本书针对小口径非球面光学元件制造，综述了小口径非球面纳米精度加工技术基础及发展概况，全面系统地总结了作者及其团队十五年来在小口径非球面光学制造理论及技术方面的研究成果，主要内容包括：小口径非球面磨削、ELID磨削、单点金刚石车削、磁流变抛光、玻璃透镜模压成型及非球面形状在位测量等，以小口径光学模具制造及玻璃透镜模压技术为核心，结合具体实例介绍了上述有关工艺方法的实际应用。 本书可供从事光学设计与制造、超精密加工与测量、光学精密仪器等精密工程领域研究的科技人员参考，也可供高等院校相关专业师生阅读。

第1章 小口径非球面加工技术基础及发展概况
　　1.1 非球面的特点
　　常用的光学元件一般分为平面光学元件、球面光学元件、非球面光学元件三大类，如图1.1所示。而非球面光学元件又分为两类：旋转轴对称曲面光学元件与旋转非轴对称曲面光学元件。
　　图1.1 光学元件分类
　　球面是一种旋转曲面，球面上每一点的曲率半径都是相同的。球面镜片的表面有一定的弧度，且其横切面也呈弧状。不同波长的光线平行于光轴入射到镜片上的不同位置后，经过球面镜片的折射作用，在胶片平面上不能聚焦成一点，会形成像差，如图1.2所示。像差有球差、彗差、像散等，会影响成像的质量，出现清晰度下降和变形等现象。此情况下通常采用多片校正透镜来进行改善，如图1.3所示，但校正透镜会带来透光度降低、体积变大的问题。
　　图1.2 球面透镜的球差
　　图1.3 透镜组消除球差
　　非球面是没有一定曲率半径的曲面，可以分为旋转轴对称曲面与旋转非轴对称曲面，前者包括抛物面、椭球面、渐开面、双曲面等二次曲面以及高次曲面，后者包括离轴非球面和自由光学曲面等。
　　轴对称非球面的母线公式可表达为
　　(1.1)
　　图1.4 非球面母线的各种二次曲线(Rc一定)
　　其中，为非球面基础曲率半径；k为曲线的形状参数，k<1表示双曲面(双曲线)，k = 1表示抛物面(抛物线)，1<k<0表示以椭圆的长轴对称的半椭球面(椭圆)，k=0表示球面(圆)，k>0表示以椭圆的短轴对称的半椭球面(扁圆)；Z为旋转轴。该非球面母线的各种二次曲线如图1.4所示，以非球面顶点为原点。
　　非球面镜片并非呈球面的弧度，而是镜片边缘部分被“削去”少许，其横切面呈平面状。当光线入射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，即胶片平面上，以消除各种像差。自从1638年笛卡儿第一个提出无球差非球面光学透镜结构之后，牛顿、卡塞格林和格里高利等在他们发明的望远镜中都使用过非球面反射镜。1940年，美国宝丽来(Polaroid)公司首先发表了非球面透镜的理论，但未真正实现商品化。1966年，德国徕卡(Leica)公司在科隆生产了世界上第一支采用两片非球面镜片的标准定焦镜，该定焦镜以人工研磨的方式加工而成。随后，瑞士光学(Swiss Optics)公司、美国爱特蒙特光学(Edmund Optics)公司、美国莱特巴斯(LightPath)光学仪器公司、日本豪雅公司等针对高质量、小体积非球面玻璃透镜进行了广泛研究与开发。由于非球面光学元件具有优良的光学性能，并能使光学系统大大简化，随着非球面光学元件加工制造技术的发展，其应用越来越广泛。
　　如图1.5所示，单片非球面透镜理论上可以将平行光线高度有效地聚焦于一点，不需要校正透镜来补偿像差。因此，非球面透镜不但能保证产品有高质量光学性能，而且可以使产品满足轻薄短小、方便携带的市场需求。
　　相对于球面镜片，非球面镜片可以消除其在光传递过程中产生的球差、彗差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。一般来说，在光学仪器上，单片非球面透镜的作用相当于多片球面透镜，且非球面透镜具有重量轻、透光性能好、成本低、设计灵活等优点，因此光学仪器设备多采用非球面透镜。采用非球面的光学系统不仅在体积、重量方面远优于球面系统，而且成像质量优于球面系统。以空间相机为例，它采用全反射非球面的光学结构，在保证高成像质量的同时，在体积、重量、可靠性、发射成本等方面均优于球面系统。
　　图1.5 非球面透镜调整光学轨迹成像于一点
