光学自由曲面的先进制造技术

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1、光学自由曲面的先进制造技术扬辉北京航空精密机械研究所，北京，100022摘要随着光学自由曲面粪零件在民用产品和军事等方面应用的日益扩失，极大地提高了产品的性能，同时也对其加工和检测提出了蔓为严格的耍艰。拳文论述了几裹典型的光学自由曲面类零件的应用并介绍了其先进的加工和检鬻j技术，最后捉出了进行光学自由曲面零件制造亟待解决的问题。关键词自由曲面起靖密加工超精密骚搠4崩由曲面是一种复杂的、不规则的、菲回转塑的曲丽，一般报难用数学方程精确惑猕述·通常采用一系残离散褒德点描述。由于自由曲面各勰值点之间可以没有几何约柬，所

2、以在设计中会给光学设计人员挺供很大的设计自由度，这意味着包禽自由曲蕊光学元件的光学系统短够赏现更加傀努的光学性施(例如矫正像差、改善像质、扩犬视场、增火作用距离)，并且一个或少数几个自由荫霹镜就能够代蔫较多的球面，非球面镜．从丽简化光学系统络构、降l氐航本、减辍重量。在规械产雒中，如汽霉复盏件摸具、飞行器特殊构件，特殊气轮机、螺旋桨叶片簿都属予自由曲黼类零件，它们都可用有理B样条基函数及作为系数的撩制点来定义，用4～5轴(或5轴以上)数挎铣(磨)加工设备潮麓艺进行制造．而光学自由曲面是一类有特殊要求的自由曲面．其

3、主要特赢是形状精度和表面租糙度都必须同时达到很高的要求，例如形状糖度通常要求达列与光波长同鬣缀甚拦于更高的要求(一般淘激米，照微米级)，袭雨犍精度一般为纳米、濂纳永级。一、自由曲面的应用在是纛髑趟光学系统中，透镜以及反射镜瞧不露是简单的舳磷，如糖物西、双曲面、糯球两等t丽菇由多种曲搿构成翡赛精度自由曲渐，自由曲焉刺用翻身曲率的高阶变化将光形进行有目的的、灵活豹移动、扭转，变形来形成明暗截止线和所翁的光形．自从20璇纪80年代以柬。随着IT艘数码行业的发媵，数码相机，手机的照相镜头，硬盘．光盘各类读写头都逐步采用鸯

4、由峨瓣类零件，其威用领域广阔，市场需求增长较快。自由曲面光学元俘目前已成为光电及逶讽产晶的哭键零部件，如V形槽列阵、微镜捌阵和卜theta透镜等是几种巽在代表性的光学自由睡霞。彩色箍像管，液鼎曩瘃嚣，数码棚栀、传真枫，扫描仪、激光雕刻机、光电基零器、光纤通讯等光电产品和光通讯产品已形成了一个数以万亿计的全球市场。潮下一代产品中将会犬爨采用自由曲面照明、成像系统．民用乖场广阔的应用促进了自由曲面光学元件的超精密v：flⅡ工和检测技术的发耀。(一)典型民用产品1．f-饿e蛾透镜自由曲面F_theta透镜主要应用在激光

5、扫描系统中。它被广泛用在激光打标机(LaserMarking)，激光打印机、扫描仪、传裹貌，印刷机、集成电路印剔设备等与网形发生有关的扫描设备中．在设计分辨率要求比较低的工业激光扫描系统，譬如激光标刻机时，为了加工透镜的方便。大部分·86‘困l激光打喀机中的自由曲面fIthet丑透镜的f-theta透镜是没计成轴对称式的．但是，出于轴对称式的卜theta透镜体积比较大，实际上径激光线性扫描的时候应用到的透镜面积只有很小的一个窄条，而且慰称式设计的}thta透镜在考虑控锕畸变量的时佼往往以柩牲一部分像散(astig

6、matismaberration)为代价。像敬校歪褥不好会罨致聚焦的光斑不圆和分辨率的降j医．新以在设计丰舂密的扫描系统的f_theta透镜的时候，如激光打印帆、扫描仪、传真机等，为了节省空间和提高分辨率，较为广泛地应用了向由曲面的形茂．2．汽车前照明反光镜和LED二次光学元件前照明灯蔻汽车照明中要求毁离、结构缀复杂、设计和制造难度最大的车灯。既要照亮车前方的路两，又饔照亮马路边豹行人和护糕及交通标志．iiii飘不能给对面车辆的司机带来炫光。自由曲面前照灯的炙射镜内多个自由曲面小反射镜组成，同时懿到了撤物面淞照灯

7、中反光镜和配光镜的j双重作掰，窿内曲面反射镜酶照灯与传统的撒物面前照灯相比，反光镜的利用率更高，灯鬟形状可以设计得与车体融为一体，聪符合窑气动力学又符合艺术美感．在汽霉LED照明应用中．为了更有效地利用LED的光能以及使LED的光熊按特定的角溲分布，设计二次光学元件对L拦D进行重新配光．汽车照明中(傣号灯、囊车灯)经常见我的类似于菲涅尔透镜的LED二次光学元件，由折射和金厦射组成，充分有效蛛利用了LED发出的光能。图2自由曲面在汽车照明系统中舶应阁3．LCD导光板(徽透镜阵列以爰徽V橇I导光板的作用是将侧面放置的

8、LED点光源变成导光板整个面上均匀分布的面光源，关系到整个背·87·光源的效率、均匀度和亮度．如果导光板的效率高，则可以少用或不用增亮膜(BEF)，有效熄降低背光源戒本．目前导光扳上下两面没有任何微结构的涎候．亮度集中在LED一侧I当导光板在底西细微透镜阵列时，靠近LED附近鹅蠢亮斑，需要加一层扩散膜和双层增亮膜才能满足要求}当导光板底砥加徽透镜落列、上表面为轮廓渐变V榴