本文转载自中国光学
光学设计领域的许多人仍然对非球面有着挥之不去的印象，即非球面复杂得令人望而却步，而且制造成本高昂。事实是，尽管球形表面比非球面更便宜，也更容易制造(并且将继续如此)，但在设计、制造和计量方面的进步已经大大缩小了这些产品家族之间的差距。
图[由埃德蒙光学公司提供]
成本差距的缩小意味着设计师们将能够把非球面的优点整合到设计中。这些优点包括:可以提供比传统球面透镜更好的像差校正；可以代替多个球面透镜，从而减少系统的尺寸和重量。
在这个特性中，我们对非球面的制造和计量进行了广泛的研究，尤其关注制造和计量技术。
制造非球面
非球面制造技术可分为两大类：减材法，包括计算机数控精密磨削和抛光、磁流变抛光和金刚石车削；增材法，包括精密玻璃成型、注塑成型和(用于非球面透镜)聚合物成型。
制造方法的选择取决于多个因素，特别是需要的非球面数量。例如，在模制工艺前期，制造模具需要的成本很高。然而，模制工艺适用于大批量生产相同非球面元件。一旦模具完成，大批量的产品便可快速廉价地制造出来，而且模压可以制造出难以或不可能通过减材法制造出来的形状。这包括处理拐点的能力，在拐点上，曲面上的局部曲率半径会突然改变。
塑料注射成型技术是将熔融的塑料推入预成型模具中，它可以进一步降低成本和重量。因其强大的灵活性，它可以把复杂部件直接安装在镜头中。但是塑料部件必须从更有限的材料中进行选择，在高功率激光器等高光能密度环境中不适用。
精密玻璃模塑:将光学玻璃芯加热到足以具有延展性的温度，然后压入非球面模具。
在精密玻璃成型工艺中，因材料的玻璃化转变温度在500°C左右。在精密玻璃模塑中，光学玻璃芯被加热到高温，当表面具有足够的延展性时，就能被压入非球面模具中。一旦核心冷却到室温，镜片就能保持模具的形状。这种工艺也可以应用于混合解决方案中：其中非球面聚合物表面是在现有的球形玻璃表面上成型，创造出低成本，颜色校正非球面。（Hybrid solutions are also available, in which an aspheric polymer surface is molded on top of an existing glass spherical surface, creating low-cost, color-corrected aspheres.）
数字混合聚合物技术:制造混合模制聚合物非球面涉及到在球形玻璃元件上添加模制聚合物非球面。
与精密的模具成型技术不同，减材法非球面制造技术适用于任何类型的玻璃。但这些技术有不同的局限性，基于工具的尺寸-拐点和非常紧密的曲率半径，减材法很难处理。尽管如此，最近在精密研磨和抛光方面的进展显著提高了非球面的精度。
在精密研磨和抛光过程中，只有一小块接触区域(大约几平方毫米)一次被研磨或抛光，以形成非球面。计算机数控(CNC)系统管理该过程，允许形成所需的非球面轮廓线。多次磨削试验优化材料的去除率，减少了磨削结束时的表面损伤。在每个磨削步骤之前，用轮廓仪检查表面精度，以便在下一个迭代中进行修正。
与球形抛光一样，非球面抛光工具覆盖聚氨酯，抛光浆料被喷到未完成的镜片上。与研磨一样，抛光需要多次迭代，每一步之间都要进行修正，以提高表面精度。对于直径为25毫米的非球面，第一步抛光大约需要20分钟;每次修正抛光迭代大约需要10分钟。
虽然这个过程是由计算机控制的，但人工干预并不局限于将非球面多项式输入机器并取出透镜。操作人员必须仔细设定抛光工具、尺寸、料浆类型、料浆pH值、温度和等各种各样的参数。抛光后的peak-to-valley(PV)表面精度通常在1λ。
变得更好:MRF和钻石旋转
为了获得更高精度，还有磁流变抛光(MRF)——终极抛光过程，可以达到更高精度。磁流变液的“工具”是一种含有磨料的流体，它能根据磁场的变化改变粘度，并通过修改外部磁场改变与基体相互作用的工具表面的形状和大小。
MRF是一个计算机控制的、确定性的过程，在这个过程中，先进的三维计量平台不断地监测镜头轮廓，并将信息反馈给MRF控制软件。这项工艺的精度可以达到λ/ 10，这是磨削和抛光工艺的大约两倍。使用MRF抛光的非球面通常需要一到三次MRF迭代，每次迭代需要15-30分钟。磁流变的精度非常高，但它的成本也极高。
