盘点那些经典的光学加工技术应用

今天为各位光学人盘点一下近几年经典的光学加工技术应用，相信这些技术对您会有一定的借鉴作用。请看看这篇为大家整理的内容吧！

非球面光学零件确定性超精密加工

非球面光学零件是一类非常重要的光学零件，最常用的有抛物面镜、双曲面镜以及椭球面镜等。非球面光学零件具有球面光学零件无可比拟的良好成像质量，应用在光学系统中能够很好地矫正多种像差，改善仪器成像质量，提高仪器鉴别能力，增大作用距离，它能以一个或几个少量的非球面零件代替较多的球面零件，从而简化仪器结构，降低成本，并有效地减轻仪器重量。

非球面曲面光学零件在现代高能激光武器、惯性约束核聚变点火工程、空天遥感和深空探测以及航空航天精确打击系统中发挥着极为重要的作用，应用范围日益广泛。其中一些系统因使用环境和有关条件（如航空航天对重量、过载、温度环境等要求）限制，对零件材料性能（比刚度、温度稳定性、加工特性等）有着非常严苛的要求。

在这种情况下，传统的非球面光学零件加工方法不仅在时间、效率和成本上远远不能满足要求，更重要的是不能完成像对铍、金、铜等有色金属和许多其他一些材料非球面光学曲面的加工。同时，传统的非球面光学零件加工方法还无法解决复杂非球面曲面零件，譬如自由曲面、保形曲面光学零件的超精密加工技术难题。

为此，迫切需要研究适应快速、高效的现代光学复杂非球面确定性超精密加工技术。另一方面，随着现代计算机技术、超精密测量技术、超精密运动控制技术、各种相关精密元部件制造技术以及小环境控制技术等的发展，也为实现上述要求的现代复杂非球面加工制造技术提供了技术支撑，使之成为现实可能。

非球面光学零件确定性超精密加工技术和装备是现代先进制造技术的典型代表，单点金刚石数控车削（SPDT）机床是现代超精密数控光学加工的最典型、最重要的加工装备。SPDT可实现金属基反射镜、红外材料透镜等非球面、离轴非球面等光学元件的高效、确定性超精密加工。

由于以SPDT为代表的现代超精密数控光学加工装备技术水平对国家的军事和国民经济领域尖端技术的发展具有重大作用，世界发达国家对我国采取了严格的装备禁运和技术封锁。特别是在大尺寸、超高精密、多坐标联动技术产品方面控制方面尤为严格。

近年来，中航工业精密所依托其在超精密加工技术领域的研究基础和传统，开展了“非球面光学零件确定性超精密加工技术和装备”项目研究，突破了大型光学数控加工机床设计、制造及运行环境控制等关键技术，在大承载力、高刚性的超精密立式液体静压主轴技术，大行程、高刚性、无摩擦效应超精密液体静压导轨驱动与控制技术，机床Z轴无摩擦干涉效应的全气浮气缸精密平衡与导轨技术，纳米分辨率开放式高性能数控系统集成技术，机床温度及振动环境精密控制技术以及高品质压力油源、气源供给技术等方面取得了一系列成果，最终研制成功“Nanosys－1000 LODTM数控光学加工机床”及其辅助支撑系统。

该机床通过纳米分辨率的超精密加工运动轨迹控制，用金刚石刀具直接车削成形金属、红外等材料的大型光学零件。该机床可高效地加工传统光学加工技术和装备难以加工或根本无法加工的多种材料（如金属基、红外及KDP晶体等）和复杂曲面（深度非球面、离轴非球面等）现代光学系统元件。

国内最大的非球面超精密车床

该系统自研制成功以来，经过几年的连续运行、工艺研究及工程应用，整体性能表现良好，精度稳定可靠。2016年，由该机床制造的直径达Φ1000mm的大口径非球面抛物面铝基反射镜参加了第十三届中国国际机床工具展览会（CIMES2016），吸引了现场不少业界人士的关注，也标志着我国利用自主研发的超精密加工设备制造大口径非球面超精密光学零件成为现实。

同时，该系统已先后为中国电子科技集团公司、北京邮电大学、中国计量科学研究院和中国科学院物理研究所等科研生产机构解决了不少超精密加工技术难题，包括太赫兹关键技术验证、卡塞格伦太赫兹天线系统及太赫兹通讯系统等，满足了我国国防科技工业尖端装备和民用光电市场的迫切需求，具有重要的军事价值、社会效益和经济效益。

“Nanosys－1000 LODTM 数控光学加工机床”的成功研制和良好运行，表明大口径非球面曲面超精密加工设备制造和工艺关键技术方面取得了一系列重要突破，打破了国外的技术封锁和装备禁运，使我国的非球面光学零件的超精密加工技术水平上跃了一个新的台阶，项目成果达到了同类技术国际先进水平。

