非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。本文主要讲关于光学非球面加工的相关内容。

非球面光学零件可以获得球面光学零件无可相比的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，进步系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低本钱并有效的减轻仪器重量。

非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外看远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通讯的光纤接头、医疗仪器等中。

80年代以来，出现了很多种新的非球面超精密加工技术，主要有：计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的题目。前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。

进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、外形、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削(SPDT)的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外．还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。

国外很多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。

我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨产业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。

美国UnionCarbide公司于1972年研制成功了R―θ方式的非球面创成加工机床。这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角θ和半径R，实现非球面的镜面加工。加工直径达φ380mm，加工工件的外形精度为±0.63μm，表面粗糙度为Ra0.025μm。

摩尔公司于1980年首先开发出了用3个坐标控制的M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工直径356mm的各种非球面的金属反射镜。

英国RankPneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈控制的两轴联动加工机床(MSG―325)，该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加工工件外形精度达0.25-0.5μm，表面粗糙度Ra在0.01-0.025μm之间。随后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床，该公司又在上述机床的基础上，于1990年开发出Nanoform600，该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜，加工工件的外形精度优于0．1μm，表面粗糙度优于0.01μm。

代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯．利弗莫尔(LLNL)实验室于1984年研制成功的LODTM，它可加工直径达2100mm，重达4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面粗糙度Ra0.0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红外线装置用的零件和大型天体反射镜等。

英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切削机床，可以加工大型X射线天体看远镜用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm，最大长度为600mm的圆锥镜)。该研究所还研制成功了可以加工用于X射线看远镜内侧回转抛物面和外侧回转双曲面反射镜的金刚石切削机床

日本开发的超精密加工机床主要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜，目前日本制造的加工机床有：东芝机械研制的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田工机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工机床等。

非球面曲面光学零件在现代高能激光武器、惯性约束核聚变点火工程、空天遥感和深空探测以及航空航天精确打击系统中发挥着极为重要的作用，应用范围日益广泛。其中一些系统因使用环境和有关条件（如航空航天对重量、过载、温度环境等要求）限制，对零件材料性能（比刚度、温度稳定性、加工特性等）有着非常严苛的要求。

在这种情况下，传统的非球面光学零件加工方法不仅在时间、效率和成本上远远不能满足要求，更重要的是不能完成像对铍、金、铜等有色金属和许多其他一些材料非球面光学曲面的加工。同时，传统的非球面光学零件加工方法还无法解决复杂非球面曲面零件，譬如自由曲面、保形曲面光学零件的超精密加工技术难题。

为此，迫切需要研究适应快速、高效的现代光学复杂非球面确定性超精密加工技术。另一方面，随着现代计算机技术、超精密测量技术、超精密运动控制技术、各种相关精密元部件制造技术以及小环境控制技术等的发展，也为实现上述要求的现代复杂非球面加工制造技术提供了技术支撑，使之成为现实可能。

非球面光学零件确定性超精密加工技术和装备是现代先进制造技术的典型代表，单点金刚石数控车削（SPDT）机床是现代超精密数控光学加工的最典型、最重要的加工装备。SPDT可实现金属基反射镜、红外材料透镜等非球面、离轴非球面等光学元件的高效、确定性超精密加工。

由于以SPDT为代表的现代超精密数控光学加工装备技术水平对国家的军事和国民经济领域尖端技术的发展具有重大作用，世界发达国家对我国采取了严格的装备禁运和技术封锁。特别是在大尺寸、超高精密、多坐标联动技术产品方面控制方面尤为严格。

近年来，中航工业精密所依托其在超精密加工技术领域的研究基础和传统，开展了“非球面光学零件确定性超精密加工技术和装备”项目研究，突破了大型光学数控加工机床设计、制造及运行环境控制等关键技术，在大承载力、高刚性的超精密立式液体静压主轴技术，大行程、高刚性、无摩擦效应超精密液体静压导轨驱动与控制技术，机床Z轴无摩擦干涉效应的全气浮气缸精密平衡与导轨技术，纳米分辨率开放式高性能数控系统集成技术，机床温度及振动环境精密控制技术以及高品质压力油源、气源供给技术等方面取得了一系列成果，最终研制成功“Nanosys－1000 LODTM数控光学加工机床”及其辅助支撑系统。