抛光:数控精密抛光(左)和磁流变抛光(右)。
如果对精度需求不太高，另一个选择就是钻石车削。这涉及到在表面上做一个锋利的小工具，以达到所需的完成表面轮廓。金刚石车削是一种延性模态的材料去除工艺，在加工过程中不会造成表面下的损伤，不需要抛光。该工艺的刀具尺寸明显小于精密磨削和抛光。
金刚石车削工艺的表面粗糙度值降至30埃，和表面精度达到λ/ 8。但与精密抛光相比，适用于金刚石车削工艺的材料十分有限。特别地，没有一种玻璃可以用这种工艺成形，只有塑料、金属和晶体材料可以。
非球面检测
在光学制造领域有一句话非常很有名:“如果你无法测量它，你就无法实现它。”如果没有计量学的支持，非球面透镜制造的任何进步都没有任何用处。非球面计量学一般分为两大类。
干涉仪——一种快速、非接触式的、精确到波长分量的检测方法——涉及到测量非球面的物理表面轮廓和参考波阵面之间的差异。在大多数情况下，这种测试中使用的参考波前是平的或球形的，相对容易产生。然而，被测非球面产品的复杂形状往往与参考波前有很大不同，干涉图样的边缘变得过于密集导致无法测量和分析。
数字拼接干涉法和零干涉法是测量非球面最有效的测量方法之一。[埃德蒙光学公司提供]
数字拼接干涉法是解决这个问题的一种方法。在这种方法中，对非球面的多个截面进行干涉测量，然后将这些子孔径干涉图连接或“缝合”在一起。即使有缝合，干涉测量法也无法处理拐点，所以有拐点的零件必须用轮廓测量法来测量。由于需要对镜头的多个部分进行测试，因此缝合干涉测量中每个部分的测试时间比较长。
非球面也可以用零干涉法测量，它使用零透镜或计算机生成的全息图(CGHs)来产生参考波前，以匹配所需的(非球面)最终表面轮廓。零透镜是一种球面透镜，或一组球面透镜，其设计的球面像差等于从非球面出发的距离。观测到的干涉量显示了实际非球面和公称曲面之间的偏差。对于CGH方法，在干涉仪的测试光束前面放置一个特殊的板来产生所需的波前。
零干涉测量是昂贵的，因为每个全息图或零透镜必须专门设计，制造出的每个非球面也需要测试。设置它也很耗时，因为它必须小心地对准干涉仪和所有其他参考元件，以及被测非球面。
轮廓测量法是通过扫描透镜表面的接触式或非接触式探头来测量非球面，通常是通过一个或多个穿过透镜表面中心的薄片或螺旋状的薄片。轮廓测量法简单、快速、准确。但它本质上不是一个全表面测量，所以如果切片穿过零件的中心，就有可能忽略不对称表面误差。这个问题可以通过在镜头表面以螺旋模式扫描探头加以避免。
可制造性设计
非球面镜片的几种选择可以使镜片更具可制造性，从而提高产量，降低成本。
透镜的孔径被定义为透镜的直径，必须满足所有的规格。如果非球面的净孔径与其全直径之差小于抛光光斑尺寸，则难以达到精确的表面精度，从而增加了成本。因此，在设计中增加净孔径和全直径的差值是值得的。在非球面磨削和抛光过程中加大镜片的尺寸，并将其逐渐缩小到正确的尺寸，是有益的方法。
非球面中心厚度的紧密公差使得实现高精度表面更加困难，因为每一个矫正抛光步骤都需要去除一层材料。除非中心厚度是关键的，否则值得放宽这个公差到系统真正需要的范围，在抛光过程中允许更多的灵活性。
如果这个比例超过10:1，零件可能在制造压力下轻微弯曲，影响表面精度。减小比例会使镜头的柔韧性降低，提高最终的表面精度。
即使在设计产品的早期阶段，也要记住这些和其他非球面制造和检测过程，这对于一个可制造且成本效益高的产品来说是至关重要的。例如，有时可以在对性能影响最小的情况下消除设计中的拐点，从而使非球面更易制造和检测。
尽管非球面本身很复杂，但在最终设计中通过替换多个球形元件来保持或提高性能，可能会降低最终产品的尺寸和重量。随着非球面制造的工具和工艺的不断进步，在越来越多的情况下，利用这些多功能透镜的优越性能成为可能，而且仍然可以享受更短的交付时间，合理的成本和设计系统的灵活性，减少光学元件的数量。
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