　　因此，非球面光学元件在航空、航天、国防以及高科技民用领域得到了广泛应用。近年来，非球面光学元件在军用和民用产品上的应用也越来越普及，如在卫星红外望远镜、录像机镜头、激光视盘装置、光纤通信接头、医用内窥镜、手机摄像头、相机摄像头、工业机器人和视觉系统等中都有广泛的应用。但是非球面的加工难度远大于球面，传统的加工技术在精度、效率等方面已难以满足日益增长的各类非球面元件的加工需求。非球面高精度高效率加工技术已经发展成为一个研究与开发的热点。
　　1.2 小口径非球面的应用及其加工难点
　　随着光通信产品的小型化和精密化，对小口径非球面高精度光学玻璃透镜的需求日益增加。目前，小口径非球面透镜广泛应用于航天、航空、天文、电子、激光以及光通信的各种新的光电产品，如图1.6所示[1]，如军事上的枪用瞄准镜、热成像装置、微光夜视仪、导弹引导头、激光武器等，民用上的CD/VCD/DVD光盘读取头、数码相机、数码摄像机、激光打印机等电子产品，医疗上的激光手术刀、内窥镜等各种诊断和治疗仪器。因此，在军事、经济及相关高科技领域，小口径光学非球面制造技术将成为重要的竞争方向。
　　图1.6 小口径非球面透镜的应用
　　本书涉及的小口径透镜，其口径均为10mm以下，主要应用于光纤通信的接头、医用内窥镜、手机摄像头、相机摄像头、激光视盘装置等小型镜头中。常用的材料有塑料与玻璃。随着塑胶种类的增加和表面加工技术的改进，各产业广泛采用塑料透镜。烯丙基二甘醇碳酸酯(CR-39)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)是常用的光学塑料透镜材料。塑料的主要优点在于重量轻、易加工成型、成本低。
　　小口径非球面透镜如图1.7所示。与塑料相比，玻璃材料硬度高、热膨胀系数低，具有较高的抗变形、抗高温和抗表面刮伤等能力。此外，玻璃透镜的成像品质高，材料种类多，折射率和影响色散的阿贝数等选择范围比光学塑料宽广。因此，在高品质透镜市场需求的推动下，鉴于玻璃材料具有塑料材料难以超越的优势，使用玻璃镜头的厂家越来越多，尤其是高像素的手机、相机镜头采用玻璃材料的越来越多。
　　图1.7 小口径非球面透镜
　　传统的非球面光学玻璃元件制造一般采用材料去除的机械加工法，例如，玻璃透镜通过粗磨、精磨、抛光、磨边等十几道工序加工而成，制造周期长，加工精度不稳定，其生产效率和工艺稳定性无法满足迅速发展的产业需求。因此，后来发展出玻璃光学元件模压成型技术，即采用高精度的光学模具，通过加温加压直接压制成型超精密光学元件，从此开创了大批量、高效率制造玻璃光学元件的新时代。该技术也给光电仪器的光学系统设计带来了新的变革和发展，不仅使光学仪器体积减小、重量减轻，节省了材料和装配工作量，降低了成本，而且提高了光学仪器的性能，使得光学成像的质量得到提高。该技术效率高、成本低，适合大批量生产；超精密模压成型的光学元件面形精度高，而且精度稳定。
　　与传统的研磨抛光加工方法相比，光学玻璃透镜模压成型技术重复精度高；容易实现非球面光学零件的超精密加工批量生产，已成为国际上*先进的光学零件制造技术方法之一，这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。日本豪雅、松下、东芝机械，德国蔡司，荷兰飞利浦，美国柯达、康宁等公司已经处于生产实用阶段。国内代表性企业有浙江蓝特光学、中扬光电、中山联合光电、豪雅光电、信泰光学、江西联创光电等公司。
　　由于应用热压成型法的模具形状会复映至玻璃坯料，所以模具的精度直接决定着透镜的精度。因此，超精密模具的制造方法成为热压成型的关键技术之一。小口径非球面透镜模压时所需的超精密模具，要求具有高抗压强度、高硬度、高弹性模量、良好的导热性能、较低的热膨胀系数等，因此硬质合金材料WC、SiC等成为制造该类模具的主流材料。但是，该类硬质合金模具具有高硬度和高耐磨性，在加工时加工空间狭小，实现其高精度、高效率加工比较困难。如何实现微小球面、非球面光学透镜成型加工所用模具的高精度化(高面形精度与表面粗糙度)、高效率化的加工和制造，一直是困扰业界的难题。对于超精密复杂型面模具的制造，目前国内缺乏高精度的加工设备和先进的制造方法。
　　非球面模具超精密加工的难点在于：材料是硬质合金，形状是非球面，尺度很小，在几十微米到几毫米之间，加工精度要求很高，面形精度要求PV 200nm以下，表面粗糙度要求达到纳米级；所用设备为具备纳米级分辨率的磨床，加工环境要求恒温恒湿净化；加工空间十分狭小，散热条件差；砂轮直径很小，刚度低，容易引起变形进而影响加工精度，要达到一定的线速度要求，必须使砂轮高速旋转，转速常达到40000～100000r/min。就磨削发展的方向而言，精度是从普通到精密再到超精密再到纳米级精度发展；效率是从普通到高效率发展；形状是从规则的圆柱面、平面到球面、非球面、自由曲面发展；尺度是从常规尺度到极端制造(极小极大制造)方向发展；材料是从金属材料到硬脆材料方向发展。小口径非球面模具磨削集中了这些发展方向的所有特点：高精度、高速、非球面、极小制造及硬脆材料。
