非球麵光學元（yuán）件是指麵形由多項高次方程（chéng）決定、麵形上各點的（de）半徑均不同的光學元（yuán）件（jiàn）。一般應用（yòng）在（zài）光學係（xì）統（tǒng）中的透鏡及反射鏡，曲麵型（xíng）式多數為平（píng）麵和球麵，原因是這些簡（jiǎn）單型式的曲麵加工、檢驗容（róng）易，但是用在某些（xiē）高度精密成像係統（tǒng）有一定的限度。雖（suī）然非球麵的複雜曲麵（miàn）製造困難，但是（shì）某（mǒu）些光學係統中依然（rán）是需要的。采用非球麵技術設計（jì）的光學係統，可消除球差、慧差、像散、場曲（qǔ），減少光能損失，從而獲得高質量（liàng）的圖像效果和高品質的光學特性。
概述
非球麵光學零件的作用
非球麵光學零件是一種非常重要的（de）光學零件，常用的有拋物麵鏡、雙曲麵鏡、橢球麵鏡等。非球麵光學零件可以獲得（dé）球麵光學（xué）零件無可比擬的良好的成像質量，在光學係統中能夠很好的（de）矯正多種像差，改善成像質（zhì）量，提高係統鑒別能（néng）力，它能以（yǐ）一個或幾個非球麵零件代替多個球（qiú）麵零件，從而（ér）簡化儀器結構（gòu），降低成（chéng）本並有效的減輕儀器重量。
非球麵光學零件在軍用（yòng）和民用光電產品上的應用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變（biàn）焦鏡頭、電影放（fàng）影鏡頭、衛星（xīng）紅外望遠鏡、錄像機鏡頭、錄像和錄音（yīn）光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫療儀器等中。
1.2 國外非球麵零件（jiàn）的超精密（mì）加工技術的現（xiàn）狀
80年代以來，出現了許多種新的非球麵超（chāo）精密加（jiā）工技術，主要有：
計算機數控單點金（jīn）剛石車削（xuē）技術、計算機數控磨削技術（shù）、計（jì）算機數控離子束成形技術、計算機數控（kòng）超精（jīng）密拋光技術和非球麵複印技術等，這些加工方法，基本上解決了各種非球麵鏡加工中（zhōng）所（suǒ）存在的問（wèn）題。前四種方法運用了數控技術，均具有加工精度較高，效率高等特點，適於批量生產。
進行非球麵零（líng）件加工時，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度（dù）和口徑等因素（sù），對於銅、鋁等軟質材料，可以用單點金剛石切削(SPDT)的方（fāng）法（fǎ）進行超精加（jiā）工，對於玻璃或塑料等，當（dāng）前主要采用先超精密加（jiā）工其（qí）模具，而後再用成形法生產非球麵零件（jiàn），對於其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進行加工的，另外．還有非球麵零件的特種加工技術如離子束拋光等。
國外許多公司（sī）己將（jiāng）超精密車削、磨削、研磨以及拋（pāo）光加工（gōng）集成為（wéi）一（yī）體，並（bìng）且研製出超（chāo）精密（mì）複合加工係統，如Rank Pneumo公司生產（chǎn）的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研製的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一（yī）100A(H)都具有（yǒu）複合（hé）加工（gōng）功（gōng）能，這樣可以便（biàn）非球麵零件的加工更加靈活。
1.3 我國非球麵零件超精密（mì）加工技術的現狀
我國從80年代（dài）初才（cái）開始超精密加工技術的研究，比國外整整落後了20年。近（jìn）年來，該項工作開展（zhǎn）較好（hǎo）的單位有北京機床研究所、中國航空精密機械研究所、哈爾（ěr）濱工業大學、中科院長春光（guāng）機所應用光學重點實驗室等。
為更好的（de）開展對此項超（chāo）精密加工技術的研究，國防科工委於1995年在中國航空精密（mì）機械研究所首先建立了國內第一個從（cóng）事超精（jīng）密加工技術研究的重點實驗室。
非球麵零件超精密切削加工（gōng）技術
