自由曲面光学引发集成新浪潮

自由曲面光学引发集成新浪

紧密结合的工作流程和精密3D打印技术允许在制造中改变多种元素。

Matthias Beier和Johannes Hartung，德国弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所IOF

金属光学早已经出现在各种工业和商业应用中。最近，自由曲面光学在制造过程中增加了新的选择。随着新材料、改进精密加工以及3D打印技术的应用，金属光学技术已经开启了利用大数据分析的创新设计方法。

通过磁流变光整加工技术进行精密抛光。图片来自参考文献[2]

采用这种创新设计的结果是在航空和激光技术领域使用的新一代轻量级和高度集成光学器件。两个或更多的反射镜和参考元件可以一体加工。具有新颖轻量化或集成冷却通道的仿生衬底设计已成为可能。这些系统可用于卫星任务，也可用于大功率材料处理。德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所IOF(以下简称Fraunhofer IOF)的科学家们开发了一条工艺链，将这种集成的自由曲面光学技术从实验室带到车间(图1)，并成立了一家名为SPACEOPTIX GmbH的初创公司，将这项成果商业化。

图1. 高精度金属光学器件的加工流程。图片来自Fraunhofer IOF。

光学设计注意事项

自由曲面光学可以校正非对称光学像差。这些元件可以缩减工艺，甚至减少所需光学元件的数量。结果，降低了生产的复杂性，并且在大多数情况下降低了生产成本。但是，还需要一些特殊的设计注意事项。例如，通过在镜面上引入不对称特征，就需要具有三个线性轴和一个旋转轴的车削操作(图2)。因此必须相应地考虑从设计程序到车床坐标的坐标转换。所有的抛光工序也需考虑坐标变换。

图2. 金刚石车削同一基板上几个部件的精度仅受刀具精度的限制。图片来自Fraunhofer IOF。

如果要在一块基板上加工多个反射镜，情况就会变得更加复杂，因为这样可以降低例如空间应用的尺寸和成本。在一个装夹基板上加工多个光学元件的另一个好处是减少了车床设置中的对准误差。但是工作空间的几何形状可能会限制选择。如果一个镜面或基准比其他镜面或基准高得多，则可能妨碍车床，导致无法处理较低的镜面或基准。高度限制是精密车床的最大上冲程。设计方法必须相应地进行调整。

一种方法是将在制造坐标中具有最低z值的反射镜直接建立在基板上。完成加工后，再将z值较高的反射镜集成(拧紧)在基板上，以确保正确放置。因此，这两种反射镜都是在同一装夹操作中加工的。该方法也可能有利于和反射镜处于不同高度的参考元件。

第二种方法是假设基片上的所有反射镜几乎都位于同一平面上，并且其曲率相差不大。因此，这些反射镜可以在这套装置中进行加工。现在可以考虑所需的机器速度。较慢的工具意味着较低的加速和较高的冲程。快速工具制造可减少加工时间并减少冲程，因此不对称性应该更低。

光学设计的其他考虑因素可以从参考和度量中得出。必须在光束和其他光学表面之间预留足够的空间，以便将参考元件(相互接触或较大的光学参考)放置在靠近镜面的位置。为了减少后抛光过程中边界效应对表面质量的影响，必须设置一定的边界区域。

机械设计注意事项

在卫星技术上的应用是发展集成金属光学的强大推动力。在这种情况下，生产环境和操作环境之间的温差是很常见的。当光学元件用液氮冷却时，尤其具有挑战性。这种热负荷会产生两个问题:第一，尺寸变化;其次，由于热膨胀系数(CTEs)的不同，不同材料之间会产生张力。后者可能导致涂层弯曲或剥落。

在正常温度下，这种收缩效应可以通过适当的公差来解决。但当冷却到液氮温度时，这些影响远远超过了可容忍值。对热负荷进行预补偿可以解决这一问题。用有限元分析可以计算出器件的收缩和弯曲，还可以计算出冷却后光学器件达到的形状。显然，这种预补偿方法在有固定最终温度的情况下效果最佳。解决功能涂层剥落的对策是合理选择涂层材料。涂层的CTE必须尽可能接近衬底材料的CTE。Fraunhofer IOF的科学家们研发出一种特殊的组合：将铝硅合金用于基材，化学镀镍磷(NiP)用于电镀。经过大量的材料测试，结果表明40%的二氧化硅与60%的铝对于匹配基材和电镀材料的CTE至关重要。

3D打印金属光学

3D金属打印或增材制造为自由曲面光学的应用带来额外契机。通过这种制造，可以从根本上改变镜子的结构。为了优化重量，可以引入仿生结构或自然元素，以保持镜面的硬度，同时节省多达70%的重量。同时，可以调节零件的刚度或固有频率，或者可以将冷却结构添加到反射镜基板中。相应的解决方案已经成功研发[1]，并且与一般工作流程兼容(如图1所示)。

