磁流变抛光MRF | 在非球面光学透镜中的颠覆式创新应用

发布时间: 10月26日 浏览次数:102

 

球体具有一个或多个非恒定曲率的光学表面

用于管理球面透镜系统固有的像差

并减少系统大小和重量

磁流变抛光实现最好的非球面镜片

使医疗设备、国防和安全的能力有了飞跃

 

 

虚拟现实技术(VR)已经研发了至少30年,今年终于起飞了。

 

显示的本质是通过光学系统将屏幕放大并投射到人眼中,人眼所看到的其实是屏幕的虚像如同电影院大屏幕一样,从而营造一种虚拟的沉浸感。而实现VR显示的核心是光学镜片的显现能力,大部分VR镜片都采用非球面镜片,这样可以更加真实的还原我们所看到的世界不会发生局部变形扭曲的现象。

 

除了虚拟现实,非球面透镜还广泛用于手机摄像头模组、监控镜头、半导体激光器准直耦合、激光雷达、激光投影等领域。

 

▴ 图源:PPD

 

非球面透镜(Aspheric Lens)此术语涵括任何不属于球面的物件,即具有曲率半径且其半径会按透镜中心呈现径向改变的旋转对称光学元件。

 

这种透镜具有更佳的曲率半径,可以维持良好的像差修正,以获得所需要的性能。非球面透镜的应用,带来出色的锐度和更高的分辨率,从而能够改善图像质量。同时镜头的微型化设计成为了可能,减少所需的元件数量,同时降低光学设计的成本。接下来我们通过与球面透镜的对比展开其更卓越的显光性能。

 

▴ 球面极限

 

非球面透镜VS球面透镜

 

球面透镜,是指从透镜的中心到边缘具有恒定的曲率,而非球面透镜则是从中心到边缘之曲率连续发生变化。在摄影镜头中,为了保证光学性能,必须校正众多的“像差”。

 

▴ 球面与非球面的表面轮廓比较 图源:Edmund optics

 

运用更多光学元件的光学系统可能会对光学和机械参数产生负面影响,因而带来更昂贵的机械公差、额外的校准步骤,以及更多的增透膜要求。以上所有的这些结果最终都会降低系统的整体实用性,因为用户将必须不停地为其增加支持组件。

 

 ▴ 带有球差的球透镜,以及几乎没有任何球差的非球面透镜 

 

非球面透镜允许光学元件设计者使用比传统球面元件更少的光学元件数量来校正像差,因为前者为他们所提供的像差校正要多于后者使用多个表面所能提供的像差校正。例如,一般使用十个或更多透镜元件的变焦镜头,可以使用一两个非球面透镜来替换五六个球面透镜,并可以实现相同或更高的光学效果。

 

非球面透镜,曲率半径随着中心轴而变化,用以改进光学品质,减少光学元件,因此,在系统中加入非球面透镜,实际上将会降低整体系统设计成本。非球面透镜相对于球面透镜高端应用更宽泛,如数码相机、CD播放器到高端显微镜物镜和荧光显微镜无不见非球面透镜华丽的存在。

 

非球面透镜无论是在光学仪器、成像或是光电子工业,其应用发展都非常迅速,这是因为相比传统的球面光学元件而言,非球面透镜拥有了如上所述的许许多多独特又显著的优点。

 

▴ 光学棱镜与光学透镜 图源:南阳晶亮光电

 

非球面透镜精密抛光成型工艺

 

精密玻璃模压成型、精密抛光成型、混合成型、注塑成型是非球面透镜的四大成型工艺。精密抛光成型非常适用于定制化或小批量生产,因为交货时间短、只需少量特殊工具和设置。精密抛光的非球面透镜适用于条件最为严苛的应用,其设计旨在制造达到衍射极限的光斑尺寸的同时提供高数值孔径。

 

▴ 图源:PPD

 

传统的磨砂、研磨和抛光一般适用于一次生产单片非球面透镜的场合,随着技术的提高,抛光精度越来越高,就催生了更为精密的抛光技术及其组合。

 

非球面透镜常被用于准直光纤或者激光二极管的输出光,它们的表面采用消球差设计。因此,为了达到衍射极限性能,透镜需要满足两个要求:设计时必须消除像差,执行设计时不能有任何造成波前畸变的制造误差。与模压非球面透镜相比,精密抛光的非球面透镜尺寸更大,提供更好的表面质量。数控(CNC)与磁流变抛光技术(MRF)或两者的组合应用成为非球面透镜精密抛光的先进技术,其中MRF抛光的非球面透镜可得到真正的衍射极限光斑尺寸和最小的波前误差。

 

 ▴ 计算机控制抛光(左) 磁流变抛光(右)

 

▴ 衍射极限非球面透镜,高精度,MRF抛光 图源:THORLABS

 

过去数年来,一次生产单片制造加工非球面透镜的过程并没有巨大的改变,但是重大的制造技术进展却提升了此制造技术所能实现的最高精确度。最显著的是,经计算机控制(CNC)的精密抛光能够自动调整工具驻留参数以便为需要较多抛光的高点进行抛光。

 

