鑽石車削光學元件：先進光學系統的精密製造

作者：Bryan Ng – 行銷經理

鑽石車削光學元件是一種高精度光學元件，它採用鑽石刀頭進行超精密加工。這種方法能夠製造出複雜的表面幾何形狀，包括非球面、自由曲面光學元件和衍射元件，其形狀精度可達亞微米級，表面粗糙度可達奈米級。

隨著各行各業對光學系統性能和微型化的要求越來越高，鑽石車削光學元件在紅外線 (IR)、可見光和紫外線 (UV) 應用中發揮著至關重要的作用。從航空航太和國防到醫療設備和消費性電子產品，鑽石車削光學元件都具有無與倫比的多功能性和精度。

1. 鑽石車削光學元件的基礎知識

1.1 流程概述

鑽石車削光學元件是一種超精密加工工藝，它使用單晶鑽石刀具來製造高精度光學元件。此製程通常在具有奈米級定位能力和極高熱穩定性和機械穩定性的超精密車床上進行。

工件通常由金屬（如鋁、銅或鎳）、晶體材料（如CaF₂或ZnSe）或光學透明聚合物（如PMMA、Zeonex）製成，並安裝在高精度氣浮主軸上。主軸帶動工件旋轉時，鑽石刀具依照預先設定的軌跡進行切削，從而雕刻出光學表面。

鑽石車削製程的主要特點包括：

• 亞納米表面粗糙度：可實現的表面光潔度可達 Ra < 10 nm，從而最大限度地減少拋光或塗層準備等後處理要求。
• 高形狀精度：表面形狀誤差可控制在λ/10峰谷值（PV）以下，從而能夠生產用於要求苛刻的紅外線和可見光應用的光學元件。
• 確定性加工：使用 CNC 控制精確編程刀具路徑，實現零件之間出色的重複性和一致性。
• 複雜幾何形狀：能夠製造使用傳統拋光方法難以或無法生產的非球面、環形和自由曲面。

這種控制水準使得鑽石車削特別適合航空航太、國防、成像系統和消費性電子產品中光學元件的原型設計和生產。

1.2 機械設計

超精密鑽石車床的設計旨在實現奈米級公差，與傳統的CNC車床有著根本的不同。其設計優先考慮剛度、熱穩定性、隔振和運動精度。

核心組件和設計特點包括：

• 空氣軸承主軸：這些主軸無需機械接觸即可運行，提供 < 50 nm 的總指示器跳動 (TIR) 和接近零的摩擦，這對於實現超平滑旋轉運動和減少表面不規則性至關重要。
• 靜水或空氣軸承線性平台：這些平台沿著 X 軸和 Z 軸（有時在多軸系統中為 Y 軸或 B/C 軸）提供無摩擦運動，從而實現亞微米或奈米分辨率的精確工具定位。
• 熱控外殼：為確保尺寸穩定性，整台機器安裝在一個具有主動溫度調節功能的外殼內，使環境溫度變化保持在±0.1°C以內。即使是輕微的熱漂移也會影響表面形狀和重複精度。
• 振動隔離系統：採用主動或被動振動隔離平台來減輕環境幹擾，這些幹擾可能會影響形狀精度和表面光潔度。
• 快速刀具伺服（FTS）和慢速刀具伺服（STS）：
  • FTS：為切削刀具添加高頻、小振幅運動，通常用於製造微結構、衍射光學元件或具有突變表面特徵的光學元件。
  • STS：在加工過程中實現更慢、更大振幅的運動，以創造複雜的自由曲面。