美國Union Carbide公司於1972年（nián）研製成功了 R―θ方式的非球麵創成加工機床。這是一台具有位（wèi）置（zhì）反饋的雙（shuāng）坐標數（shù）控車床，可實時改（gǎi）變刀座導（dǎo）軌的轉（zhuǎn）角θ和半徑 R，實（shí）現非球麵的鏡麵加（jiā）工。加工（gōng）直徑達φ380mm，加工工件的形狀精度（dù）為±0.63μm，表麵粗糙度為Ra0.025μm。
摩爾公司於1980年（nián）首先開發出了用3個坐標控製（zhì）的M―18AG非球麵加工機床，這種機（jī）床可加（jiā）工直徑356mm的各種非球麵的金（jīn）屬反射鏡。
英國 Rank Pneumo公司於1980年向市場推出了利用激光反饋控製的兩軸聯動加（jiā）工機床(MSG―325)，該機床可加工直徑為350mm的（de）非球麵金屬反射鏡，加工工件形狀精度達 0.25-0.5μm，表麵粗糙度 Ra在0.01-0.025μm之間（jiān）。隨後又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機床，該公司（sī）又在上述機床的基礎上，於1990年開發出Nanoform600，該機床能加工直徑為600mm的非球麵反射鏡，加工工件的（de）形狀精度優於0.1μm，表麵粗糙度優於0.01μm。
代表當今員高水（shuǐ）平的超精密金剛石車床是（shì）美（měi）國勞倫斯．利弗莫爾(LLNL)實驗室於1984年研製成功（gōng）的 LODTM，它（tā）可加工直徑達2100mm，重達（dá）4500kg的工件其加工精度可達（dá）0.25μm，表麵粗糙度Ra0.0076μm，該機床（chuáng）可加工平（píng）麵、球麵及非球麵，主要用於加工激光（guāng）核聚變工程所需的零件、紅外線裝置用的（de）零件和大型天體反射鏡等（děng）。
英國 Cranfield大學精密工程研究所(CUPE)研製的大型超精密金剛右鏡麵切削機床，可以加工大型 X射（shè）線天體望遠鏡用的非球麵反射鏡(最大直徑（jìng）可（kě）達1400mm，最大長度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研製成功了可以加工用於 X射線望遠鏡內側回轉拋物麵和外側（cè）回轉雙曲麵反射鏡的金剛石切削機床。
日本開（kāi）發的（de）超精密加工機床主要是用於加工民用產品所（suǒ）需的透鏡和（hé）反射鏡，目前日本製造的加工機床有：東芝機械研製的 ULG―l00A(H)不二越公（gōng）司的 ASP―L15、豐田工機的 AHN10、 AHN30×25、 AHN60―3D非球麵加工機床（chuáng）等。
非球麵零件超精密磨削加工技術
3.1 非球麵零件超精（jīng）磨削裝置
英國 Rank Pneumo公司1988年開發了改進型的 ASG2500、 ASG2500T、Nanoform300機床，這些機床不僅能夠進切削加工，而且也（yě）可以用金剛石砂輪進行磨削，能加工直徑為300mm的非球麵金屬反射鏡（jìng），加工工件的形狀（zhuàng）精度為0.3-0.16μm，表麵粗糙度達Ra0.01μm。最近又推出 Nanoform250超精密（mì）加工係統，該係統是（shì）一個兩軸超精密 CNC機床，在（zài）該機床上既能進行超精密車削又能進行超揚密磨削．還能進行超精密拋光。最突出的特點是可以直接磨削出能達到光（guāng）學係統要求的具有光學表麵質量（liàng）和麵型精度的硬脆材料光學零件。該機床采用了許（xǔ）多先進的 Nanoform600、Optoform50設計思想，機床最大加工工件直徑達250mm，它（tā）通過一（yī）個升高裝置使機床的最大加工工件（jiàn）直徑達到450mm，另外通過控（kòng）製垂直方向的液體靜壓導軌(Y軸)還能（néng）磨削非軸對（duì）稱零件，機床數控（kòng）係統的分辨（biàn）率達 0.001μm，位置反饋（kuì）元件采用了分辨率為8.6nm的（de）光柵或分辨率為1.25nm的（de）激（jī）光幹涉儀，加工工件的麵型精度達0.25μm，表麵粗糙度（dù）優於 Ra0.01μm。
Nanocentre250、 Nanocentre600是一種（zhǒng）三軸超精密 CNC非球麵範成裝置，它可以滿足單（dān）點和延性磨削兩個方麵的使用要求，通過合理化機床結構設計、利用高剛度伺服驅動係統（tǒng）和液體（tǐ）靜壓軸承使機床具有較高的閉環剛度（dù）， x和 Z軸的分辨率為1.25nm，這個機床被認（rèn）為是符合現代工藝規範的。 CUPE生產的 Nanocentre非球（qiú）麵光學零件（jiàn）加（jiā）工機床，加工直徑達600mm．麵型精度優於0.1μm，表麵粗糙度優於 Ra0.01μm。 CUPE還為（wéi）美國柯達公司研究、設計和生產了當今世界上最大的超精密大型 CNC光學零件磨床（chuáng）"0AGM2500"，該機床主要用於光學玻璃等硬脆材料的加工，可加工和測量2.5m×2.5m×0.61m的工件，它（tā）能加工出2m見方的非對稱光學鏡（jìng）麵，鏡麵的（de）形狀（zhuàng）誤差僅為1μm。
