非球面镜抛光系统研制
非球面镜抛光系统研制
广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂
本中心累积了二、三十年的光学组件设计及加工技术，除对于镜片制造与检测相关仪器逐步更新外，亦保有传统高精度的研磨、抛光机台，因此光学镜片制造相关技术能量相当完备。加上近年来本中心光、机、电及仪器整合技术之发展已奠定良好之基础，且长期发展项目之一为自主研发精密光学系统及组件的制造技术，在固有光学组件制造能量基础上与不断地研发使命下，今年已有良好成果产出。
图一、负形抛光法示意图
随着光电产业近年来蓬勃发展、产值不断地升高，光电组件需求愈来愈殷切，光学玻璃镜片即是其中之一。光学玻璃镜片依产品性质可大略分为折射组件 (透镜、棱镜)、反射组件、绕射组件与混合组件 (hybrid) 等，其材料的使用及制造方式皆有所差异。尤其近来对非球面光学组件的应用愈来愈多，需求量亦愈来愈大，此乃因为非球面光学玻璃镜片具有良好的成像质量、减少系统组合镜片数目、降低成本等优点所致。有鉴于非球面光学组件广泛之应用需求，本中心整合光、机、电技术之基础，研发一非球面负形抛光系统，以利非球面光学组件之制作。
现有非球面抛光技术包括机械抛光、机械化学抛光、浮动抛光 (float polishing)、弹性溅射抛光 (elastic emission machining)、磁流抛光 (magnetorheological finishing)、离子束抛光 (ion beam milling) 等，相对于常用的抛光材料各有其优缺点。本中心结合机械抛光和浮动抛光技术，研制非球面负形抛光系统。此非球面负形抛光系统设计特点是将负形抛光法结合高精度抛光机而成。其中负形抛光法之原理为依照非球面镜外形设计一负形钻石砂轮抛光头，将负形抛光头与抛光液一起贴着镜片表面，如图一所示，藉由抛光机主轴摆动微小倾角与位移，达到形状精度修正和迅速研磨、抛光的目的。
为使负形抛光法能够发挥其机制，故抛光机台以此负形抛光法为考虑而设计，且为获得高刚性的结构，非球面抛光系统的结构在设计上力求简化。因为增加过多结构数量和力的传递组件，会导致尺寸误差增加、弹性位移量变大和刚性降低。另外结构愈复杂，作用力在传递过程中受到弹性变形和热的影响，运动误差就会愈大。其中抛光系统基本构造如图二所示，它是以精密主轴、精密滑座、支撑件、倾角机构和共轭凸轮摆动机构为核心，相关零组件设计分析如下。
- 精密主轴：主轴组件工作时因摩擦产生的热量，在热量传递的过程中，由于各部位散热条件不同，容易使主轴回转精度产生热飘移，因此限制径向回转精度 ≤ 5 µm，轴向回转精度也必须 ≤5 µm。另外，为了适应精密抛光制程中各种转速的需求，主轴在设计上会搭配变频器调整转速。
图二、非球面负形抛光系统基本构造示意图
- 精密滑座：采用精密直线滚珠导轨提高传动速率，因传动过程中有数个滚珠同时接触，误差被均化，整体机台精度得到提升。
- 支撑件：抛光机支撑件包括床台、立柱、横梁。支撑件的重量往往占机器总重 50% 以上，因此在满足刚性的要求下，可节省金属材料。另外，支撑件材料采用铸铁制造，由于铸铁组织中的片状石墨具有阻尼作用，抗振性会比钢好。
- 倾角机构：为了试验各种非球面负形抛光方式，系使用蜗杆与蜗轮设计一套角度倾斜机构。其特点为不易倒行、工作时发出声音极小和速比相差很大，非常适合应用于负形抛光方法。
- 摆动机构：由两片平板凸轮和一个滚子分层均匀的从动盘构成共轭凸轮机构。其主要技术特点是采用了凸轮连磨技术，即两片凸轮做成一个整体，凸轮数控研磨时用一个程序连续研磨，避免了二次定位误差，提高了凸轮的定位精度。此外，为了便于装配和间隙调整，采用了箱体偏分结构和凸轮轴偏心支撑结构。共轭凸轮分度精度最高可达 15"、最高输入转速 1000 rpm、使用寿命约 3500 hrs、热效应 30 °C 和工作转矩 1 – 2000 N⋅m。
结合负形抛光法以及相对应的抛光系统而成的非球面负形抛光系统，未来将可大量用于非球面光学组件之制作。以往传统非球面镜片制作方式为成型、研磨、抛光、定心，但由于镜片表面的曲率不同，无法以球面模具来矫正其形状精度与表面粗糙度。因此其制作流程中研磨与抛光制程需改用小面积接触或类似车削的方式作研磨、抛光。
首先以不同粒度的研磨粒 (#500、#800、#1200) 逐渐移除刺孔与刀痕，直到镜片表面质量均匀，再改用氧化铈抛光液进行抛光。此制程由于无法以大面积研磨、抛光及矫正形状误差，致使非球面镜片的制作时间远较同尺寸球面镜为长，且难控制其表面精度。
藉由非球面负形抛光系统，在镜片成形之后进入研磨的制程，即可用非球面负形抛光头对其做大面积的形状精度修正，更换负形抛光头之钻石粒度来去除镜片表面的砂孔与刮痕，达到研磨的效果，并进一步使镜片表面质量均匀。
进入抛光制程后，选用钻石粒度更细致之负形抛光头，并加入抛光液，藉由抛光机台控制抛光头的微倾角与摆动对镜片抛光。如此可缩短传统非球面镜片制作的时间，提升制作效率。此外，在研磨与抛光的制程中，可用表面轮廓仪检测非球面镜片之形状误差，判断所需修正误差的位置与所需时间，将参数输入此非球面负形抛光系统，进行非球面负形抛光法之补正抛光。
结合光、机、电等技术整合而成之非球面负形抛光系统具有成本低、操作简单、可对非球面镜片快速抛光、快速修正镜片形状误差等优点，有利于批量大之生产制程，改善以往非球面镜长时间的制作流程。此系统为第一代的抛光模型，在机构设计、人机接口与抛光方式相信均有可改善之空间，本中心将不断进行测试与实验，将结果作为发展第二代系统之基础，朝向自主研发高精密光学组件制造系统而迈进。
仪器工程组 余宗儒、曾释锋
