随着市场上对成像质量要求的不断提高，高精度的光学非球面镜逐渐在光学仪器、空间激光通信、航空航天等领域中得到重要应用。与传统球面镜相比，非球面镜片通过设计不一致的曲率半径，让近轴光线与远轴光线所形成的焦点位置重合，减小波像差、彗差、畸变等光学像差的大小，有效修正了球面影像，并避免了球面镜片需要增加透镜来实现成像质量的问题，有利于实现更小、更轻量化的光学系统。
非球面透镜及其与球面透镜的成像对比
不过这种不一致的曲率半径，也为其精密抛光带来了极大难题：
1、面型精度要求高：非球面镜的曲率半径是经过特定设计的，因此对面形精度要求极高，对抛光技术也提出了极高的要求。
2、抛光路径难规划：非球面只有一个回转对称轴，离轴非球面甚至没有回转对称轴，非球面上各处曲率不一致，不仅无法采用常规球面的加工方法，而且也难以规划处科学合理的抛光路径。
适用于非球面镜头的抛光技术
以往非球面镜采用是的经典研抛技术，即先利用单/多轴机研抛出与非球面*接近的球面，再根据设计对局部研抛修形，该方法不仅完全依赖人工经验，有较大的盲目性，并且效率低，无法保证加工的稳定性。为此，科学家们结合计算机技术、自动控制技术、弹性力学基础理论等，开发了多种曲面抛光技术，包括计算机控制小磨头加工技术以及 射流抛光、离子束抛光、磁流变抛光、应力盘抛光等可控柔性光学抛光技术。
01计算机控制小磨头加工技术（CCOS）
计算机控制小磨头抛光技术是一种结合传统研抛经验和现代数控技术的先进工艺方法，随着技术日趋完善， 现已逐步替代传统研抛技术成为我国非球面镜加工的主流技术。实际加工时，可以将目标工件表面形貌数据提前输入控制系统中，根据具体抛光环境，通过对工具头驻留时间、速度、抛光轨迹、抛光压力等主要因素以及抛光液PH值和浓度、工具姿态角、温度等次要条件进行控制，并反复地检测、加工，从而使光学表现的面形精度与目标面型精度的误差不断减小，*终达到目标面型精度。
计算机控制小磨头加工技术的应用
相对于经典研抛技术，CCOS属于一种确定性的加工手段，可以对整个光学曲面的抛光过程进行尽可能的模拟，从而达到比较高的加工精度。但由于工具头较小，对于大口径非球面镜的研抛CCOS同样存在加工效率低的问题。此外，研抛盘随着工作时长的增加会发生磨损，进而导致去除函数无法保持长期稳定，对精度也有一定影响。
02应力盘抛光技术
为提高小磨头在非球面光学元件加工过程中的加工效率，通常会选用更大尺寸的磨头来实现高去除量，常用磨盘作为大尺寸磨头。但是，由于较大口径的磨盘与非球面光学元件的吻合度不大，导致无法完成高精度的加工。针对这一问题，科学家们将目光放到了对磨头（抛光盘）的优化上，开发了应力盘抛光技术。
应力盘抛光技术是对研抛盘进行能动变形再对工件进行抛光的技术，具体来说是在应力盘径向平移和旋转的动态研磨抛光过程，由计算机实时控制应力盘，使盘面产生动态形变以与被加工非球面的理论面形吻合，从而保证在主动盘加工过程中磨盘与非球面贴合，更加稳定地去除材料。
与CCOS技术相比，应力盘抛光技术具有较高的加工效率，且可优先去除表面高点，修正平滑局部中高频误差效，可使得磨制的镜面在较大的空间频率范围内自然平滑，非常适合大口径光学非球面的加工，使目前实现2m级、4m级甚至8m级主镜高效高精度加工的主要技术之一。不过，由于需要调整驱动器改变弯矩、扭矩使应力盘始终与工件表面贴合，控制较为复杂。
03气囊抛光技术
气囊抛光仍然采用CCOS的基本修形理论，采用的抛光磨头为具有一定压力且表面粘附了一层聚氨酯抛光垫的柔性气囊。抛光时，可根据被抛光光学元件尺寸、面形，实时调节气囊内部气压，使得抛光磨头与工件表面几乎完全吻合，保证光学元件上的局部抛光区的去除函数相同，可以有效地提高表面粗糙度及控制加工后面形精度；同时气囊抛光的的整个过程由CNC系统控制，以“进动”方式（类似陀螺运动方式）按照设定路径速度和压力对工件实施抛光，参数灵活可控，确保了在抛光过程中材料去除的稳定性。
气囊抛光机结构及原理
目前，在光刻物镜的加工中，气囊抛光技术已经作为离子束抛光前期的主流加工技术。但是由于气囊抛光的抛光斑尺寸小、材料去除率小，在加工米级以上的大口径非球面时所需的加工时间很长，并且容易产生中高频误差。
04磁流变抛光
