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1、华南理工大学学报(自然科学版)第32卷第2期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.32No.22004年2月(NaturalScienceEdition)February2004文章编号:1000565X(2004)02009405光学非球面的超精密加工技术及非接触检测谢晋(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘要:针对亚微米级及亚微米级以下的光学硬脆性非球面器件难加工问题,分析了光学非球面的形状精度和应用,讨论了其超精密加工原理和方法及非接触检测手段.结果表明,精密数控机床、硬脆性材料延性域加工原理和超精密检
2、测是光学非球面超精密加工的技术保证.关键词:非球面;超精密加工;光学器件;非接触检测;单点金刚石切削;弧形金刚石砂轮中图分类号:TG58文献标识码:A长期以来,光学球面镜头存在色像差的问题,如图1(a)所示.要构成高性能的光学系统,往往采用多枚镜头.20世纪30年代,为了消除这种色像差,研究人员提出并发明了非球面镜头,如图1(b)所示.但是,几个世纪以来的传统切削、磨削和抛光方法无法加工非球面产品,而只有利用数控机床才能有效地实现非球面的加工.19世纪70年代至80年代,应用于投影仪、显微镜、照相机、CD读写装置和激光加工机等领域的民用光学产品开始朝着高性图1球面和非球面透
3、镜的光学性能能、大口径化和小型化等方向快速发展,工业上开始Fig.1Opticalperformanceofsphericandasphericlens生产非球面光学部件.目前,一些主要的非球面光学器件及其应用领域如表1所示,从该表中可以看出,表1光学非球面器件的材料及应用大部分光学非球面器件材料为难加工的硬脆性材料.Table1Opticasphericmaterialsanditsappplication在光学系统的应用中,光的反射和折射要求非非球面类型材料应用领域球面的形状精度达到光波长的1/10左右[1],特别普通镜头光学玻璃显微镜、CD/DVD、投影仪红外线镜头单
4、晶锗、单晶硅夜视镜、医用内视镜、激光加工是,应用于航空和军事领域中的光学系统要求非球普通反射镜铝合金、铜、磷青铜激光加工机、大型显示器面具有较高的形状精度.因此,光学非球面超精密加注射模具陶瓷、镍合金激光打印机工及超精度测试已经受到许多研究者的关注.例如,椭圆体反射镜石英玻璃、碳化硅X射线系统OPTICAM中心已经将CNC技术应用到精密光学器件的生产中,自动进行有选择性的非球面粗加工、国内也已经开始引进超精密加工机床来加工国精细加工和最终抛光加工,从而大幅度地降低了生防、航空等高科技领域所急需的高精度非球面零件.产成本.由于超精密磨削涉及的技术比较复杂,国内花巨资[2]购买
5、的砂轮系统还没有得到有效的使用.虽然中国航空精密机械研究所成功地研制了Nanosys-300[2]球面曲面超精密复合加工系统,但是,加工精度、收稿日期:20031022作者简介:谢晋(1963-),男,博士,副教授,主要从事磨砂轮精密修整、非球面成形机理以及非球面的超精削及精密加工的研究.E-mai:jinxie@scut.edu.cn密检测等诸多关键技术的研究都没有详细的报道.第2期谢晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测95实际上,目前我国光学非球面的加工技术和质量检2.1非球面超精密加工机床的构造测仍处在初级阶段.本文中主要介绍和分析最新研最新的研究结果表明,为了
6、实现硬脆性材料的究和开发的光学非球面的超精密加工机理、方法和精密切除加工就要求材料的切除深度始终保持在临测试技术及其特点.界延性域(ductile-mode)切深以下的范围,一般要求亚微米级以及亚微米级以下.这也就是要求加工1光学非球面部件的制作工艺机床能够控制工件进给量在微米级甚至亚微米级光学非球面的成型加工大体可分为模具成形法以下.和切除加工法两种.模具成形法是在非球面模具上采用空气静压和油静压轴承配制高精度(直线用可塑化材料注射或模压,形成有非球面的光学部度,表面粗糙度)摩擦系数小的V-V滚动滑道和高件;而切除加工是利用切削、磨削和抛光将工件直接精度(圆柱度,圆心度)
7、传动杆可以使导向机构到达[3]切除成非球面.模具成形法适应大批量生产,但很难10～20nm以内的波动.图2中所示的为空气差压保证非球面形状的高精度.注射和模压成形用的镀圆柱立轴的工作结构图.空气静压轴承可以使低速镍模具通常采用单点金刚石切削,但对于陶瓷等超运动时无震动.利用d1,d2,p能够进行克单位的力硬模具,切削就变得非常困难.因此,采用磨削加工调节,可以达到与水平结构一样的纳米级的微小波动.工件回转轴最合适采用空气静压形式,安装内置法,可大大缩短加工工期.电机可以消除传递转动带的振动,可以达到轴方向非球面光学