這些精密工程元素協同工作，以最大限度地減少工具顫動，消除間隙，並確保製造奈米級精度的光學表面所需的定位精度和重複性。

2. 鑽石車削光學元件材料

鑽石車削對有色金屬、晶體材料和聚合物最有效。由於化學相互作用，黑色金屬會加速鑽石刀具的磨損，儘管混合解決方案正在興起。

2.1 適用材料

2.2 黑色金屬材料的刀具磨損

鑽石車削的主要限制之一是加工黑色金屬材料時刀具會快速磨損。這項挑戰源自於由純碳構成的鑽石刀具與黑色金屬合金中的鐵元素之間的化學相互作用。

在切割過程中產生的高溫下，鑽石中的碳原子與工件中的鐵原子之間會發生催化反應。此反應導致鑽石在切削刃處石墨化，從而導致：

• 加速磨損
• 邊緣圓滑或崩邊
• 表面光潔度和尺寸精度的損失

實際上，鑽石工具在非鐵材料上通常可以使用數十到幾百個小時，但在用於鋼或鑄鐵時，可能會在幾分鐘內就失效。

為了緩解這個問題並使鐵質材料的超精密加工成為可能，已經開發出幾種創新方法：

2.1.1 雷射輔助加工（LAM）

雷射輔助加工(LAM) 是指利用聚焦雷射光束在切割區域前方對工件材料進行局部預熱。這種局部加熱可以降低材料的硬度和剪切強度，從而降低加工難度。

主要優點：

• 減少切削力：切削區的材料較軟，可降低鑽石刀具上的機械應力。
• 最大限度地減少刀具磨損：透過降低切削溫度和改變化學反應性，催化磨損顯著減少。
• 改善表面光潔度：更平滑的切割動作可減少表面缺陷並提高光學品質。

示例：
MICROLAM 系統是一款整合式雷射增材製造 (LAM) 解決方案，可直接安裝在現有的鑽石車床之上，並將雷射光束與刀具運動同步。這可實現精確的加熱控制，尤其適用於淬硬鋼和鐵基光學模具鑲件的加工。

2.1.2 後塗層或中間層沉積

另一種策略是在加工之前修改工件表面：

• 在鐵基體上塗覆一層非反應性中間層（例如化學鍍鎳或銅）可形成與鑽石工具相容的可加工表面。
• 加工後，塗層可能保留為功能層，也可能會根據應用而被去除。

優點：

• 延長鑽石工具的壽命：消除鐵和鑽石之間的直接接觸。
• 維持高表面品質：可在塗層鐵質基材上實現光學級表面處理。
• 客製化：可根據特定應用調整塗層厚度和硬度。

用例：
該方法通常用於注塑成型中的精密模具鑲件，其中光學表面是在鎳磷塗層上生成的，而不是直接在鋼上生成的。

2.3 我們的鑽石車削能力

我們也採用MICRO-LAM 雷射輔助加工工具進行鑽石車削加工。以下是我們的鑽石車削能力：

3. 表面質量和精度

對於鑽石車削光學元件而言，實現卓越的表面品質和形狀精度至關重要。鑽石車床的超高精度加工能力使其能夠直接加工光學表面，無需傳統的拋光工藝——尤其是在紅外光譜範圍內，表面粗糙度和形狀公差至關重要。

3.1 表面形式

3.1.1 形狀精度

鑽石車削通常可以實現優於 0.1 µm 峰谷 (PV) 形狀精度，尤其適用於中波和長波紅外線 (MWIR/LWIR) 應用的組件。這種精度等級可確保波前傳播的正常進行、最小像差和最佳系統性能。

3.1.2 表面光潔度

可實現的表面粗糙度通常在 Ra < 5–10 nm 範圍內，取決於以下幾個因素：

• 材料可加工性（例如鋁與硫屬玻璃）
• 刀具半徑和磨損情況
• 進給率和切削深度
• 機器動力學和環境控制

這些光滑的表面對於紅外線光學系統來說特別有價值，因為微觀粗糙度會散射光並降低透射或反射效率。

3.1.3 表單生成

鑽石車削中的形狀生成是確定性的，這意味著最終的表面輪廓直接來自電腦生成的刀具路徑，通常基於：

• 非球面或自由曲面的 CAD/CAM 設計文件
• 干涉測量或輪廓測量（用於閉環校正）
• 曲面擬合演算法與誤差映射

先進的控制系統確保切割過程中的位置偏差最小化，從而可以奈米級保真度複製環形、凸/凹非球面和離軸拋物線等複雜幾何形狀。

補償技術：

• 刀具路徑錯誤映射：將預測測量的機器或主軸錯誤納入刀具路徑編程中。
• 溫度補償：調整機器部件和工件的熱漂移。
• 現場計量回饋：可在加工過程中或加工之間進行即時校正。

