非球面是一种强大的工具，它将多个透镜的光学校正组合成一个元件(图1)，并以球面光学无法达到的方式影响性能。例如，球面可以校正传统镜头固有的球差。在过去，非球面透镜是极难制造的。制造和测试技术的进步大大降低了这种困难，但制造仍然是一个挑战。虽然现在制造球体比以往任何时候都容易，但仍有一些非常昂贵的设计陷阱需要避免。
图1所示 (a)带有球面透镜的双透镜系统与带有单非球面透镜的等效系统(b)非球面透镜通过会聚到衍射极限聚焦点来优化性能
第一个陷阱：光线追踪代码可以生成难以制造和/或测试的形状。第二：光学元件的成本和交付周期在很大程度上取决于制造和测试技术。幸运的是，光学设计师可以通过了解透镜制造过程并在设计优化过程中应用一些简单的约束来避免这些陷阱。
在过去的几十年里，非球面光学的制造有了显著的增长。许多制造和测试的新选择现在是可行的，甚至是司空见惯的。在使用非球面优化设计时，熟悉制造选项至关重要，以便在实现性能目标的同时适当地约束设计，使其成为最可制造的。
非球面透镜是如何制造的
以下是非球面制造与传统球面制造的不同之处：在传统球面制造中，表面由单一曲率半径定义。可以使用大型工具将这种曲率研磨并抛光到表面上，这些工具可以一次加工表面的整个孔径。抛光工具将具有与成品表面相反的曲率，并且通过用抛光介质（如浆料）围绕曲率中心振荡，工具将使表面平滑到所需的形状。
非球面不是由单个曲率半径定义的，因此单个大型工具在表面上振荡时将无法匹配所需的表面（图2）。因此，使用较小的子孔径，改变沿曲面不同点的曲率半径。不同的制造技术以不同的方式处理这些子孔径，每种方法都有其优缺点。
图2:局部曲率半径在非球面上的不同点处变化，而透镜中心的局部曲率半径被定义为顶点半径
计算机数控（CNC）磨削和抛光过程使用光学元件上接触面积较小的工具，在精确的机械控制下引导它们的位置和振荡点。研磨通常是用环形工具完成的——倾斜的旋转环，只在很小的区域接触光学表面。抛光通常使用一个小而柔顺的抛光垫进行，该抛光垫符合研磨阶段产生的形状。
磁流变精加工（MRF）是一种特殊的抛光工艺，与CNC研磨和抛光结合使用，以对表面提供更多的控制。在MRF中，使用一条流体带来抛光表面。色带会随着磁场的变化而改变粘度，因此可以在抛光零件时精确调整去除率，即使在零件旋转过程中也可以进行校正，以校正其上的任何非旋转对称误差。该过程使用一个轮子在任何给定时间使色带的一小部分穿过表面，从而可以校正小面积。
金刚石车削是一种类似的小型刀具选择，它使用单点刀具来制造表面。该工具非常小，可以按照最终表面规格的表面粗糙度去除材料；因此，它不需要单独的抛光步骤。所有这些技术都是减法制造方法，其中材料被去除以形成最终表面。另外，成型可以用来制作表面而不去除材料。
减材制造方法可以实现一些规模经济，但这些方法的效率最终受到过程中每个步骤所需时间的限制。模塑工艺显著降低了每件产品的加工时间和成本。初始成本很高，因为模具很昂贵，所以在小批量生产中很少是经济的；然而，在中到大批量生产中，单件成本的降低速度超过了初始投资。
光学元件成型的两种主要方法是精密玻璃成型和塑料注塑成型。在精密玻璃成型中，玻璃被加热到软化点，并在两个模具之间用力压缩。在塑料注射成型中，液态塑料被压入模具并冷却成固体。
设计特点
每种制造方法都有其独特的优势和局限性。如果设计针对一种制造方法的优势进行了优化（并避免了该方法的局限性），那么使用另一种方法制造该设计可能会很困难。因此，在最终优化之前，确定设计的最佳制造方法非常重要。
材料选择
CNC和MRF与光学玻璃和晶体材料配合良好;然而，它们并不在塑料上工作。金刚石车削适用于晶体、塑料和许多金属。金刚石车削与用于红外光学的材料一起工作得非常好，红外光学对金刚石车削中固有的通常较高的表面粗糙度也不太敏感。
精密玻璃成型仅限于转变温度<500°C且热膨胀系数足够低的玻璃，导致玻璃的选择非常有限。在过去的十年里，这种选择急剧增加，但仍然只占所有可用光学镜片的一小部分。成型过程在短时间内将玻璃从软化温度降至室温，使玻璃退火并降低其折射率。这种下降意味着成品光学元件的索引与玻璃的目录规格不同。在设计精密玻璃成型时，用户需要在他们的模型中考虑这个较低的指标。
顾名思义，塑料注射成型仅限于塑料，选择很少。
曲率半径
