[翻译]非球面光学元件的制造技术

第一篇关于非球面光学的论文是近 400 年前发表 从那时起 非球面光学系统的计算理论 不断发展 光学元件的主要优势在于他们可以出色的汇聚平行的射线束于一点而没有任何 发散 出于这个原因 如果使用了非球面元件 光学系统中镜头的数量可以大大减少 这 是所有使用非球面光学系统的光学设计师的梦想 在我们日常生活中的许多领域都可以发现驱动因素 隐形眼镜的镜片或渐进焦距镜头就是 典型的应用 如 万里路 通过配备非球面光学仪器 天文研究也有很多突破 现在的 人们满足非球面光学全方位的应用于电信 摄影 视频 和数据存储 甚至在维和行动中 在半导体行业 光学平板刻法几乎可以已达到物理极限 在非球面光学元件的帮助下 光 学实验室已经证明临界尺寸远远低于 100nm 非球面光学元件作为一个有利的工具将帮助 研究人员在未来达到临界尺寸为 30nm 表 1 显示了不同应用的精度要求摘要 非球面光学系统的成功关键是他们的质量和成本 非球面的质量如果不够好 就只能用于 特定的应用中成功 这意味着必须达到形状精度和表面纹理应用的技术要求 在很久以前 非球面光学系统的优点就已众所周知 但其广泛的应用是 30 年前左右才开始的 上世纪 七十年代后 非球面光学元件制造技术开始迅速提高 其原因在于数控机床和三坐标测量 机的使用 非球面表面可达的形状精度增加到从几微米到约 1nm 的均方根值 通常加工非球面的办法是直接机器加工 图 1 显示了这种技术的过程链 建立一个非球面发生器和抛光机的这条产业链的主要部分 根据工件的材料 产生装置可 以是金刚石车床或磨床 CNC 控制机可以处理非球面的理论数据 控制刀具与工件的接触 点 一些磨床都配有两个磨削主轴 他们能够在不改变砂轮的情况下用一个预磨轮和一个 磨砂轮来磨一个非球面 他们还可以进行倒角和中心操作后直接加工非球面轮廓 这种机 器具有很高的加工精度和生产率 因此 他们可以用合理的成本生产非球面 抛光机有 2 个或 3 个 CNC 控制轴 通常采用子孔径抛光工具 它的旋转轴被控制以保持 正常的非球面轮廓在旋转轴工具的中间接触面 粘弹性层被分配在抛光垫和工具体的之间 以提高在该工具的接触面积的压力分布 大直径的工具将被用于在很短的时间预抛光来实 现良好的表面粗糙度 小直径的工具将被用于矫正形式的错误 图 2 显示的工作区磨和抛 光机 计量是另一个非球面光学元件进程链中的关键组成部分 三坐标测量机用接触式探头 CMM 主要用于测量地面或钻石表面 市售三坐标测量机的最大精度大约在 0 1 微米范围 它们适合于袖珍摄像机的照明和投影等成像质量要求较适中的设备应用当中 如果极限形 式误差如光刻镜头非常小 则干涉是必要的 现代数字干涉仪能够测量分辨率只有少数激 流形式为 1 纳米的地区错误 直接加工技术的工艺链是很长 现代数控控制机器工作效率仍然很的 但他们是非常灵活 的 即使只用一块开始制造 生产设备可以在很短的时间针对不同种类的镜头而变化 因 此 这项技术被广泛用于生产多种种类并且小批量数目的仪器镜头 如果较大数目相同种 类的镜头被需求 就必须开发替代技术 复制技术只是用于大批量生产 生产的每个类型镜头每年超过 10 万 塑料镜片 还可以 注塑模压或铸造 对于玻璃镜片则需要空压或热压成型技术 图 3 显示了空压工艺的设置 硬金属制成的上限和较低的一部分插入一个空白的压面机的核心 他们有确切的镜头轮廓 作出否定形式 这些部件一般直接加工技术 因为所有的表面都很重要 光学表面另外抛 光 然后在光学表面添加一个特殊的涂层 以防止在冲压过程中玻璃粘上其它东西 冲压 