3.2 表面缺陷

儘管鑽石車削精度很高，但由於刀具交互作用、材料特性或參數不理想，仍可能出現某些表面缺陷。了解並減少這些缺陷對於光學性能至關重要。

3.2.1 常見的表面缺陷：

• 螺旋工具標記：
  • 原因：工件旋轉和刀具進給同步產生的螺旋刀具軌跡。
  • 外觀：光學檢查下可見同心線或螺旋線。
  • 影響：可能會散射光線或乾擾干涉測量。
  • 減輕：
    • 降低每轉進給率。
    • 採用刀具路徑平滑演算法。
    • 應用飛切或快速刀具伺服技術來最小化圖案。
• 毛邊和邊緣變形：
  • 原因：鋁等延展性材料在切割過程中可能會在邊緣出現塑性變形。
  • 影響：影響密封表面、機械配合或光學邊緣定義。
  • 減輕：
    • 優化切削參數（鋒利的刀具、最小的切削深度）。
    • 使用負前角可獲得更好的剪切效果。
    • 結合後處理去毛邊或修邊。
• 地下損傷 (SSD)：
  • 原因：主要發生在脆性材料中（例如， 硒化鋅, 氟化鈣, 玻璃) 是由於切削過程中產生微裂紋和應力集中所致。
  • 影響：會降低機械強度或影響紅外線光學的傳輸。
  • 減輕：
    • 採用淺而漸進的傳球。
    • 使用優化的切削速度來維持延展模式加工。
    • 使用冷卻劑/潤滑劑來降低熱梯度。

4. 鑽石車削光學元件的類型

鑽石車削技術能夠製造各種高精度光學元件，尤其適用於那些使用傳統拋光技術難以製造或成本過高的元件。從經典的非球面到先進的自由曲面和繞射結構，鑽石車削技術能夠以卓越的靈活性支援原型設計和大量生產。

4.1 非球面光學

非球面透鏡和反射鏡旨在校正光學系統中的像差，特別是球面像差，因為在這些系統中，性能要求超過了球面元件的能力。

鑽石車削非球面透鏡的優點：

• 精度：可實現形狀精度優於λ/10 PV，表面粗糙度Ra < 10 nm。
• 設計彈性：相容於各種半徑和圓錐常數。
• 效率：直接加工減少或消除了後期拋光的需要。

應用環境：

• 高數值孔徑成像系統
• 紅外傳感器
• 雷射光束整形系統
• 光學聚光器和準直器

由於鑽石車削本質上是旋轉對稱的，因此它特別適合製造具有嚴格公差和可重複性能的軸對稱非球面元件。

4.2 自由曲面光學元件

自由曲面光學元件缺乏旋轉對稱性，通常具有複雜的非球形幾何形狀，從而可以實現緊湊、高度整合且組件更少的光學系統。

啟用方式：

• STS：允許工具在旋轉過程中逐漸移動以跟隨複雜的表面形狀。
• FTS：增加快速、高頻寬的工具運動，以實現高解析度的表面調製。

主要特點：

• 單一表面整合光學功能
• 非對稱光功率分佈
• 降低組裝複雜性和對準靈敏度

應用環境：

• 汽車平視顯示器 (HUD)：塑造影像路徑以達到最佳眼框對齊。
• AR/VR 耳機：實現具有寬視野 (FOV) 的緊湊、輕巧的光學元件。
• 離軸照明系統：例如具有折疊光路的光導或投影機。

自由曲面光學代表了光子學和成像領域的新興領域，超精密加工的靈活性使其成為可能。

4.3 反射光學和反射鏡

鑽石車削廣泛用於生產高性能反射光學元件，特別是在表面品質和熱穩定性至關重要的情況下。

材料：

• 鋁合金（例如 6061、7075）：重量輕、導熱性佳，是航空航太和國防的理想選擇。
• 化學鍍鎳 (NiP)：提供更堅硬、可拋光的鍍層，具有優異的表面光潔度。

反射光學元件的類型：

• 擴束器：用於增加雷射光束直徑而不變形。
• 離軸拋物線 （OAP）：廣泛用於雷射和光譜系統中的準直和聚焦。
• 紅外線準直器和中繼光學元件：鍍膜鋁鏡具有高反射率和最小色差。

優點：

• 將光學表面直接加工成結構部件
• 輕質鏡坯（例如，帶有蜂窩狀背襯）
• 在中紅外線至遠紅外線範圍內表現出色

4.4 衍射光學元件

衍射光學元件（DOE）是利用乾涉和衍射而不是折射或反射來操縱光的微結構表面。

鑽石車削製造：

• 使用 FTS 系統實現微米和亞微米級凹槽圖案。
• 能夠製作多級或連續浮雕繞射輪廓。

DOE 組件範例：

• 菲涅耳透鏡：體積大、重量輕的折射透鏡替代品。
• 光束整形器：建立平頂、線條或自訂強度輪廓。
• 波長合成器/分離器：用於光譜或電信應用。

為妳而設的優點:

