非球面光学镜片的超精密抛光技术

随着市场对成像质量需求的不断提升，高精度光学非球面透镜越来越多地应用于光学仪器、空间激光通信、航空航天等领域。与传统的球面透镜相比，非球面透镜被设计成具有变化的曲率半径，从而允许近轴和边缘光线的焦点重合。这减小了诸如波前像差、昏迷和畸变的光学像差，有效地校正了球面图像误差。此外，非球面透镜不需要额外的透镜来实现高成像质量，有助于开发更紧凑、更轻便的光学系统。

计算机控制的光学表面处理 (CCOS)

计算机控制的光学表面处理 (CCOS) 是一种先进的加工技术，将传统的抛光经验与现代数控技术相结合。随着技术的不断完善，逐渐取代传统的抛光方式成为非球面透镜在中国加工。在实际加工过程中，目标工件的表面形态数据可以预先输入到控制系统中。基于特定的抛光环境，关键因素如停留时间，速度，抛光路径，和抛光压力的工具头，以及辅助条件如ph值和抛光浆料的浓度、工具取向角和温度被控制。通过反复的检测和处理，光学面形精度与目标面形精度之间的误差不断减小，最终达到预期的面形精度。

与经典的抛光技术相比，CCOS是一种确定性的加工方法，可以尽可能精确地模拟整个光学表面的抛光过程，从而实现相对较高的加工精度。但是，由于工具头的尺寸较小，CCOS在抛光大直径非球面透镜时也面临加工效率低的问题。此外，由于抛光垫随着时间的推移而磨损，去除功能不能始终保持稳定，这也会在一定程度上影响精度。

应力搭接抛光技术

为提高非球面光学元件制造中小工具头的加工效率，通常采用较大的工具头以达到较高的材料去除率，与抛光圈通常作为大型工具头。然而，由于较大的抛光搭接与非球面光学元件的一致性差，实现高精度加工变得具有挑战性。为了解决这个问题，科学家们专注于优化工具头 (抛光搭接)，并开发了应力搭接抛光技术。

应力研磨抛光技术涉及抛光研磨的主动变形以抛光工件。具体地，在包括应力搭接的径向平移和旋转的动态研磨和抛光过程期间，计算机实时控制应力搭接。该控制引起搭接表面的动态变形，以匹配正在处理的非球面的理论表面形状。这确保了在主动研磨处理期间，抛光研磨符合非球面表面，从而允许更稳定的材料去除和更高的精度。

与CCOS技术相比，应力搭接抛光技术具有更高的加工效率，可以优先去除表面高点，有效地校正局部中高频误差。这导致在宽的空间频率范围内自然光滑的镜面，使其特别适合于处理大直径非球面光学元件。它已成为有效，准确地处理2米，4米甚至8米大小的主镜的主要技术之一。然而，需要调整致动器以改变弯矩和扭矩，以确保应力搭接保持与工件表面接触，这使得控制过程更加复杂。

气囊抛光技术

气囊抛光仍然采用CCOS的基本形状校正理论，但使用了polishing工具头，由具有一定压力的柔性气囊和粘附在其表面的一层聚氨酯抛光垫组成。在抛光过程中，可以根据被抛光的光学元件的尺寸和形状实时调节气囊的内部气压。这确保了抛光工具头几乎完全符合工件的表面，保证了光学元件的局部抛光区域中的去除功能是一致的。这有效地改善了表面粗糙度并控制了后处理表面精度。

此外，整个气囊抛光过程由CNC系统控制。以 “旋进” 方式 (类似于陀螺仪的运动) 沿着具有受控速度和压力的设定路径执行抛光。参数灵活可控，保证了抛光过程中材料去除的稳定性。

目前，在光刻物镜的加工中，气囊抛光技术已成为离子束抛光前的主流预处理技术。但是，由于气囊抛光的抛光光斑尺寸小，材料去除率低，大直径非球面 (米级及以上) 所需的加工时间很长。此外，它易于产生中高频误差。

磁流变抛光

磁流变抛光 (MRP) 是一种集成了电磁学、分析化学和流体动力学理论的先进加工技术。它的 “抛光工具头” 是一种磁流变液，在梯度磁场中发生流变变化，形成具有粘塑性的 “柔性抛光模具”。该模具的形状和硬度都可以通过磁场实时控制。

在抛光期间，由磁流变流体形成的 “工具头” 在接触区域中产生剪切力。通过调整工件的旋转角度和速度，可以在整个表面上实现均匀的材料去除，从而获得光滑的光洁度。该技术可以精确控制抛光过程，使其适用于在复杂的光学元件上实现高质量的表面。

与传统的加工方法相比，磁流变抛光 (MRP) 具有几个优点。通过调节磁场强度，可以改变固化的磁流变流体的形状和硬度，从而能够以高抛光效率从光学元件精确和定量地去除材料。另外，被处理的光学元件的表面不随应力的变化而变形，从而防止表面下损伤层的形成并确保高表面质量。

此外，由于由磁流变流体形成的抛光头不经历磨损，因此去除功能始终保持连续。然而，MRP仅适用于具有任何曲率半径的凸面。对于凹面，曲率半径必须大于抛光轮的半径。

目前，美国QED公司已开发出能够处理2米至4米直径的MRP设备。该设备已经用于大口径天文非球面反射镜的高精度加工。

离子束抛光

离子束抛光 (IBP) 实现了原子级的无应力、非接触抛光。原理涉及使用离子源发射具有特定能量和空间分布的离子束，以在真空环境中轰击光学透镜的表面。当光学表面上的原子接收到足够的能量时，它们克服表面结合力并进行物理溅射，从而实现原子级抛光。

这种技术允许极其精确的材料去除，使其成为需要超光滑和高精度表面的应用的理想选择。离子束抛光的非接触式性质消除了引入机械的风险应力或变形，确保光学表面的完整性。

离子束抛光 (IBP) 具有抛光精度高、无亚表面损伤、稳定性高等优点，在光学加工领域备受推崇。它不会受到边缘效应或表面和次表面损坏问题的影响。与磁流变抛光 (MRP) 一起，IBP被认为是过去三十年光学加工中最具创新性的技术之一。

然而，作为原子级抛光技术，IBP具有相对低的材料去除速率。它特别适用于实现大口径非球面反射镜的最终高精度表面要求。目前，使用离子束抛光来制造用于光刻物镜的非球面表面可以实现RMS (均方根) 值高达inm的表面精度。这种精度水平对于先进的光学应用至关重要，可确保光学组件的最高质量和性能。