自由曲面光学的超精密加工技术及其应用

　　0 引言

　　随着信息时代的到来， 超精密加工技术迅速发展，用单点金刚石车削，可直接加工非球面光学透镜，从而为光电信息产业提供质优价廉的光学组件。过去10 年， 美国5 000 多家光学企业创效益500 多亿美元,而这种技术当时在我国是一片空白， 非球面加工的难题一直困扰中国光学工业的发展。香港经济转型也要求制造业向高科技、高增值方向发展，超精密加工技术对经济发展至关重要。随着科技的不断发展，各种高附加值产品的光学组件已经转向具有微结构特点的、非回转对称的复杂自由曲面光学元件，它们是光电信息技术和光通讯不可缺少的关键元件。例如：激光打印机和扫描机的F蛳theta 透镜，液晶显示屏的背光板，宽带光纤耦合器及LED 照明光学元件等。其需求市场十分巨大，并且在迅猛增长中。中国及远东地区当时没有这种设备及技术，无法加工自由曲面光学组件。

　　虽然超精密自由曲面的设备己在市面推出，但由于自由曲面的面形极为复杂，设备供货商也无法提供刀具轨迹生成软件;又缺少公认的自由曲面光学面形与表面质量的检测方法和评定标准。因此，文中针对自由曲面光学设计、加工及测量等核心技术，进行了系统的研究。

　　1 整体技术框架

　　自由曲面光学元件的超精密制造是一门崭新的技术，我国在自由曲面光学制造技术上与国外亦有一定差距。传统的光学磨制方法无法加工高精度的非球面与自由曲面面形， 必须突破古典光学传统加工方法，采用先进的单点金刚石切削及超精密数控制造技术进行加工。细观塑性力学理论模型成功地运用到超精密加工技术上，用于分析晶体材料剪切角的形成及微切削力的变化周期，从而建立超精密加工的纳米级三维表面形貌仿真模型， 并用于超精密加工虚拟制造，工艺流程仿真及工艺优化。此外，在自由曲面超精密加工刀具轨迹生成及自由曲面的面形测量等方面均作了大量的研发工作。开发了一套自由曲面刀具轨迹自动生成系统， 可直接用于加工微透镜、V 沟槽结构、渐进式眼镜、自由曲面车灯反光镜等，只需要输入基本参数，可自动生成刀具轨迹，而无需再花大量时间编写程序，大大缩短了加工周期。另外，对自由曲面的表面测量方法也进行了研究，为自由曲面的加工及测量技术的发展又跨前了一大步。亦创新地采用了边缘光线扩展度守恒的原理，开发了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法。基于以上研究成果，开发了自由曲面光学元件设计、优化加工条件、加工误差补偿及测量的综合系统。

　　2 技术方案与应用