• 槽深和槽距精度高
• 波長和相位控制的靈活性
• 客製化設計的快速原型製作

透過鑽石車削生產的 DOE 可以作為複製母版（例如，透過注塑或壓花在聚合物中）或直接用於專門的光學系統。

4.5 展示我們的鑽石車削光學元件

4.5.1 矽微透鏡陣列

我們使用金剛石車削（Nanotech 250UPL with 3 axis）製作了微透鏡陣列。 該過程涉及慢速伺服（C 軸），循環時間為 50 小時（包括粗加工、半精加工和精加工）。 Targeted results are Rq-10nm and surface quality 60-40, we've reached results of Rq-6 to 9nm and surface quality 60-40. 目標結果是Rq-XNUMXnm和表面質量XNUMX-XNUMX，我們已經取得了Rq-XNUMX到XNUMXnm和表面質量XNUMX-XNUMX的結果。

4.5.2 離軸拋物面鏡

這些離軸拋物面鏡，銅質（F250 和 F100）和鋁質（F100 和 F12.5），均採用三軸鑽石車床加工。目標粗糙度 Rq<10nm，形狀誤差<0.6微米，我們最終實現了 Rq=10nm 和 PT=0.25微米的結果。

4.5.3 雙錐銅鏡

我們使用三軸鑽石車床，以低速伺服製程製作雙錐銅鏡。目標粗糙度Rq<3nm、形狀誤差<10微米，目前​​已實現Rq=0.6nm和3nm，PT=4微米和0.3微米的結果。

5. 鑽石車削光學元件的進展

鑽石車削技術的最新進展顯著拓展了其功能，使其更加複雜、精度更高，並擴大了材料相容性。這些創新源自於航空航太、國防、AR/VR、生物醫學影像和半導體計量等領域對現代光學的需求。

5.1 快速刀具伺服

FTS系統徹底改變了鑽石車削加工的能力，使其能夠加工出微米級甚至亞微米級精度的精細表面結構。與傳統的刀具運動受限於較低的進給速度不同，FTS系統引入了刀具的高頻軸向調製——通常在1-5 kHz範圍內——並與主軸旋轉同步。

主要能力：

• 微結構製造：
  可加工 做、透鏡陣列、菲涅耳區和光柵直接嵌入金屬或聚合物基板中。
• 動態表面調變：
  允許快速改變表面高度，支援標準慢速伺服系統無法實現的複雜地形。
• 增強表面均勻性：
  FTS 平滑了微結構之間的過渡，減少了多道工序中常見的縫合錯誤。

應用環境：

• 光束均質器
• 波前感測器
• 客製化衍射光束整形光學元件
• 微透鏡陣列 用於成像和照明系統

FTS 技術對於擴大鑽石進入微光學和光子元件市場的範圍至關重要，可實現自由曲面衍射和混合光學元件。

5.2 雷射輔助鑽石車削

雷射輔助鑽石車削（LADT），有時在更廣泛的語境中被稱為LAM，是一種混合加工方法，它將可控熱源（通常是聚焦紅外線雷射或二氧化碳雷射）直接整合到加工區域。此技術可在切削刀具前方預熱材料。

優點：

• 減少切削力：
  加熱可以軟化硬脆的材料，降低切割過程中的阻力並減少刀具磨損。
• 啟用非傳統材料：
  LADT 可以對通常會降低鑽石工具性能的材料進行鑽石車削，例如：
  • 光學眼鏡 （例如，BK7，熔融石英）
  • 陶瓷（例如 Al₂O₃）
  • 鐵合金和硬化鋼
• 提高表面完整性：
  最大限度地減少表面下的微裂紋並提高表面光潔度，特別是在脆性晶體材料中。

