非球面光學(xué)元件的快速制造技術(shù)

導(dǎo)語：非球面光學(xué)元件具有靈活的設(shè)計維度和優(yōu)異的調(diào)控性能，如何實現(xiàn)該類器件的低成本、批量化、高精度生產(chǎn)成為目前研究的關(guān)鍵方向�；�于此，長春理工大學(xué)的薛常喜教授團隊近期在《光電工程》發(fā)表了一篇綜述，探討了包括精密玻璃模壓成型技術(shù)和精密光學(xué)塑料注射成型技術(shù)在內(nèi)的非球面光學(xué)元件的快速制造技術(shù)的成型原理、光學(xué)材料、模具材料及加工、仿真分析和工藝優(yōu)化方面的內(nèi)容，并對未來發(fā)展進行了展望。

相較于傳統(tǒng)光學(xué)元件，非球面光學(xué)元件具有更多的設(shè)計自由度，不僅能夠有效地矯正各種像差，如球差、像散、視場畸變等，還可以同時滿足一些理論上相互制約的設(shè)計需求，如實現(xiàn)大視場和高分辨率。另一方面，采用非球面元件可以減少系統(tǒng)中的元件數(shù)量，順應(yīng)了在汽車、醫(yī)療、照明等多個應(yīng)用領(lǐng)域小型化、輕量化的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的非球面光學(xué)元件制造方法制造成本高，加工周期長，制造精度難以保證，限制了非球面光學(xué)元件的廣泛應(yīng)用。隨著計算機的發(fā)展與普及，先進光學(xué)制造技術(shù)，如超精密切削、超精密磨削、超精密拋光、精密玻璃模壓和精密注塑成型技術(shù)等被逐漸應(yīng)用于光學(xué)元件加工中。然而，非球面光學(xué)元件的快速制造技術(shù)仍然面臨著一些挑戰(zhàn)和限制：1）高質(zhì)量的模具設(shè)計和精密制造；2）原材料的選擇；3）在制造過程中如何控制誤差、提高面形精度和穩(wěn)定性。

表1比較了基于不同的超精密加工技術(shù)制造單個非球面光學(xué)元件的生產(chǎn)周期和加工精度。其中，精密玻璃模壓技術(shù)和精密光學(xué)塑料注塑成型技術(shù)是兩類快速復(fù)制技術(shù)。相較于其他超精密加工方式，具有低成本、高生產(chǎn)效率、高重復(fù)成型穩(wěn)定性等優(yōu)點，已成為目前大批量小口徑高精度非球面光學(xué)元件的主要加工方法。如何利用這兩種技術(shù)加工尺寸較大的非球面光學(xué)元件，同時保持元件的高面型精度和低殘余應(yīng)力成為研究人員的關(guān)鍵方向。

文章主要介紹了非球面光學(xué)元件的快速制造技術(shù)，重點闡述了精密光學(xué)玻璃模壓成型技術(shù)和精密光學(xué)塑料注射成型技術(shù)的模具制備、原材料選擇、仿真分析以及制造過程中的工藝優(yōu)化和誤差控制方法等內(nèi)容，并將其與其他超精密制造技術(shù)對比。最后總結(jié)了近年來非球面光學(xué)元件快速制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并探討其中的關(guān)鍵問題和挑戰(zhàn)。

1.精密玻璃模壓技術(shù)

精密玻璃模壓成型（Precision glass molding, PGM）技術(shù)是一種通過使用精密模具在高溫下對玻璃預(yù)制體進行壓縮，從而完整復(fù)制出模具表面的高精度面型的加工方法。PGM工藝通常包括四個階段：加熱、加壓、退火和冷卻，如圖1所示。在加工參數(shù)和工藝參數(shù)確定之后，精密玻璃模壓成型機器可以迅速連續(xù)生產(chǎn)高精度玻璃元件，單個元件的加工周期可被縮短至70~150 s，適用于大批量光學(xué)元件成型。

圖1. PGM原理圖。（a）加熱階段；（b）加壓階段；（c）退火階段；（d）冷卻階段

1.1 可模壓光學(xué)玻璃

PGM的加工材料為玻璃材料，要求其具備高折射率、高阿貝數(shù)、低轉(zhuǎn)變點溫度、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)秀的物理特性。其中，可見光波段常使用SiO2等氧化物玻璃材料，而紅外波段則使用以元素周期表VIA族元素S、Te、Se為主要要素的硫系玻璃，如圖2所示。

圖2.光學(xué)玻璃材料。(a) 光學(xué)玻璃毛坯；(b) HWS系列硫系紅外玻璃；(c) 精密玻璃模壓成型的非球面透鏡