全球頭條：實(shí)現(xiàn)光學(xué)自由曲面“制造自由”
高端裝備產(chǎn)業(yè)，是穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的重要一環(huán)，在經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)鏈條上起著承上啟下的作用。
(資料圖)
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(xué)成像系統(tǒng)作為高端裝備的“眼睛”，逐漸向高集成、高精度、高性能方向發(fā)展。天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院房豐洲教授團(tuán)隊經(jīng)過多年不懈努力，攻克了新一代光學(xué)元件自由曲面的設(shè)計、加工、測量及應(yīng)用等一系列技術(shù)難題。其成果“自由曲面光學(xué)系統(tǒng)制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”近日獲得2022年度天津市科技進(jìn)步特等獎。
光學(xué)自由曲面好用難制
如今，空間遙感、全景成像、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)顯示、激光掃描、智能投影等重點(diǎn)領(lǐng)域都需要依賴高端的光學(xué)系統(tǒng)。
“往往越是高端應(yīng)用需求，光學(xué)系統(tǒng)越離不開關(guān)鍵零部件的高精度制造。”房豐洲說。
通過對零部件制造現(xiàn)狀的調(diào)研，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)零部件制造發(fā)展呈現(xiàn)4個趨勢：精度越來越高、形狀越來越復(fù)雜、尺度往極小和極大兩個極端發(fā)展、材料種類越來越多，尤其是新材料層出不窮。
光學(xué)自由曲面作為新一代光學(xué)元件，在眾多新材料中脫穎而出。
“光學(xué)自由曲面是一種非回轉(zhuǎn)非對稱的光學(xué)表面，即任意形狀的光學(xué)表面。”團(tuán)隊成員、天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授張效棟介紹，它可以通過局部調(diào)整對像差進(jìn)行針對性的補(bǔ)償，使得原本需要使用十幾片傳統(tǒng)元件的系統(tǒng)，現(xiàn)在使用二三片自由曲面就可以實(shí)現(xiàn)，并且成像質(zhì)量可以達(dá)到近乎完美，還可同時滿足光學(xué)系統(tǒng)的高性能輕量化和小型化要求。
但這種“自由隨性”的光學(xué)表面也是一把“雙刃劍”，非常難以“駕馭”。“光學(xué)自由曲面在光學(xué)設(shè)計、加工機(jī)理、加工工藝和方法等全流程環(huán)節(jié)都異于傳統(tǒng)光學(xué)元件，尤其對精度要求更高，導(dǎo)致其超精密加工極其困難。”張效棟感嘆說，這也使得光學(xué)零部件高精度制造極其困難。
高精度加工需破“三大難關(guān)”
“表面質(zhì)量、形狀誤差、應(yīng)用性能是評價自由曲面加工和應(yīng)用效果的三個重要參數(shù)。”團(tuán)隊成員劉現(xiàn)磊表示，要想駕馭光學(xué)自由曲面，就需要先過這三個技術(shù)難關(guān)。
“表面質(zhì)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(zhì)量越好。”劉現(xiàn)磊介紹，表面質(zhì)量差會造成系統(tǒng)性能下降。尤其是在重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的零部件經(jīng)常會使用硬脆材料，在加工中易產(chǎn)生碎裂，使得表面質(zhì)量和應(yīng)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(tuán)隊對材料切削去除過程進(jìn)行了深入分析，在技術(shù)上掌握了國際上最高水平的1納米材料穩(wěn)定無損傷去除技術(shù)。同時，為了提升制造效率，團(tuán)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?yōu)榉蔷顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)了更大去除量的穩(wěn)定無損傷去除，刀具損傷顯著降低。利用這一技術(shù)，團(tuán)隊首次實(shí)現(xiàn)單晶硅、鍺及磷化鎵等光學(xué)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(tǒng)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(tuán)隊設(shè)計了自由曲面加工路徑，對加工刀具位置坐標(biāo)進(jìn)行精確計算，使得刀具沿著曲面形狀運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)光學(xué)自由曲面高精度切削成形。“類似畫圓，我們需要精確計算圓上的點(diǎn)，沿著點(diǎn)連線即可得到一個圓。”劉現(xiàn)磊解釋說。
