程中(zhong)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)在(zai)離(li)(li)子(zi)與(yu)(yu)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)間(jian)、原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)與(yu)(yu)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之(zhi)間(jian)相互傳遞(di)(di)，當(dang)處于工(gong)(gong)件(jian)表面(mian)(mian)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)獲得(de)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)沿鏡面(mian)(mian)法線方(fang)向的(de)分量(liang)(liang)(liang)(liang)大于材料表面(mian)(mian)束縛(fu)(fu)能(neng)(neng)、晶格(ge)(ge)束縛(fu)(fu)能(neng)(neng)時(shi)，該原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)將飛離(li)(li)工(gong)(gong)件(jian)表面(mian)(mian)。
說白了(le)就是把材料表面的(de)原(yuan)子一(yi)個(ge)一(yi)個(ge)的(de)去(qu)掉（有點(dian)夸(kua)張）。
