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          實現光學自由曲面“制造自由”

          2023年05月19日 12:24:22 來源:科技日報 作者:陳曦

            高端裝備產業,是穩定經濟的重要一環,在經濟和產業鏈條上起著承上啟下的作用。

            俗話說,眼睛是心靈的窗口。高端裝備跟人一樣,需要“眼睛”獲取外界信息,光學成像系統作為高端裝備的“眼睛”,逐漸向高集成、高精度、高性能方向發展。天津大學精密儀器與光電子工程學院房豐洲教授團隊經過多年不懈努力,攻克了新一代光學元件自由曲面的設計、加工、測量及應用等一系列技術難題。其成果“自由曲面光學系統制造關鍵技術及產業化應用”近日獲得2022年度天津市科技進步特等獎。

            光學自由曲面好用難制

            如今,空間遙感、全景成像、虛擬現實、增強顯示、激光掃描、智能投影等重點領域都需要依賴高端的光學系統。

            “往往越是高端應用需求,光學系統越離不開關鍵零部件的高精度制造!狈控S洲說。

            通過對零部件制造現狀的調研,團隊發現零部件制造發展呈現4個趨勢:精度越來越高、形狀越來越復雜、尺度往極小和極大兩個極端發展、材料種類越來越多,尤其是新材料層出不窮。

            光學自由曲面作為新一代光學元件,在眾多新材料中脫穎而出。

            “光學自由曲面是一種非回轉非對稱的光學表面,即任意形狀的光學表面!眻F隊成員、天津大學精密儀器與光電子工程學院教授張效棟介紹,它可以通過局部調整對像差進行針對性的補償,使得原本需要使用十幾片傳統元件的系統,現在使用二三片自由曲面就可以實現,并且成像質量可以達到近乎完美,還可同時滿足光學系統的高性能輕量化和小型化要求。

            但這種“自由隨性”的光學表面也是一把“雙刃劍”,非常難以“駕馭”!肮鈱W自由曲面在光學設計、加工機理、加工工藝和方法等全流程環節都異于傳統光學元件,尤其對精度要求更高,導致其超精密加工極其困難!睆埿澑袊@說,這也使得光學零部件高精度制造極其困難。

            高精度加工需破“三大難關”

            “表面質量、形狀誤差、應用性能是評價自由曲面加工和應用效果的三個重要參數!眻F隊成員劉現磊表示,要想駕馭光學自由曲面,就需要先過這三個技術難關。

            “表面質量反映了零件表面粗糙程度,猶如觸摸皮膚的感覺,越光滑代表表面質量越好!眲F磊介紹,表面質量差會造成系統性能下降。尤其是在重點領域應用的零部件經常會使用硬脆材料,在加工中易產生碎裂,使得表面質量和應用性能下降,就像一塊鏡子上如果有裂紋,最終反射出來的影像將會受到破壞。

            團隊對材料切削去除過程進行了深入分析,在技術上掌握了國際上最高水平的1納米材料穩定無損傷去除技術。同時,為了提升制造效率,團隊提出了離子注入表面改性方法,通過將離子多次注入材料表面,將易碎裂的硬脆表面變為非晶狀態,實現了更大去除量的穩定無損傷去除,刀具損傷顯著降低。利用這一技術,團隊首次實現單晶硅、鍺及磷化鎵等光學晶體自由曲面低損傷切削加工。

            形狀誤差在加工中在所難免,誤差會造成系統成像模糊、存在畸變等問題。常見的平面、球面都具有一個對稱軸,即加工參考,而自由曲面不具有特定的幾何特征,不具備任何參考。

            為解決這一難題,團隊設計了自由曲面加工路徑,對加工刀具位置坐標進行精確計算,使得刀具沿著曲面形狀運動,實現光學自由曲面高精度切削成形!邦愃飘媹A,我們需要精確計算圓上的點,沿著點連線即可得到一個圓!眲F磊解釋說。

            同時,針對加工中存在的制造誤差,團隊提出了表面面形主動被動測量相結合的精度提升策略,對機床系統誤差進行主動補償,對加工后表面進行在位測量再補償,使得形狀精度提升近10倍,達到亞微米級,也就是一根頭發絲直徑的1%。

            “就像人的眼睛用久了以后可能存在近視、遠視等問題,需要佩戴合適度數的眼鏡進行矯正一樣,自由曲面的表面質量、形狀誤差和組裝精度都會使系統的成像質量下降,即應用性能變差!睆埿潓眯阅茈y題進行了形象的比喻。

            團隊為此開發了針對自由曲面面形、表面粗糙度、光學性能測量系統,形成了多維度測量體系。同時,光學性能的評測需要比人眼更加客觀、精確與穩定的評測手段,團隊為此構建了“多維度測量+視覺輔助”這一獨具特色的光學性能評測方法,攻克了自由曲面產業化應用中元件裝調難題。

            產品應用于多個領域

            應用自由曲面的設計、加工、測量新技術,團隊率先突破了昆蟲復眼陣列這一典型自由曲面制造難題。

            昆蟲復眼由許多小眼組成,可以追蹤高速運動的物體,利用此功能,可開發類似于昆蟲眼睛的微透鏡陣列,用于自動駕駛、工業檢測等領域。

            “但是微透鏡陣列由好多子眼組成,加工路徑是連續的,但是子眼之間表面不連續,容易造成加工形狀不理想,尤其是子眼交界處會產生類似于‘褶皺’的表面誤差!睆埿澖榻B,團隊通過對加工方法改進和加工路徑優化,實現高精度微透鏡陣列加工,目前該技術已在自動駕駛領域實現了應用落地。

            該項技術不僅解決了新領域中的問題,也使一些傳統應用中的難題迎刃而解!凹す獯蛴C很普遍,但掃描模組作為激光打印機內部的精密零件,一直以來被國外壟斷!狈控S洲介紹,其中難點在于光學鏡片精度要求高但制造難度大,光機有兩個關鍵光學鏡片,形狀是自由曲面,口徑是長方形,長寬比較大,使得超精密加工效率低,跟理想形狀偏差較大。

            團隊和企業一起,通過非圓區域面形分解和路徑優化等技術手段,成功制造了打印機芯自由曲面光路系統,被應用于天津市旗領機電科技有限公司激光打印機產品中,實現了激光打印機芯的“全自主開發和國內在該領域的零的突破”。

            張效棟表示,團隊研制的自由曲面光學系統已經在中國航空工業集團、中國船舶重工集團等重點單位、領域得到應用,并獲得高度認可。其相關產品在增強顯示、激光掃描、智能投影、自動駕駛等國民經濟領域成功推廣與應用。相關產品也獲得美國FC和歐盟CE認證,目前已進軍日、韓、歐、美、印等國際市場。相關復雜光學鏡頭產品占國內市場份額一半以上。

          [編輯: 陳嘉宜]
          (本文來源:科技日報)
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