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计算机控制光学表面成型技术综述

摘要:介绍了计算机控制光学表面成型技术的原理基础,目前的进展及其将来的趋势。主要介绍美国、法国、俄罗斯的科

学家在这项技术上的成果,也简单介绍了我国在这一领域的研究工作。最后提出了目前还存在的问题。

一、非球面元件的特色及应用非球面是指除球面和平面以外的所有光学表面,在光学系

统中应用非球面元件可以使复杂的结构变得简单,它们可以有效地消除像差,提高系统的成像

质量。由于系统的尺寸及重量减少,稳定性提高,成本降低。这就使得光学设计人员越来越多

地考虑在光学系统中采用非球面元件来取代球面元件。以星载成像光学系统为例,采用非球

面可以使系统的重量降低20～30%。而对于这类系统来说,重量每减轻1kg,其发射成本相应

降低5万元人民币,经济效益相当可观。虽然如此,但非球面自身的几何特点使得其加工与检

测难度要大大高于球面。对于非球面来说,表面各点的曲率半径不同,范成法原理不再适用。

而且,非球面的检测也需要专门的辅助设备,如补偿器等。这些问题都大大地增加了非球面元

件的制造难度,同时也限制了非球面在高质量成像系统中的应用。

二、常用的非球面加工方法简介

对于非球面的加工,有两种基本方法:一种是采用单点金刚石切削技术,在高精度的金刚

石车床上直接切削出非球面,面型精度可达0.3～0.5μm(P-V),表面粗糙度可达60～

100nm(rms)。但该方法只适合于加工非脆性材料,对于光学系统中常用的光学玻璃则无法加

工。为解决脆性材料的加工问题,美国的UnionCabridge等公司在80年代中后期研制了与单

点金刚石车床具有同等精度的金刚石磨床,能够对光学玻璃,光学晶体等脆性材料进行磨削加

工,面型精度可达0.3～0.5μm(P-V)。比较有代表性的是美国的几家公司与Rochester和

Arizona大学共同研制的两代自动光学加工机床OpticamSM和OpticamSX,5min内可加工出

面型精度达1μm(P-V),直径为50mm的玻璃非球面元件。但这类机床只能加工中等尺寸以下

的非球面元件,而且存在下表面破坏层等缺陷,需要后续抛光处理。另一种是传统的手工加工

方法,它主要依靠技师的经验。

除上述两种基本方法外,还有一些其它非球面的加工方法。如光学玻璃模压成型技术、

光学塑料的成型技术、环氧树脂复制技术等,但这些方法仍需要解决非球面模芯的制造问题。

以上方法的加工精度及其适用范围如表1所示。随着空间科学技术的飞速发展,近年来对于

空间光学系统中非球面元件的口径要求越来越大(4m以上),精度要求也越来越高[面型精度

优于1/40λ(rms),λ=632.8nm,表面粗糙度小于2nm]。因此,适用于中等尺寸以上的玻璃材料非

球面元件的高效、低耗、精密的加工方法已经成为国际光学加工界所追求的目标。本文所讨

论的计算机控制光学表面成型技术(ComputerControlledOpticalSurfacing,简称CCOS)就是针

对这类元件的加工而提出的。

三、计算机控制光学表面成型技术(CCOS)

1.CCOS技术简介

表1常用非球面加工方法的精度及其适用范围加工方法加工精度(P-V/μm)适用范围备

注手工加工0.1各种类型非球面元件劳动强度大单点金钢石切削0.5有色金属及少数晶体主

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要为反射面金刚石磨削0.5光学玻璃等脆性材料需后序抛光处理光学玻璃模压成型0.3小型

非球面元件需精密磨具塑料注塑成型0.5小型非球面元件需精密磨具环氧树脂复制0.25中、