尽管光学设计没有太大变化，但增材制造的使用在机械设计过程中提出了更多挑战。首先，外部轮廓可以保持不变，因为只通过修改内部结构来减轻重量。为实现结构的简化，在设计过程中，CAD程序和数学软件之间需要进行大量的数据交换。建模过程[2]的结果如图3所示。此外，使用增材制造工艺生产的任何固定或参考结构也必须包括在设计规范中[2]。

图3. 一种内部结构为增材制造技术而设计的双镜基板。腔壁上的特殊孔用于去除粉末。图片来自参考文献[2]。

其次，必须考虑用于增材制造的材料对热负荷的影响。由于成本的原因，可用材料的数量仍然有限，所以选择的范围比传统反射镜要小。此外，还必须找到CTE匹配的材料。在另一项研究项目中[1]，来自Fraunhofer IOF的科学家们开发并测试了三镜式消像散望远镜。利用最新研制的NiP和AlSi40(一种铝硅合金)组合，实现了反射镜基板和镀层的CTE匹配。这样可以最大程度地减少双金属弯曲，并实现热稳定设计。

精密加工

光学和机械设计完成后，开始实际加工。可以使用传统的计算机数控(CNC)工艺或增材制造来准备用于精密加工的模块。这里选择金刚石车削，而在开场图(第E18页)中显示的模块[2]，则使用的是Moor Nanotechnology 450 UPL。第一步是数据处理，先生成刀具路径。为此，必须将镜面数据分解为旋转部分和自由形式部分。根据机器的类型，必须考虑几个约束条件。对于图3所示的设备[2]，它们是：

1. 自由工具行程≤6毫米。

2. 方位角梯度≤10°(间隙角≤20°)。

3. 方位角加速度≤5 g(频率响应允许0:2至7:5 g)。

针对这一过程，Fraunhofer IOF开发了一种新的二维算法。在整个精密车削过程中，使用接触式2.5D轮廓仪进行表面测量，其峰到谷的分辨率小于50 nm。采用校正加工方法来减少切削过程中产生的曲面图形偏差。

抛光表面

磁流变抛光（一种精密的表面抛光技术）的刀具轨迹可从金刚石车削刀具轨迹或整体表面数学描述中推导出。必须考虑机器设置的边界条件，如可用的车轮尺寸和最大加工能力。

在最后一道抛光步骤之后，必须对工件进行测量。为此，在不同分辨率下测量表面，并通过创建径向平均功率谱密度进行详细分析。相比于仅单点测量，这种在不同分辨率下对测量场采样的计算精度更高，同时，基于干涉测量，白光干涉测量甚至原子力显微镜数据创建了完整的表面表征图。最后，利用此图提供的信息，通过磁流变精加工和计算机控制抛光的另一次迭代去除表面剩余的痕迹。在此迭代过程中需要进行更多的表面测量。为了确认在抛光后形成合适的形状，最好使用带有计算机生成全息图的干涉装置再次验证镜面的质量。

成功完成抛光过程后，即可组装模块。基于前面步骤中统一参考概念和大量数据分析，简化装配和集成过程是可实现的。该技术允许在数小时内组装具有几微米对准公差的多自由度系统。与以前的流程相比，这种改进的工作流程具有明显的优势，提高了批量生产效率。 

金属光学的前景

精密金属光学器件可以高度集成的方式制造。例如，在首页看到的双镜模块的原型，就是用这套新工作流程制造的，用于三镜式消像散望远镜中。我们演示了在一个基板上处理多个光学元件的过程。这减少了校准的工作量。如果能将参考元件集成，对准工作将进一步简化。

从设计到组装的所有步骤均依赖于大量的数据处理。特别是在机械设计阶段，需优化数据分析工具、商业光学设计程序及相应机械设计之间的数据交换。这一概念还可以将增材制造等新方法集成到高精度自由曲面光学器件的工作流程中。对于大量的热负荷或稳定的机械负荷，我们建立了一个预补偿过程。在抛光阶段，我们改善了刀具路径的连续性，以实现径向平滑下垂值，减轻某些加速伪影。涉及到刀具轨迹的高阶导数时，进一步研究课题是关于后抛光步骤的改进。

在应用方面，已经为精密光学模块开发了这一概念。与传统的玻璃光学器件相比，金属光学可以提供成本优势。空间和天文设备等新的应用领域是显而易见的。但3D打印金属光学的发展仍处于起步阶段。内置的冷却结构允许处理高功率光束，而仿生结构(图4)则可以提供轻巧且保持刚度的反射镜，正满足扫描镜的要求。这项技术正在进入各种市场，为更多应用带来新的机遇。

图4. 利用增材制造实现的仿生结构，可以优化扫描镜，使其在高加速度、高固有频率下具有低变形。图片来自Fraunhofer IOF。

作者简介

Matthias Beier是德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所IOF精密工程系超精密制造/自由曲面光学组的负责人，也是弗劳恩霍夫衍生公司SPACEOPTIX的联合创始人。该初创公司的目标是实现自由光学集成技术链的商业化，以解决空间、天文学和工业应用领域的高质量金属光学组件和系统的制造问题。

Johannes Hartung是德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所IOF精密工程系超精密制造/自由曲面光学组的数据分析科学家，具有理论物理学背景。