该机床通过纳米分辨率的超精密加工运动轨迹控制，用金刚石刀具直接车削成形金属、红外等材料的大型光学零件。该机床可高效地加工传统光学加工技术和装备难以加工或根本无法加工的多种材料（如金属基、红外及KDP晶体等）和复杂曲面（深度非球面、离轴非球面等）现代光学系统元件。

该系统自研制成功以来，经过几年的连续运行、工艺研究及工程应用，整体性能表现良好，精度稳定可靠。2016年，由该机床制造的直径达Φ1000mm的大口径非球面抛物面铝基反射镜参加了第十三届中国国际机床工具展览会（CIMES2016），吸引了现场不少业界人士的关注，也标志着我国利用自主研发的超精密加工设备制造大口径非球面超精密光学零件成为现实。同时，该系统已先后为中国电子科技集团公司、北京邮电大学、中国计量科学研究院和中国科学院物理研究所等科研生产机构解决了不少超精密加工技术难题，包括太赫兹关键技术验证、卡塞格伦太赫兹天线系统及太赫兹通讯系统等，满足了我国国防科技工业尖端装备和民用光电市场的迫切需求，具有重要的军事价值、社会效益和经济效益。

“Nanosys－1000 LODTM 数控光学加工机床”的成功研制和良好运行，表明大口径非球面曲面超精密加工设备制造和工艺关键技术方面取得了一系列重要突破，打破了国外的技术封锁和装备禁运，使我国的非球面光学零件的超精密加工技术水平上跃了一个新的台阶，项目成果达到了同类技术国际先进水平。

非球面

广义来说，非球面是不包括球面和平面的其他表面。从应用的角度来说，非球面可以分成轴对称的非球面、具有两个对称面的非球面、没有对称性的自由曲面。

通常把非球面分成二次非球面和高次非球面。二次非球面在光学系统当中应用最广，相对于其他类型的非球面有着特殊的位置。二次非球面又可以分为：有一对无像差点的非球面和没有无像差点的非球面。前者广泛应用于各种光学仪器当中，是最常见的非球面。后者广泛应用在形成变形像的光学系统当中。高次非球面可以分成单调子午曲线的表面和非单调表面。

非球面透镜，曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。非球面透镜相对于球面透镜具有独特的优势，因此在光学仪器、图像、光电子工业得到了广泛的应用，例如数码相机、CD播放器、高端显微仪器。

非球面透镜，曲率半径随着中心轴而变化，用以改进光学品质，减少光学元件，降低设计成本。非球面透镜相对于球面透镜具有独特的优势，因此在光学仪器、图像、光电子工业得到了广泛的应用，例如数码相机、CD播放器、高端显微仪器。

加工方法的分类和特点

材料去除法：

以铣磨、车削和抛光为代表，主要包 括传统范成法铣磨和修磨抛光；数控铣、车削、精密磨抛；计算机控制抛光等。特别是对于数控抛光，以抛光媒质的不同又可分为小磨具、应力盘、离子束、等离子体、磁流变、液体喷射抛光等。

其特点是效率相对较高、与传统光学加工有互通之处易于被接受、灵活性较高、适合于样件的研制和中小批量生产。但产品的一致性较差，对操作者的要求较高。

模具成形法：

玻璃热压成形、光学塑料注射成形、热沉降和固化成形。其特点是效率极高、成品的一致性好、对操作者的要求较低，适合于大批量生产。但对模具要求较高、初期投入大和工艺流程较为复杂。

附加材料法：

真空镀膜和复制成形。其实质是在最接近球面的基础上附加一层与非球面度和折射率相匹配的薄层材料。其特点工件的一致性好，对设备要求不高，灵活性好。适合于中小批量和反射元件的生产。但由于附加层须与基底材料具有匹配性限制了应用。

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