日本豐田工機研製（zhì）的 AHN60―3D是一台 CNC三維截形磨（mó）削和車削機床，它能在 X、 Y、和 Z三軸控製下磨削和車削軸向對稱形狀（zhuàng）的光學零件，可以在（zài） X、 Y和 Z軸（zhóu）二個半軸控製下磨削和車（chē）削非軸對稱光學零件，加工工件的截形精度為0.35unl，表麵粗糙度達 Ra0.016μm。另（lìng）外東芝機械（xiè）研（yán）製的（de） ULG―100A(H)超精密複（fù）合加工裝置，它用分別控製兩個軸的方法，實現（xiàn）了對非球麵透鏡模具的切削和磨削，其 X軸和 Z軸的行程分別為150mm和100mm，位置反饋元件是分（fèn）辨率為0．01μm的光柵。
3.2 非球麵光學零件的 ELID鏡麵磨削技術
日本學者大森整等人從1987年對超硬磨料砂輪進行了研究，開發了（le）使用電解 In Process Dressing(ELID)的（de）磨削法，實現了對硬脆材料高品位鏡（jìng）麵（miàn）磨削和延性方式的磨削，現在該方法己成功的應用於球麵（miàn）、非球（qiú）麵透鏡、模（mó）具的超精密加工。
① ELID鏡麵磨削原理
ELID磨削係（xì）統包括：金（jīn）屬結合劑超微細粒度超硬磨料（liào）砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液（yè）(兼作磨削液)、接電電（diàn）刷和機床設備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝（zhuāng）在機床上的（de）修整電極與電源的負極相接，砂輪和電極之間澆注電解液，這樣，電源（yuán）、砂輪、電極、砂輪和電極之間的電解液（yè）形成一個完整的電化學係統。
采用 ELID磨削時，對所用的（de）砂輪（lún）、電源、電解液（yè）均有一些特殊要求。要求砂輪（lún）的結合劑有良好的導（dǎo）電性和電解性、結（jié）合（hé）劑元素的氫（qīng）氧化物或氧化物不（bú）導電，且不溶於水，ELID磨削使用的電源，可以采用（yòng）電解加（jiā）工的直流電源或采用各種波形的脈衝電源或（huò）直流基量脈衝電源。在 ELID磨削過程中，電解液除（chú）作為磨削液外，還起著降（jiàng）低磨削區溫度和（hé）減少摩撩的作用，ELID磨削一般采用水溶性磨削液，全屬基結合劑砂輪的機（jī）械（xiè）強度高，通過設定合適的（de）電解量，砂輪磨損（sǔn）小。同時能得到高的形狀精度。應用（yòng）這（zhè）個原理，能實現從平麵到非球麵，各種（zhǒng）形狀的光學元件的超精密鏡（jìng）麵磨削。
②ELID鏡麵磨削實驗係（xì）統
在（zài） Rank Pneumo公司的 ASG―2500T機床上，裝上（shàng）由砂輪、電源、電極、磨削液等組成大森整（zhěng） ELID係統毛坯粗成形加（jiā）工時使（shǐ）用400#、半精加工（gōng）時使用1000#或2000#、作鏡麵磨削時使（shǐ）用4000#(平均粒徑約為4μm)或（huò）8000#(平（píng）均粒徑約為2μm)的鑄鐵結（jié）合劑金剛石（shí）砂輪，電解修銳電源(ELID電源)，使用的是直流高頻脈（mò）衝電壓式專用電（diàn）源，工作電（diàn）壓為60V，電（diàn）流為 lOA。所用的（de）磨削液，使用時要求用純水將水（shuǐ）溶性磨削液（yè） AFH―M和 CEM稀釋50倍。
③ ELID鏡麵磨（mó）削實驗方法和實驗結果
作非球麵（miàn）加工時，通過安裝在工件軸上的（de）碗（wǎn）形砂輪(325#鑄鐵結（jié）合劑金（jīn）剛石砂輪為φ30×W2mm)進行（háng）平砂輪的隻（zhī）成形體整，作10min的電解初期修銳（ruì）之後，經過400#的粗磨和1000#的半精加工，最後再用4000#進行 ELID鏡麵磨削，在超精密非球麵加工機床上（shàng），借助 ELID磨削技術，成功地加工出了光（guāng）學玻璃 BK―7非球（qiú）麵透鏡。麵型精度達到優於 0.2μm，表麵粗糙度達Ra20nm，而對於稍軟如 LASFN30和Ge等材料的非球麵加工，同樣能達到麵型精度（dù）優於 0.2-0.3μm，表（biǎo）麵粗糙度達 Ra30nm。