磁流变抛光技术是一种融合了电磁学、分析化学和流体动力学等理论的新型加工技术，其“抛光磨头”为磁流变液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑特性的“柔性抛光模”，其形状和硬度均可由磁场实时控制。抛光时，磁流变液形成的“磨头”在接触区域形成剪切力，调整工件的旋转角度和速度可实现工件表面材料各向均匀去除，得到光滑表面。
磁流变抛光装置结构（a）及原理（b）
与传统加工方法相比较，磁流变抛光法可以通过调整磁场强度，引起固化磁流变液形状和硬度的变化，实现光学元件的定量去除具有很高的抛光效率，而且被加工光学元件表面不会随着应力的改变而发生形变，可避免下表面破坏层的产生，能够确保获得很高的面形质量；此外，由于磁流变形成的抛光头不会出现磨损的现象，因此保证了去除函数的完整连续性。然而磁流变抛光只适用于任意曲率半径的凸曲面，对于凹曲面，其曲率半径要大于抛光轮的半径。目前美国QED公司，已经研制出了2m∼4m加工 口径的磁流变抛光设备，并已用于大口径天文光学非球面镜的高精度加工。
05磨料射流抛光
磨料射流抛光是在纯水射流技术基础上发展而来的一种针对复杂光学曲面加工的先进抛光工艺，原理是利用喷嘴喷射出混有磨料粒子的高速抛光液作用于光学镜头表面，粒子间的高速碰撞和剪切可使得材料快速去除，获得较高质量的表面，具有加工柔性高、无热损伤、操作灵活、无磨具损伤等优点。
由于普通的液体可控性仍然较差，还可采用磁射流液代替普通的磨料射流，在磁场作用下取得较好的稳定性，进一步减少边缘效应和亚表面损伤，在大型非球面的二次修形中有很大的应用空间。
（a）普通磨料射流；（b）磁射流液；（c）磁场下的磁射流液
06离子束抛光
离子束抛光可实现原子量级上无应力、非接触式的抛光效果。其原理是在真空状 态下利用离子源发出具有 一定能量与空间分布的离子束来轰击 光学镜片表面，光学表面的原子在获得足够大的能量后将 摆脱表面束缚，发生物理溅射效应而实现原子级的抛光。
离子束抛光原理
由于具有抛光精度高、无亚表面损伤、高稳定性等优点，同时加工中不存在边缘效应以及表面 和亚表面损伤的问题，离子束抛光与磁流变抛光被公认为近三十年来在光学加工领域*为**的两大技术。不过作为一种原子量级的抛光技术，离子束抛光的去除效率较低，适用于大口径非球 面镜实现*终高精度面形要求。目前利用离子束抛光制造非球面的光刻物镜，其面形精度RMS已经可达到1nm。
07激光抛光
使用激光对材料进行去除时，有两种作用机理：一种是采用纳秒或皮秒激光，利用激光的热效应，使工件表面相对高峰区域的材料在激光的作用下熔融，并在表面张力的作用下流向相对低谷的区域再凝固，从而提高金属表面的面形精度，这种抛光也叫热激光抛光，具有较高的去除速率，但对材料的热冲击较为明显，限制了加工的精度；另一种是采用飞秒激光利用激光的光化学效应，工件表面材料由于吸收了激光的光子，导致化学键断开或者晶格结构破坏，从而实现 材料去除，与热激光抛光相反，这种冷激光抛光不会给周围的材料带来热影响，精度高，但去除速率也较慢，在大口径非球面镜的抛光应用上受到限制。
热激光vs冷激光
小结
非球面光学镜片通过设计不一致的曲率半径，能够为光学系统带来近乎**的成像，但也给抛光工艺带来了极大的挑战。因此，光学加工需要广泛吸纳光学、电学、电磁学、流体力学、分析化学、机械设计、自动控制、计算机技术等先进科学，才能适应现代光学制造的发展要求。
目前，基于弹性力学基础理论的应力盘抛光技术等是实现大 口径光学非球面镜高效率研抛的主要手段，而基于多能场的磁流变抛光技术、离子束抛光、激光抛光技术等则是实现非球面镜高精度修形的必要手段，如要保证现代光学制造高效率和高精度的要求，则可采取多种加工技术的组合。
英国TAYLOR HOBSON的光学测量仪器，可以对非球面光学镜片、自由曲面光学镜片等进行**的面型测量。相关仪器有：PGI OPTICS、PGI FREEFORM、LUPHOSCAN等，是行业公认的标杆品牌。
如需进一步了解产品及应用，请通过下面方式联系我们。
上海浦量元精密机电有限公司
TEL:
E-mail:mail@shply.com
www.shplytech.com.cn