範例係統：

MICROLAM Opto-Precision 系統與鑽石車床無縫集成，提供可編程雷射功率、光斑尺寸控制以及與即時工具運動同步的加熱。

應用環境：

• 硫系玻璃和氟化物玻璃中的紅外線光學元件
• 用於玻璃鏡片複製的模具鑲件
• 具有複雜幾何形狀和硬塗層的雷射掃描光學系統

LADT 能夠直接成型之前僅限於研磨和拋光的材料，從而開闢了精密加工的新領域。

5.3 現場計量

現場計量涉及將測量系統直接整合到鑽石車削平台中，以便在切割過程中或切割之間進行即時表面監測和動態校正。

常見的現場工具：

• 白光干涉法（WLI）：
  具有奈米垂直分辨率的非接觸表面測量。
• 接觸探頭：
  基於觸針的感測器用於直接形狀測量；對凹面和凸面幾何形狀均有效。
• 雷射位移感測器：
  用於高速表面掃描或誤差映射。

為妳而設的優點:

• 閉環校正：
  可以根據測量的表面偏差動態調整刀具路徑，從而減少累積誤差並消除對離線回授迴路的需求。
• 減少計量開銷：
  最大限度地減少拆卸零件進行外部干涉測試所需的時間和成本。
• 更高的產量和準確性：
  能夠在形狀錯誤、熱漂移和機器不穩定性影響最終品質之前主動糾正它們。

高階實現：

• 精加工過程中的即時 Z 高度補償
• 主軸和平台誤差圖的自動校準
• 機器學習整合用於預測誤差校正

現場計量代表著光學智慧製造的關鍵一步，其中數據驅動的加工不斷優化零件品質和製程效率。

6. 結論

鑽石車削光學元件是超精密光學製造領域的基石技術。儘管這項技術已經相當成熟，但它仍在工程創新、材料科學和數位控制系統的協同作用下不斷發展。鑽石車削的核心優勢在於，它能夠以無與倫比的能力製造出表面粗糙度為奈米級、形狀精度為亞微米級、幾何形狀複雜的光學表面，涵蓋從經典非球面到複雜的自由曲面和衍射結構等各種類型。

該技術滿足了各行各業部署的現代光學系統的嚴格性能和整合要求，包括：

• 航空航太和國防（例如紅外線成像、光束控制）
• 生物醫學儀器（例如內視鏡光學、診斷成像）
• 消費性電子產品（例如 AR/VR 耳機、HUD）
• 雷射系統（如光束傳輸、光纖準直）

FTS系統的出現大大拓展了可實現的表面形貌範圍，使得在單一裝置中即可動態產生微結構和混合光學元件。同時，LADT技術也使得加工以往因硬度或脆性過大而無法使用傳統鑽石刀具的材料成為可能，例如光學玻璃和陶瓷。這些進步顯著降低了加工的複雜性，並拓寬了材料的兼容性。

此外，干涉測量和即時表面輪廓測量等現場計量技術的集成，已將鑽石車削轉變為數據驅動的流程，從而實現了具有自適應刀具路徑校正和預測性品質控制的閉環製造。這種向智慧加工環境的轉變提高了產量，縮短了加工週期，並減少了對後道檢測的依賴。

隨著對緊湊型、高性能和多功能光學元件的需求不斷增長，尤其是在自主系統、量子光子學和可穿戴顯示器等下一代應用領域，鑽石車削不僅至關重要，而且不可或缺。憑藉其在精度、靈活性和可擴展性方面的平衡能力，鑽石車削在未來幾年內仍將是光學創新的關鍵推動力。

7. 選擇可靠的鑽石車削製造商來生產鑽石車削光學元件

在購買鑽石車削光學元件時，選擇合適的製造合作夥伴至關重要，因為最終產品的精確度、一致性和品質很大程度上取決於製造商的專業技術、設備和製程控制。鑑於鑽石車削的超高精度特性，即使是微小的偏差也會影響光學性能。

當精準度和性能至關重要時，選擇合適的鑽石車削光學元件合作夥伴至關重要。尋找一家在超精密加工、內部計量以及光學材料和應用方面擁有成熟經驗的製造商。 Wavelength Opto-Electronic 是值得信賴的鑽石車削光學元件供應商，提供：

• 亞奈米級表面光潔度和高形狀精度
• 非球面、自由曲面和反射光學元件
• 採用 FTS 和 LADT 進行先進加工
• 內部干涉測試和 ISO 認證的品質控制

無論是原型設計或大量生產，Wavelength 都能提供適用於紅外線成像、雷射系統、AR/VR 等的精密光學元件。