非球麵零件的超（chāo）精密拋光(研磨)技術
超精密拋光是加工速度（dù）極慢（màn）的一種加工方法。不適合形狀範成法加工，近年來，由於短波（bō）長光學元件、OA儀器和 AV機（jī）器等的飛速（sù）發展，對零件的表麵粗糙度提出了更高的要求，到目前為止還（hái）沒有比超精密拋光更好（hǎo）的實用（yòng）的方（fāng）法，尤其當零件的表麵粗糙度要求優於 0.0lμm時，這種方法是不可缺少的，對形狀精度要求很高的工件，如果采用強製進給的方法進行切削或（huò）進行磨削時，其形狀精度將直接受到機床進（jìn）給定位精度的影響，達到所在反應，並由此引起的加工作用，在工件表麵（miàn）上存在同樣微小凹（āo）的部分，在一（yī）般情況下，隻能獲得（dé）波紋起伏較（jiào）大的表麵。
日本大阪大學工學部森勇芷教授等人利用 EEM開發了一種三（sān）軸(x、 z、 C)數控光學表麵範成裝置，利（lì）用（yòng）該裝置加（jiā）工時，一（yī）邊在工件表麵上控製聚胺脂球的滯留時間，一邊用聚胺脂球掃描加工（gōng）對象（xiàng）的物全（quán）領域，利用該（gāi）裝置能加工高精度的任意曲麵。
非球麵零件等（děng）離子（zǐ）體的 CVM(Chemical Vaporization Machining)技術
目前廣泛采用的切削、研磨、拋光等機械加工方法，由於加工材料中存在微細（xì）裂紋或結晶中的品（pǐn）格缺陷（xiàn）等原因，無論（lùn）怎樣提高加工精度，改進加工裝置，總存在一定的局限性，為此，日本大阪大學工學部森勇正教授提出了一（yī）種用化（huà）學（xué）氣體加工的新的加（jiā）工工（gōng）藝方法，稱為等離子 CVM法，這（zhè）是一（yī）種利用原子化學反應，獲得超精密表麵的一種技（jì）術，其加（jiā）工原理（lǐ）和等離（lí）子體刻蝕一樣，在等離子體中（zhōng），被激活的遊離基和工件表麵原子起反應，將之變成揮發性分（fèn）子，並通過氣體蒸發實現加（jiā）工的，在高壓力下所產生的等離子體，能夠生（shēng）成密度非常高的遊離基，所以這種加工方法能（néng）達到（dào）與機械加（jiā）工方法相匹敵的（de）加工速度（dù）。
在高（gāo）壓（yā）力下，由於氣體分（fèn）子的平均自由行程極小，等離子體（tǐ）局限在電極附近。所以可以通過電極掃描，加（jiā）工出 0.01μm精度的任意形狀的零件，另外（wài）可以以50μm／min的速度加工單晶矽平（píng）麵，加工工（gōng）件的表麵粗糙（cāo）度可達0.1nm(Rrms)。
下個世（shì）紀，在矽芯片加工（gōng）和半導體曝光裝置用的非球麵透鏡加工等很多（duō）領域中，將應用 CVM技術，當前有人正在研究通過 CVM和 EEM的組合，加工同（tóng）步（bù）加（jiā）速器用的 X射線反射鏡等原子級平坦的任意（yì）曲麵。
非球麵零（líng）件複製（zhì）技術
用控製（zhì）除去厚度（dù）的拋光(研磨)方（fāng）法能夠製（zhì）造出高精度的非球（qiú）麵零件，但和一般的光學（xué）零件（jiàn）加工方法相比，這種方法的加工效（xiào）率很低，解決這個問題的方法之（zhī）一有複製技術，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術，這種技（jì）術能夠製造一部分非球麵透鏡。塑料透（tòu）鏡注射成形是將熔化的樹脂注（zhù）入模具內，一邊施加壓力，一邊冷卻固化的（de）加工方法，這（zhè）種方法（fǎ）能夠進行廉價、大批量生產，但存在塑料自身的某些問題，如溫度變化、吸濕導致透鏡折射率（lǜ）的變化。
玻璃的模壓成（chéng）形是代替切削、磨削、研（yán）磨加工透鏡、棱鏡的最佳的小型零件（jiàn）大批量生產方法。模壓成形技術是將模具內的（de）溫度控製在衝壓的玻璃轉移溫度以上p軟化溫度以（yǐ）下，在模具內，進入有流（liú）動性的玻璃，加壓成形，並且保持這種狀態20s以上，直到成形了（le）的（de）玻璃溫度分布均勻化，將模具的形狀精度作到0.1 μm，表麵粗糙度作到（dào）0.01μm以下，在上述條件下加壓（yā）成形，能加工（gōng）出和模具精度相近的零件。