　　模压成型关键技术包括模具超精密制造技术、玻璃透镜热压成型技术以及非球面超精密测量和光学性能评价技术。在模压成型技术中，高面形精度和高表面质量的光学玻璃透镜对模压其成型的模具提出了很高的要求。光学透镜模具的成型非球面，一般要求达到PV 200nm以下的面形精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表面损伤。磨削/研磨加工是*常用的手段。纳米磨削/研磨抛光成为小口径透镜模具制造中*关键的工艺技术。因此，本书主要介绍应用于小口径非球面模具加工的误差补偿磨削、在线电解修整(electrolytic in-process dressing， ELID)镜面磨削、磁流变抛光、单点金刚石车削、玻璃透镜模压成型及非球面形状在位测量等内容。
　　结合模压成型关键技术，作者课题组应用自主研发的非球面超精密加工机床加工出碳化钨非球面模具，并模压出合格的非球面玻璃透镜。图1.8为小口径非球面透镜批量制造流程。
　　图1.8 小口径非球面透镜批量制造流程
　　1.3 小口径非球面加工技术发展现状
　　1.3.1 超精密磨削技术
　　非球面光学元件材料越来越多地使用硬脆性材料(光学玻璃、光学晶体、陶瓷等)和难切削材料(高强度钢及超硬合金非球面模芯)，一般的超精密车削很难加工这些材料。随着超硬磨料砂轮及砂轮修整技术的发展，超硬脆材料的超精密磨削技术逐渐成熟并迅速发展，可以达到纳米级表面粗糙度值和高精度要求。
　　超精密磨削主要用于磨削硬脆材料，如碳化钨、碳化硅及玻璃等。超精密磨削常采用直交轴磨削[2-4]、斜轴磨削[5-7]、平行磨削[8-12]和ELID磨削[13-18]等方法。当前广泛应用的非球面超精密磨削方法包括直交轴与斜轴的非球面加工，如图1.9所示。非球面直交轴磨削，顾名思义，其工件主轴与砂轮主轴垂直，如

目录
《21世纪先进制造技术丛书》序
序
前言
第1章 小口径非球面加工技术基础及发展概况 1
1.1 非球面的特点 1
1.2 小口径非球面的应用及其加工难点 3
1.3 小口径非球面加工技术发展现状 6
1.3.1 超精密磨削技术 6
1.3.2 小口径非球面抛光技术 10
1.3.3 非球面单点金刚石车削技术 15
1.3.4 光学玻璃模压成型技术 16
1.4 非球面加工机床 22
1.5 小口径非球面模压制造技术发展趋势 23
参考文献 24
第2章 小口径非球面磨削及误差补偿 34
2.1 小口径非球面磨削方式 34
2.1.1 直交轴磨削 34
2.1.2 平行磨削 35
2.1.3 单点斜轴磨削 35
2.2 小口径非球面磨削误差分析 37
2.2.1 砂轮Y向误差 37
2.2.2 砂轮X向误差 41
2.2.3 B轴角度误差 43
2.2.4 砂轮半径误差 47
2.2.5 砂轮磨损误差 50
2.2.6 X向、偏角、磨损与半径误差分离方法 51
2.3 小口径非球面磨削面形误差补偿方法 52
2.3.1 直接补偿法 52
2.3.2 法向磨削补偿法 53
2.4 小口径非球面磨削补偿加工实例 59
2.4.1 微粉砂轮的选用和修整 59
2.4.2 X、Z、B斜轴球面磨削补偿加工 61
2.4.3 碳化钨凹球面磨削补偿加工 63
2.4.4 碳化钨凹非球面磨削补偿加工 67
2.4.5 单晶硅凸非球面磨削补偿加工 74
2.5 非球面磨削补偿软件 78
2.5.1 软件的设计思想和总体结构 79
2.5.2 主界面控制模块 81
2.5.3 测量模块 82
2.5.4 数据处理与显示模块 83
2.5.5 仿真模块 90
2.5.6 修正代码处理模块 91
参考文献 92
第3章 小口径非球面ELID磨削 94
3.1 ELID磨削的基本原理 94
3.1.1 传统ELID磨削方式 94
3.1.2 非球面ELID磨削方式 96
3.2 小口径非球面喷嘴ELID磨削系统 99
3.3 小口径非球面喷嘴ELID磨削试验 101
3.3.1 无ELID磨削与喷嘴ELID磨削的对比试验 102