如果需要更高品质的精密抛光,则可使用磁流变抛光技术完善表面。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。其他制造技术一般需要一款特别的模具,而每款透镜均具有其独特的模具,但是抛光却是使用标准工具,因此MRF精密抛光或与CNC结合应用,成为原型制造以及小批量试样的首要选择,适用于光学玻璃和结晶材料。

 

▴ AL2550H非球面透镜的透射波前相比理想情况的偏差。这个样品的畸变少于55 nm。这是通过计算机数字控制(CNC)抛光与高精度磁流变抛光(MRF)达到的。图源:THORLABS

 

MRF精密抛光过程

 

目前,磁流变抛光是一种高精度、高可靠性的适用于光学平面、球体特别是非球面镜片制造的先进子孔径、计算机控制的机械加工工艺。

 

磁流变抛光利用精确干涉测量记录的亚孔径工具在可控和预测的过程中选择性地去除材料,以纠正波形误差的确定性流程,以达到孔径和材料的最高表面质量和亚λ/20的精度。子孔径抛光是指一次从一个区域,而不是从整个表面去除材料。

 

材料去除是用磁流变液进行的,磁流变液是含有可磁化颗粒的悬浮液和低渗透基液中的一种抛光剂。光学元件放置在离旋转轮一定距离的地方,旋转轮将电磁铁固定在其表面下。磁流变液通过喷嘴施加在旋转轮上,由于磁场的作用,颗粒被拉到车轮表面,从而在流体表面形成抛光层。通过先进的算法控制工件的位置,使工件能够被局部加工以获得更大的灵活性。

 

▴ MRF 机器能生产准确度超过 λ/20 的高精度平面、球面和非球面。除了对旋转对称零件进行抛光外,它们还可以使用光栅刀具路径例程对矩形和多边形表面进行抛光,从而实现表面图形校正和角度校正。了解光学表面的性能后,利用专有的光学校正软件,采用基于 MRF 的抛光诱导表面误差,以校正总透射波前误差 图源:Edmund optics

 

MRF计算机控制的确定性处理可以消除和完成光学表面精加工所需的许多必要手工步骤。光学形状轮廓直接从一系列先进的三维测量平台输入到基于MRF机器的软件中。以一致、可靠的方式将数据从先进的测量系统传输到基于MRF的抛光例程,在平面、球面或非球面表面上打造令人惊叹的效果。

 

使MRF技术与众不同的是精度适合最苛刻的应用程序,同时保持生产时间和低成本。MRF完成后的光学可使图形误差降至1nm均方根,中空间频率误差可达1mm,表面粗糙度可降至1nm。MRF也是一个稳定和可重复的过程,确保了单元和连续生产的高产量和高吞吐量。在使用 MRF 技术时,不存在与精密光学表面相关的猜测、漫长反复的处理步骤和成本高昂的经验性劳动。

 

MRF在光学中的创新应用

 

1974年,一位出生于乌克兰的白俄罗斯科学家威廉·科顿斯基开始了他的磁流变流体研究工作。不过,他的研究与光学几乎没有关系。然而,在1986年,他了解到航天器项目需要为了监视目的的非球面光学。因此,四年后,第一台MRF机器在白俄罗斯明斯克投入使用。这是MRF非球面透镜修整在光学领域的首次应用。

 

尽管如此,直到1998年MRF才实现第一次商业应用。美国的研发工作才进行了近十年。随后,研发工作继续进行并使磁流变抛光成为集电磁理论、流体力学、分析化学等应用于光学表面加工的一项综合技术。今天,MRF技术被越来越多的原始设备制造商和对高性能光学感兴趣的公司重点关注。

 

▴ 图源:Optimaxs

 

MRF技术为各种光学的精密抛光和校正提供了灵活性,从经典的几何形状(如球和平面)到复杂的几何形状(如非球面光学或自由光学)。无论是创造新的组件或纠正现有镜片或像差,这种多功能性反映在广泛的应用,最典型和最早期的例子就是为以往抛光方法无法实现的非球面透镜提供了一种高精度和可自定义设计的非球面光学精密抛光方法,提供最低的波前误差,可以代替多球面透镜,从而在安防、医疗设备、科学设备、高功率激光、地球空间、军事国防等应用领域产生了更轻、更小、更实惠的光学系统。

 

生命和卫生系统是MRF的主要应用市场之一,是光学复杂的分析和临床应用的推动者。这包括范围广泛的仪器,如显微镜、光谱学、分子成像、0CT、X射线和还有更多应用。

 

▴图源:北醒光子

 

激光雷达(光探测和测距)系统是MRF近未来应用最受瞩目的前沿领域之一。激光雷达技术已形成数十亿美元的市场,MRF为其未来几年的动态增长做好准备。它用于自动驾驶汽车和先进的地图解决方案。由于精度和分辨率是距离和距离测量的关键要求,特别是在涉及到用户安全的情况下,光学的性能公差是非常严格的。MRF将大有希望助推激光雷达、自动驾驶和地球空间的颠覆式创新发展。

 

上海国际去毛刺&表面精加工技术展览会

2021.12.22-24

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