光学设计中的非球面制造工艺（珍藏版）

作为光学设计工程师，可能非常喜欢在设计中使用非球面。

这样就确实很需要系统了解非球面的制造工艺，因为这对设计工作至关重要。

要不然兴致勃勃设计完成之后，成本太高或者根本就加工不出来，那岂不是如镜中花水中月，美好就在眼前，可是就是得不到。

为了让你快速建立起各种非球面制造工艺的整体概念，我们今天就带大家学习非球面非常关键的4种制造工艺。

它们是精密玻璃模造、精密抛光、混合加工和塑料模造。

先直接用表格汇总四种主要工艺的核心特点、适用场景和优缺点。

接下来，我们工艺细节深入讨论，详细了解一下每种工艺的具体流程和关键技术。

这是一种将玻璃毛坯在特定温度（通常在玻璃的软化点附近，需490℃以上）和压力下，在精密模具中成型为所需非球面形状的热加工过程。

其主要流程包括：

关键技术在于模具与工艺控制：

这种工艺有很高的初始启动成本，因为它必须使用高度耐用又能保持表面光滑的材料进行高精度加工。

除了生产出所需的非球面面型之外，还要能够避免可能发生的任何收缩。

不过，当模造完成之后，其制造每个透镜所需的边际成本都会低于标准制造技术的边际成本，因此，它特别适用于需要进行大批量生产的场合。

针对不同需求和工件，精密抛光发展出了多种技术：

数控研抛：基于计算机控制，使用小尺寸工具头，通过自动控制其驻留时间、压力等参数实现确定性的材料去除，适用于非球面。
磁流变抛光(magneto-rheological finishing, MRF)：利用磁流变液在磁场中变硬的特性形成”柔性磨头”，能自动适应工件曲率，易于获得高表面质量（粗糙度可达纳米级），常用于硬脆材料光学元件如碳化硅的最后精加工。

相较于标准抛光技术，MRF技术可精确控制去除位置同时拥有高去除率，因而能够在较短的时间内实现高性能抛光。
组合抛光：例如对于碳化钨小口径非球面模具，可先采用小球头接触式抛光快速修正面形并降低粗糙度，再用磁流变抛光进一步改善表面质量。这种组合能兼顾效率与精度。

混合成型的方案我是在国外某供应商镜片图纸上看到的工艺，非常新颖。

最初也咨询过国内的一些头部镜片供方，均表示没有相关工艺能够达成这种加工要求。

到底是什么方案这么神奇呢？

我们先来看一下他们官网公布的图纸中的第6项备注：

这个方案是以消色差透镜的一个标准球面（平面）为基底，通过包含了一薄层光敏聚合物的非球面模造，将该球面表面压铸成型，最终生产出一个非球面表面。

据了解，这项技术采用一个钻石磨砂非球面模造和一个玻璃消色差透镜（当然也可以使用其他类型的单片透镜和双合透镜）在非球面模造内注入光敏聚合物，再让非球面模造将球面表面压铸成型。

最后，此技术通过在室温压缩和UV固化这两个表面，产生一个非球面消色差透镜。

该透镜的光学属性结合了其所组成部件分别所展示的光学属性：消色和球面像差校正。下图是这种混合透镜的制作过程。

混合成型非常适用于高批量高精密的应用，这些场合除了需要极高性能之外，也可以通过批量生产所获得的成本节约抵消其高初始工具成本。

精密光学塑料注射成型技术原理是利用注塑机将熔融的光学塑料注入到精密的模具型腔中，经冷却固化后成型。主要步骤包括：

技术核心在于模具、材料与工艺控制：

模具：模芯通常需要超精密加工（如单点金刚石车削）以确保面形精度，并对模芯表面进行镀层保护（如类金刚石膜）。
材料：常用的光学塑料包括PMMA、PC、COC等，选择时需考虑其光学、机械及热性能。
工艺控制：熔融温度、注射速度、保压压力和冷却过程都直接影响零件的残余应力、面形精度和光学均匀性。通过仿真（如COMSOL）优化这些参数至关重要。

相对于玻璃，塑料的热稳定性和抗压性较差，因此需要经过特别处理以得到等同的非球面透镜。

然而，塑料的优点是重量轻、易成型，并可以与一个固定件集成，得出一个单一的模块。

虽然光学质量的塑料的选择有限，但塑料非球面透镜的成本低、重量轻，因此有些应用会使用这种设计。

了解了这些工艺后，在实际项目中，该如何选择加工工艺，是不是就轻而易举了。你可以从以下几个方面权衡，选择最合适的工艺：

性能指标：对面形精度和表面粗糙度要求极高时，优先考虑精密抛光或玻璃模造。塑料模造受材料性能和成型过程中残余应力的限制，精度和稳定性通常略低。
材料限制：系统指定使用玻璃或塑料材料时，选择相应模造工艺。若材料为碳化硅等硬脆材料，则精密抛光是常用方案。
成本与效率：追求极致的单件成本和生产效率，用于亿级产量的消费电子领域，塑料模造是首选。玻璃模造次之。精密抛光成本高、效率低，适合小批量高性能场景。
零件特征：对于高陡度、大非球面度等复杂形状，常规工艺难以应对时，可考虑混合加工方案。

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