光学硬脆材料旋转超声加工随着工业技术的发展，硬脆材料在航空航天、汽车、模具、光学以及半导体等领域展现出广阔的应用前景。光学玻璃常被用来制作侦查卫星照相机镜头、隐形雷达探照镜、高速飞行器窗口、天文望远镜的大型反射镜以及激光发射装置中的光学透镜、棱镜等。 硬脆材料光学元件常规切削加工非常困难，通常通过超精密研磨、抛光及超精密磨削加工获得，但该方式加工时间长，加工成本较高，需寻求一种若干能量场融合的先进复合加工工艺来解决这一加工难题。超声加工作为20世纪初发展并开始应用于工业领域的一种非常有效的特种加工方法，可减小切削力和切削温度，减小刀具磨损，提高加工质量，拓展可加工材料范围，是硬脆性先进材料加工的有效方法之一，特别适合加工玻璃、陶瓷、石英、金刚石以及硅等各种硬脆材料。旋转超声加工是目前超声辅助加工领域的关键工艺，是硬脆材料加工的有效方法之一。 复杂型面在现代产品中的设计应用及加工要求日趋增多，对复杂零部件的加工能力提出了更高的要求。目前，关于光学硬脆材料复杂几何特征超声辅助铣削工艺研究比较缺乏。

宁波材料所所属先进制造技术研究所激光与智能能量场制造团队在旋转超声加工领域进行了一定的积累并取得新的进展，针对K9光学玻璃材料，加工了各类型腔、表面、孔、薄壁以及复杂曲面等特征。

图1.三轴旋转超声铣削加工孔/凸台/型腔等特征

课题组成员自行搭建了三轴联动超声辅助加工系统，超声振动频率可达19000Hz以上。在该自主搭建的超声辅助加工系统上进行的部分孔、凸台、型腔等特征加工试验（图1），发现：使用合理的工艺参数，采用空间螺旋插补进刀及超声辅助三坐标联动空间螺旋铣削K9光学玻璃产生的孔特征边缘无崩边，孔壁及孔底质量均比较理想；带超声或无超声加工相同特征效果会有差别，如无超声辅助三角形型腔铣削后，加工底面会有较明显的刀痕：不同工艺参数对加工效果影响显著，如采用较大的切削深度时，铣削的方形或圆形型腔外边特征会出现崩边等缺陷特征；而采用合适的切削深度和走刀策略会产生理想的加工特征，如右侧的曲面侧壁型腔。

DMGultrosonic80eVolinear超声辅助五轴联动加工机床（图2）加工的平面、倾斜面、孔、环以及薄壁等特征（图3）。该DMG加工系统最大转速18000r/min，X、Y、Z行程分别为850mm、650mm、550mm。使用超声刀柄，可自动搜频，同时，可手动调整频率与振幅。

所加工的特征中，倾斜平面与Z轴夹角45°，并在斜面上铣削加工了直径8mm的孔特征，在圆形凸台内加工出1mm圆环薄壁。使用直径6mm中空金刚石电铸刀具加工平面薄壁特征时，进给速度为600mm/min，主轴转速为5500r/min，切宽2.4mm，切深0.03mm，最小薄壁厚度达0.3mm，取得了理想的加工效果。

图2.DMGultrosonic80eVolinear超声辅助五轴联动加工系统

图3.多轴旋转超声铣削加工的倾斜表面/孔/凸台/薄壁等特征

在DMG系统上旋转超声铣削加工的复杂曲面CAD模型、CAM刀轨及加工效果（图4），光学玻璃复杂曲面加工效果理想。加工区域A1（图5）局部形貌检测结果，检测区域的表面粗糙度Ra大约0.65μm。

图4.旋转超声铣削加工的复杂曲面

图5.局部加工区域检测结果（200X）

前期的旋转超声加工试验为该复合加工工艺的应用奠定了一定的工艺基础。团队已具备复杂几何特征光学硬脆材料的加工能力，打通了CAD、CAM、计算机虚拟加工仿真、后处理以及零部件或模具产品实际加工等整条加工技术链，可为复杂几何特征零部件的高性能加工提供坚实的技术支持。

目前，正在进一步进行科学机理与工艺规律的研究。在机理研究与工艺规律探索方面的推进，将为旋转超声加工性能的改善及加工效果的大幅提升提供强有力的支撑。

大口径平面镜光学加工技术

中科院长春光机所投资公司奥普光电加工完成BZPMJ700标准平面镜，面型精度PV为0.187λ、rms为0.018λ、power为0.003λ，这标志着奥普公司在大口径平面镜光学加工技术上取得重大突破。