毛坯的原料通常是抛光预制的玻璃 例如一个玻璃球或球形预制镜头或一些其它东西 在 预制玻璃投入加工作区后 整个工作区都用石英封闭 管内的空间 排空后充满氮气 一 个加热系统 例如红外加热器 加热整个形式的零件和玻璃石英管 包括可以形成塑性玻 璃的 T 型区域 然后上下的形式部分被封闭 待冷氮气冷却后开炉 按下玻璃镜片移动到 炉下控制温度梯度冷却下来 一些毛坯冲压的镜片需要集中后 才可以安装在一个光学系 统 大多数情况下毛坯冲压镜片直径需低于 30 毫米 一个形状的精度可以达到 1 8 玻璃类型的选择则相当广泛 因此可以没有困难的满足许多应用的要求 一些实验表明 用直径 80 毫米的镜头也可以进行毛坯冲压但相应的周期则会 延长 一个镜头约花费 18 分钟 毛坯冲压技术最大的成本因素仅是成本上升的开始 除此之外还要准备毛坯冲 压机适当的工作环境 一个洁净的设备室 工作人员必须为这项技术而培训 以了 解所有问题和过程细节的技术 运行成本还有很大一部分是用于形式部分的费用 只有少数用于此目的的材料 由于其硬度 只能非常努力的进行加工研磨和抛 光 有时 反复加工形式部分以达到最佳形状精度的毛坯冲压镜片是非常必要 的 2 3 混合非球面光学 如果所需镜片的数量多到几千 但少于值得使用毛坯冲压技术的镜片数量 则 可应用混合动力技术 图 4 说明了使混合非球面光学的基本思路 为了使用复写混合非球面镜片 我们需要三个基本组成部分 一个具有阴性的 非球面轮廓的非球面主透镜 一个最合适半径和环氧树脂的球形载体镜头 一 滴液体环氧树脂将放在球面镜片 然后冲压在主非球面的非球面层上形成球形 载体镜头 在环氧树脂层固化后主非球面会与环氧树脂层分开 则完成具有非球面层的镜 片制作 复制的混合非球面形状精度达到了微米的几十分之一 这取决于直径和非球面 镜片的分离 这项技术具有的优势 投资开始上升 是不是很高 与相对简单 的设备 就可以开始生产系列 因此 它被广泛使用在照相机和数字投影机的 制造非球面 2 4 修正方法 对于特殊应用中非球面的要求是非常高的 例如天文学或光刻使用非球面 他 们无法实现直接加工或副本技术 这些技术只能做一个基本的表面 之后必须使用特殊的加工方法予以纠正 众所周知的矫正方法是计算机控制的抛光 CCP 磁流变抛光 MRF 和离 子束 IBF 虽然 IBF 必须在高真空条件下进行 而 CCP 和 MRF 可以在正 常的环境中工作 MRF 需要一个特殊的机器处理磁流变液体 工业机器人足够 的 CCP 进程 因此 这些方法适用于某些应用 一般任务通常不试用 表 2 显示了一些由不同的公司所取得的成果的总结 眼镜镜片直接加工 眼镜的发展最近已逐步趋向单体 这意味着每一个镜头必须根据承运人的数据 单独处理 只有直接加工技术 才能这样制作这种镜片 图 5 显示了配电和一 个渐进的眼镜玻璃非球面分离 为了制作这样的镜头 我们需要一种高精度非球面发生器和适当的抛光技术 只有三个数控控制轴的机器 才能在理论上足够生成三维自由曲面 但是 从 技术角度来看 使用四个数控控制轴才能更好的使用非球面生成器 图 6 显示 了一个自由曲面和取得的典型精度非球面生成器 3 2 超紫外线光刻的非球面反射镜 超紫外线光刻为最高要求的质量 由于波长很短 例如一个用于集成电路曝光 的 13NM 镜系统 所有的镜片都是非球面的 它们必须非常顺利并精准的制造 误差需保持在有效值 0 1nm 表 3 和图 7 所示的设置为曝光的 EUV 光刻实验 工具 这些镜子首先直接加工技术制造 然后用不同的技术组合纠正 结果将 在过程中取得 而不是在制造过程结束时取得 4