導語：非球面光學元件具有靈活的設計維度和優(yōu)異的調控性能，如何實現(xiàn)該類器件的低成本、批量化、高精度生產成為目前研究的關鍵方向�；�于此，長春理工大學的薛常喜教授團隊近期在《光電工程》發(fā)表了一篇綜述，探討了包括精密玻璃模壓成型技術和精密光學塑料注射成型技術在內的非球面光學元件的快速制造技術的成型原理、光學材料、模具材料及加工、仿真分析和工藝優(yōu)化方面的內容，并對未來發(fā)展進行了展望。

相較于傳統(tǒng)光學元件，非球面光學元件具有更多的設計自由度，不僅能夠有效地矯正各種像差，如球差、像散、視場畸變等，還可以同時滿足一些理論上相互制約的設計需求，如實現(xiàn)大視場和高分辨率。另一方面，采用非球面元件可以減少系統(tǒng)中的元件數(shù)量，順應了在汽車、醫(yī)療、照明等多個應用領域小型化、輕量化的發(fā)展趨勢。

傳統(tǒng)的非球面光學元件制造方法制造成本高，加工周期長，制造精度難以保證，限制了非球面光學元件的廣泛應用。隨著計算機的發(fā)展與普及，先進光學制造技術，如超精密切削、超精密磨削、超精密拋光、精密玻璃模壓和精密注塑成型技術等被逐漸應用于光學元件加工中。然而，非球面光學元件的快速制造技術仍然面臨著一些挑戰(zhàn)和限制：1）高質量的模具設計和精密制造；2）原材料的選擇；3）在制造過程中如何控制誤差、提高面形精度和穩(wěn)定性。

表1比較了基于不同的超精密加工技術制造單個非球面光學元件的生產周期和加工精度。其中，精密玻璃模壓技術和精密光學塑料注塑成型技術是兩類快速復制技術。相較于其他超精密加工方式，具有低成本、高生產效率、高重復成型穩(wěn)定性等優(yōu)點，已成為目前大批量小口徑高精度非球面光學元件的主要加工方法。如何利用這兩種技術加工尺寸較大的非球面光學元件，同時保持元件的高面型精度和低殘余應力成為研究人員的關鍵方向。

文章主要介紹了非球面光學元件的快速制造技術，重點闡述了精密光學玻璃模壓成型技術和精密光學塑料注射成型技術的模具制備、原材料選擇、仿真分析以及制造過程中的工藝優(yōu)化和誤差控制方法等內容，并將其與其他超精密制造技術對比。最后總結了近年來非球面光學元件快速制造技術的研究現(xiàn)狀，并探討其中的關鍵問題和挑戰(zhàn)。

1.精密玻璃模壓技術

精密玻璃模壓成型（Precision glass molding, PGM）技術是一種通過使用精密模具在高溫下對玻璃預制體進行壓縮，從而完整復制出模具表面的高精度面型的加工方法。PGM工藝通常包括四個階段：加熱、加壓、退火和冷卻，如圖1所示。在加工參數(shù)和工藝參數(shù)確定之后，精密玻璃模壓成型機器可以迅速連續(xù)生產高精度玻璃元件，單個元件的加工周期可被縮短至70~150 s，適用于大批量光學元件成型。

圖1. PGM原理圖。（a）加熱階段；（b）加壓階段；（c）退火階段；（d）冷卻階段

1.1 可模壓光學玻璃

PGM的加工材料為玻璃材料，要求其具備高折射率、高阿貝數(shù)、低轉變點溫度、高化學穩(wěn)定性等優(yōu)秀的物理特性。其中，可見光波段常使用SiO2等氧化物玻璃材料，而紅外波段則使用以元素周期表VIA族元素S、Te、Se為主要要素的硫系玻璃，如圖2所示。

圖2.光學玻璃材料。(a) 光學玻璃毛坯；(b) HWS系列硫系紅外玻璃；(c) 精密玻璃模壓成型的非球面透鏡