该BZPMJ700标准平面镜由平面反射镜和精密二维支撑架两部分组成。

经过技术攻坚，已经加工出高精度面形平面反射镜。直径700mm的平面反射镜有效口径范围面形精度达到PV=0.187λ、rms=0.018λ、power=0.003λ（λ=632.8nm），为该所自制同尺寸平面镜最高精度。

此项技术的突破标志着奥普光电具备了直径800mm以内大口径高精度平面镜加工能力，单镜加工周期为半年左右，加工工艺具备定型条件，并能够延伸开发制作不同尺寸和种类的标准平面镜系列产品。此项技术突破为奥普光电创造了新的技术发展点和经济增长点。

据悉，奥普光电也已具备了大尺寸元件的加工能力，成功加工完成了直径580mm、直径700mm的离轴抛物镜，直径1230mm的球面镜的加工。

光学玻璃冷加工技术光学玻璃和其它玻璃的不同之点在于它作为光学系统的一个组成部分，必须满足光学成象的要求。 其冷加工技术是利用化学气相热处理手段以及单片钠钙硅玻璃来改变其原来分子结构而不影响玻璃原有颜色及透光率，使其达到超硬度标准，在高温火焰冲击下以满足防火要求的超硬度防火玻璃及其制造方法、专用设备。 它是由下述重量配比的组份制成：钾盐蒸气(72%～83%)、氩气(7%～10%)、气态氯化铜(8%～12%)、氮气(2%～6%)。

它包含以下工艺流程：以钠钙硅玻璃为基片进行切割，精磨边的冷加工→对冷加工后的钠钙硅玻璃进行化学气相热处理→将钠钙硅玻璃表面进行镀防火保护膜的处理→将钠钙硅玻璃表面进行特种物理钢化处理。由缸体及其与之相套合的缸盖、与缸盖一体连接的反应釜构成专用热分解气化设备。

对光学玻璃质量有以下要求：

一、特定的光学常数以及同一批玻璃光学常数的一致性

每一品种光学玻璃对不同波长光线都有规定的标准折射率数值，作为光学设计者设计光学系统的依据。所以工厂生产的光学玻璃的光学常数必须在这些数值一定的容许偏差范围以内，否则将使实际的成象质量与设计时预期的结果不符而影响光学仪器的质量。同时由于同批仪器往往采用同批光学玻璃制造，为了便于仪器的统一校正，同批玻璃的折射率容许偏差要较它们与标准值的偏差更加严格。

二、高度的透明性

光学系统成象的亮度和玻璃透明度成比例关系。光学玻璃对某一波长光线的透明度以光吸收系数Kλ表示。光线通过一系列棱镜和透镜后，其能量部分损耗于光学零件的界面反射而另一部分为介质(玻璃)本身所吸收。

前者随玻璃折射率的增加而增加，对高折射率玻璃此值甚大，如对重燧玻璃一个表面光反射损耗约6%左右。因此对于包含多片薄透镜的光学系统，提高透过率的主要途径在于减少透镜表面的反射损耗，如涂敷表面增透膜层等。

而对于大尺寸的光学零件如天文望远镜的物镜等，由于其厚度较大，光学系统的透过率主要决定于玻璃本身的光吸收系数。通过提高玻璃原料的纯度以及在从配料到熔炼的整个过程中防止任何着色性杂质混入，一般可以使玻璃的光吸收系数小于0.01(即厚度为1厘米的玻璃对光透过率大于99%)。

国内外非球面光学加工技术

一：非球面光学零件的作用

非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。非球面光学零件可以获得球面光学零件无可相比的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，进步系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低本钱并有效的减轻仪器重量。

非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，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、卫星红外看远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通讯的光纤接头、医疗仪器等中。

二：国外非球面零件的超精密加工技术的现状

80年代以来，出现了很多种新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的题目。前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。

进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、外形、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外．还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。

国外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，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。

三：我国非球面零件超精密加工技术的现状

我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨产业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。

为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。

四：非球面零件超精密切削加工技术

美国UnionCarbide公司于1972年研制成功了R―θ方式的非球面创成加工机床。这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角θ和半径R，实现非球面的镜面加工。加工直径达φ380mm，加工工件的外形精度为±0.63μm，表面粗糙度为Ra0.025μm。

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

英国RankPneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈控制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，加工工件外形精度达0.25-0.5μm，表面粗糙度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，加工工件的外形精度优于0．1μm，表面粗糙度优于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)实验室于1984年研制成功的LODTM，它可加工直径达2100mm，重达4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面粗糙度Ra0.0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红外线装置用的零件和大型天体反射镜等。

英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切削机床，可以加工大型X射线天体看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)。该研究所还研制成功了可以加工用于X射线看远镜内侧回转抛物面和外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主要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜，目前日本制造的加工机床有：东芝机械研制的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。