3.3.2 间歇式ELID磨削与喷嘴ELID磨削的对比试验 104
3.4 喷嘴ELID磨削电解机理分析 106
3.4.1 喷嘴ELID磨削氧化膜生成过程分析 107
3.4.2 喷嘴ELID磨削氧化膜作用机理分析 112
3.4.3 喷嘴ELID磨削生成的氧化膜厚度计算模型 113
参考文献 120
第4章 小口径非球面单点金刚石车削 122
4.1 小口径非球面超精密车削 122
4.1.1 传统的X、Z两轴联动单点金刚石车削 122
4.1.2 X、Z、B三轴联动固定点金刚石车削 123
4.1.3 两种车削方式加工结果分析 126
4.2 天然金刚石车刀 132
4.2.1 超精密切削对刀具的要求 132
4.2.2 金刚石的晶体结构 133
4.2.3 金刚石晶体各晶面的耐磨性 134
4.2.4 单晶金刚石刀具磨损形态和机理 135
4.2.5 超精密切削时刀具的磨损和耐用度 136
4.2.6 金刚石刀具的设计 136
4.3 B轴控制对非球面面形精度的影响 139
4.3.1 X、Z两轴联动金刚石车削平面基础试验 139
4.3.2 车刀圆弧切削刃面形误差对面形精度的影响 141
4.3.3 车刀磨损对面形精度的影响 162
4.3.4 X、Z、B三轴联动固定点金刚石车削加工的应用 174
4.4 B轴控制对工件表面粗糙度的影响 176
参考文献 179
第5章 小口径非球面抛光技术 183
5.1 小口径非球面斜轴抛光原理及去除机理 183
5.1.1 抛光原理 183
5.1.2 斜轴磁流变抛光去除机理 187
5.2 斜轴磁流变抛光头 190
5.3 碳化钨非球面磨抛组合加工 193
5.3.1 碳化钨非球面超精密磨削 193
5.3.2 碳化钨非球面斜轴磁流变抛光 198
5.4 不锈钢非球面车抛组合加工 201
5.4.1 不锈钢非球面超精密车削 201
5.4.2 不锈钢非球面斜轴磁流变抛光 203
5.5 碳化钨材料亚表面损伤及其检测 205
5.5.1 亚表面损伤产生机理及测试方法 205
5.5.2 碳化钨磨削亚表面损伤研究 207
5.5.3 玻璃磨削后亚表面损伤的去除 212
参考文献 213
第6章 小口径非球面玻璃透镜模压成型 215
6.1 模压成型用光学玻璃材料 215
6.1.1 玻璃材料的主要成分 215
6.1.2 玻璃材料的低熔点趋势 216
6.1.3 玻璃材料的环保趋势 216
6.1.4 光学玻璃的热机械性能 217
6.1.5 光学玻璃压型坯料 220
6.2 光学玻璃模压成型理论 221
6.2.1 玻璃材料属性的温度依赖性 221
6.2.2 界面接触的热传递 221
6.2.3 光学玻璃的黏弹性 223
6.2.4 光学玻璃的时-温等效性 223
6.2.5 黏弹性物理模型 224
6.2.6 结构松弛 226
6.3 非球面透镜模压成型工艺 227
6.3.1 非球面透镜模具的材料选择与设计 227
6.3.2 非球面玻璃透镜的模压成型试验用成型机 228
6.3.3 模压温度的选择 229
6.3.4 成型透镜的成型精度 230
6.4 残余应力的影响因素及仿真预测 232
6.4.1 玻璃模压成型的有限元分析 233
6.4.2 模压成型仿真预测模型的建立 234
6.4.3 应力分析的本构方程 234
6.4.4 加热阶段的分析 234
6.4.5 残余应力仿真分析 236
6.5 轮廓偏移量预测及补偿 241
6.5.1 轮廓偏移及结构松弛 241
6.5.2 模压成型参数对轮廓偏移量的影响 242
6.5.3 模压成型补偿技术 246
参考文献 251
第7章 非球面形状在位测量 253
7.1 非球面形状离线与在位测量 253
7.2 接触式气浮在位测量系统 254
7.2.1 在位测量装置 254
7.2.2 测量探针校正 255
7.2.3 在位测量过程 258
7.3 接触测量误差分析 259
7.3.1 测头曲率半径误差的影响 259
7.3.2 被测物对称轴半径方向误差的影响 260
7.3.3 被测物对称轴倾斜误差的影响 261
7.3.4 弹性变形产生的测量误差的影响 261
7.4 非球面接触测量数据处理 262
7.4.1 去噪处理 262
7.4.2 滤波处理 264
7.4.3 测量数据拟合处理 271
7.4.4 在位测量与离线测量对比 273
参考文献 275