同時，針對加工中存在的制造誤差，團(tuán)隊提出了表面面形主動被動測量相結(jié)合的精度提升策略，對機(jī)床系統(tǒng)誤差進(jìn)行主動補(bǔ)償，對加工后表面進(jìn)行在位測量再補(bǔ)償，使得形狀精度提升近10倍，達(dá)到亞微米級，也就是一根頭發(fā)絲直徑的1%。
“就像人的眼睛用久了以后可能存在近視、遠(yuǎn)視等問題，需要佩戴合適度數(shù)的眼鏡進(jìn)行矯正一樣，自由曲面的表面質(zhì)量、形狀誤差和組裝精度都會使系統(tǒng)的成像質(zhì)量下降，即應(yīng)用性能變差。”張效棟對應(yīng)用性能難題進(jìn)行了形象的比喻。
團(tuán)隊為此開發(fā)了針對自由曲面面形、表面粗糙度、光學(xué)性能測量系統(tǒng)，形成了多維度測量體系。同時，光學(xué)性能的評測需要比人眼更加客觀、精確與穩(wěn)定的評測手段，團(tuán)隊為此構(gòu)建了“多維度測量+視覺輔助”這一獨(dú)具特色的光學(xué)性能評測方法，攻克了自由曲面產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中元件裝調(diào)難題。
產(chǎn)品應(yīng)用于多個領(lǐng)域
應(yīng)用自由曲面的設(shè)計、加工、測量新技術(shù)，團(tuán)隊率先突破了昆蟲復(fù)眼陣列這一典型自由曲面制造難題。
昆蟲復(fù)眼由許多小眼組成，可以追蹤高速運(yùn)動的物體，利用此功能，可開發(fā)類似于昆蟲眼睛的微透鏡陣列，用于自動駕駛、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。
“但是微透鏡陣列由好多子眼組成，加工路徑是連續(xù)的，但是子眼之間表面不連續(xù)，容易造成加工形狀不理想，尤其是子眼交界處會產(chǎn)生類似于‘褶皺’的表面誤差。”張效棟介紹，團(tuán)隊通過對加工方法改進(jìn)和加工路徑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高精度微透鏡陣列加工，目前該技術(shù)已在自動駕駛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用落地。
該項技術(shù)不僅解決了新領(lǐng)域中的問題，也使一些傳統(tǒng)應(yīng)用中的難題迎刃而解。“激光打印機(jī)很普遍，但掃描模組作為激光打印機(jī)內(nèi)部的精密零件，一直以來被國外壟斷。”房豐洲介紹，其中難點(diǎn)在于光學(xué)鏡片精度要求高但制造難度大，光機(jī)有兩個關(guān)鍵光學(xué)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(tuán)隊和企業(yè)一起，通過非圓區(qū)域面形分解和路徑優(yōu)化等技術(shù)手段，成功制造了打印機(jī)芯自由曲面光路系統(tǒng)，被應(yīng)用于天津市旗領(lǐng)機(jī)電科技有限公司激光打印機(jī)產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)了激光打印機(jī)芯的“全自主開發(fā)和國內(nèi)在該領(lǐng)域的零的突破”。
張效棟表示，團(tuán)隊研制的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)在中國航空工業(yè)集團(tuán)、中國船舶重工集團(tuán)等重點(diǎn)單位、領(lǐng)域得到應(yīng)用，并獲得高度認(rèn)可。其相關(guān)產(chǎn)品在增強(qiáng)顯示、激光掃描、智能投影、自動駕駛等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域成功推廣與應(yīng)用。相關(guān)產(chǎn)品也獲得美國FC和歐盟CE認(rèn)證，目前已進(jìn)軍日、韓、歐、美、印等國際市場。相關(guān)復(fù)雜光學(xué)鏡頭產(chǎn)品占國內(nèi)市場份額一半以上。
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