不像球面透镜，非球面透镜没有单一的曲率半径。局部曲率半径从零件的中心到边缘变化。这就导致了局部曲率半径可能在表面的不同点上从凸变为凹，如图3所示。发生这种情况的点称为拐点，它可能导致工具和测量出现问题。在Zemax软件中，曲面曲率截面图可以用来检查曲面上的局部曲率半径。检查曲线图可以发现曲线图与零曲率相交的拐点，这可以帮助预测凹半径过小的模具问题。
图3 (a)如果非球面透镜没有拐点，曲率永远不等于零。(b)当非球面有拐点时，拐点发生在曲率等于零的地方——在这个例子中，在9.3 mm孔径处
CNC磨削和抛光以及MRF抛光中的有限刀具尺寸限制了可以制造的凹曲率半径。具体限制因工具而异，但对于大多数机器来说，通常在10到20毫米之间。拐点不一定是问题，但它们可能会产生机器无法处理的局部曲率。此外，MRF要求在任何精加工步骤之前进行详细的表面计量。理想的计量方法是拼接干涉法，它不能测量具有拐点的表面。金刚石车削刀具要小得多，大多数刀具的最小凹半径通常在毫米量级。
精密玻璃成型和塑料注塑成型在局部半径和表面几何形状方面限制较少。两者甚至都可以允许安装功能和其他复杂的形状；然而，尖角会缩短刀具寿命，并在这些过渡附近引入表面误差。
外部尺寸
非球面元件的整体形状——其直径、边缘厚度和整个零件的相对厚度——将以不同的制造方法以不同的方式影响其可制造性。
小型工具抛光零件的边缘厚度很重要，不仅是为了避免边缘碎裂的强度，也是为了在标称边缘之外提供足够的材料，以便将零件抛光到更大的直径而不会耗尽材料。对于CNC研磨抛光，以及MRF抛光，需要将零件抛光到更大的直径。这说明了刀具尺寸，因此抛光工具在抛光过程中不会从表面悬垂(这种悬垂会导致表面形状错误)。
图4 光学元件和光学组件的测试和质量保证可以定制以满足项目要求
通常，在抛光过程中，零件需要比所需的净孔径大约5mm。如果边缘厚度不允许零件那么大，则需要昂贵而耗时的工具来避免表面形状误差。较大的直径随后在抛光后的定心步骤中减小到最终直径。金刚石车削不需要超大尺寸的零件，因为刀具尺寸要小得多。
弹簧系数——元件直径与其最厚点的比率——也是抛光的一个限制因素。该比率越大，零件从抛光夹具中取出时弯曲的程度就越大。CNC抛光比MRF更受此影响。对于CNC抛光，如果需要紧凑的表面形状，弹簧系数小于8是理想的，但如果可以接受较宽松的表面形状的话，这个比率可以上升到20。
图5 库存光学元件可以根据尺寸、形状和边缘进行定制，从而改善光学表面的表面形状或精度
成型过程也限制了元件的最大厚度，因为模具型腔尺寸的限制，这可能因制造商而异。此外，在精密玻璃成型中，厚度影响加热和冷却时间，也将推动零件的价格。
零件的最大和最小厚度之比也是成型的限制因素。精密玻璃成型和注塑成型都需要3或更小的比率。材料中的应力、冷却速率和收缩率等因素导致需要控制整个元件的厚度偏差。
直径很少是抛光和金刚石车削的限制，至少在尺寸超过150毫米之前，制造商的选择可能会受到限制。然而，成型的限制要严格得多，精密玻璃成型和塑料注塑成型的最大部件直径都限制在30毫米左右。
图6 TechSpec®精密非球面熔融石英透镜采用精密研磨和抛光设备制造
安装设计
塑料注射成型和金刚石车削都允许在元件安装特征的设计中具有很大的灵活性。精密玻璃成型具有一定的灵活性，但仍然限制了尖角的锋利程度和厚度的剧烈变化。CNC磨削和抛光以及MRF仅限于在抛光或精加工步骤后去除材料所能完成的工作——一个例子是将平面环磨削到凹面的边缘。
表面精度
每种制造方法在实现设计表面形状的精度方面都是有限的。CNC抛光和精密玻璃成型实现了非常相似的表面精度。金刚石车削也类似，但这种方法有更多的高频误差或表面粗糙度。MRF具有优异的表面精度，但可能存在中等空间频率误差。在这些方法中，塑料注射成型的表面精度最低。
图7 TechSpec®激光线涂层精密非球面透镜旨在最大限度地提高高功率Nd:YAG激光器应用的性能
设计考虑因素
对每种非球面制造方法的快速回顾清楚地表明，没有一种技术可以满足所有可能的需求。与制造商伙伴合作，光学设计人员可以选择符合其主要要求的方法，然后评估设计以进行微小的更改，从而大大提高零件的可制造性。通过这种方式，设计人员可以调整他们的材料选择-例如一般表面轮廓和安装设计-以适应满足零件直径和厚度规格所需的制造方法。然而，这仅仅是个开始。详细的设计规格可以调整，以减轻制造和计量，从而优化可制造性。