非球面光学元件的快速制造技术

导语：非球面光学元件具有灵活的设计维度和优异的调控性能，如何实现该类器件的低成本、批量化、高精度生产成为目前研究的关键方向。基于此，长春理工大学的薛常喜教授团队近期在《光电工程》发表了一篇综述，探讨了包括精密玻璃模压成型技术和精密光学塑料注射成型技术在内的非球面光学元件的快速制造技术的成型原理、光学材料、模具材料及加工、仿真分析和工艺优化方面的内容，并对未来发展进行了展望。

相较于传统光学元件，非球面光学元件具有更多的设计自由度，不仅能够有效地矫正各种像差，如球差、像散、视场畸变等，还可以同时满足一些理论上相互制约的设计需求，如实现大视场和高分辨率。另一方面，采用非球面元件可以减少系统中的元件数量，顺应了在汽车、医疗、照明等多个应用领域小型化、轻量化的发展趋势。

传统的非球面光学元件制造方法制造成本高，加工周期长，制造精度难以保证，限制了非球面光学元件的广泛应用。随着计算机的发展与普及，先进光学制造技术，如超精密切削、超精密磨削、超精密抛光、精密玻璃模压和精密注塑成型技术等被逐渐应用于光学元件加工中。然而，非球面光学元件的快速制造技术仍然面临着一些挑战和限制：1）高质量的模具设计和精密制造；2）原材料的选择；3）在制造过程中如何控制误差、提高面形精度和稳定性。

表1比较了基于不同的超精密加工技术制造单个非球面光学元件的生产周期和加工精度。其中，精密玻璃模压技术和精密光学塑料注塑成型技术是两类快速复制技术。相较于其他超精密加工方式，具有低成本、高生产效率、高重复成型稳定性等优点，已成为目前大批量小口径高精度非球面光学元件的主要加工方法。如何利用这两种技术加工尺寸较大的非球面光学元件，同时保持元件的高面型精度和低残余应力成为研究人员的关键方向。

文章主要介绍了非球面光学元件的快速制造技术，重点阐述了精密光学玻璃模压成型技术和精密光学塑料注射成型技术的模具制备、原材料选择、仿真分析以及制造过程中的工艺优化和误差控制方法等内容，并将其与其他超精密制造技术对比。最后总结了近年来非球面光学元件快速制造技术的研究现状，并探讨其中的关键问题和挑战。

1.精密玻璃模压技术

精密玻璃模压成型（Precision glass molding, PGM）技术是一种通过使用精密模具在高温下对玻璃预制体进行压缩，从而完整复制出模具表面的高精度面型的加工方法。PGM工艺通常包括四个阶段：加热、加压、退火和冷却，如图1所示。在加工参数和工艺参数确定之后，精密玻璃模压成型机器可以迅速连续生产高精度玻璃元件，单个元件的加工周期可被缩短至70~150 s，适用于大批量光学元件成型。

图1. PGM原理图。（a）加热阶段；（b）加压阶段；（c）退火阶段；（d）冷却阶段

1.1 可模压光学玻璃

PGM的加工材料为玻璃材料，要求其具备高折射率、高阿贝数、低转变点温度、高化学稳定性等优秀的物理特性。其中，可见光波段常使用SiO2等氧化物玻璃材料，而红外波段则使用以元素周期表VIA族元素S、Te、Se为主要要素的硫系玻璃，如图2所示。

图2.光学玻璃材料。(a) 光学玻璃毛坯；(b) HWS系列硫系红外玻璃；(c) 精密玻璃模压成型的非球面透镜