漸進多焦點眼用鏡片的加工制造

王海云, 吳泉英,, 唐運海,柳　軍, 陳曉翌, 張　皓,, 鐘　唐

(1.蘇州科技大學 數理學院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州蘇大明世光學股份有限公司江蘇省企業研究生工作站，江蘇 蘇州 215028)

漸進多焦點眼用鏡片的加工制造

王海云1, 吳泉英1,2, 唐運海1,柳軍1, 陳曉翌2, 張皓1,2, 鐘唐1

(1.蘇州科技大學 數理學院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州蘇大明世光學股份有限公司江蘇省企業研究生工作站，江蘇 蘇州 215028)

摘要：以漸進多焦點鏡片的加工為實例，闡述了采用CNC雕刻機(En3d)加工自由曲面光學元件的加工工藝，利用TRACEPRO軟件宏語言將點陣數據生成非均勻有理B樣條自由曲面，運用精雕機的JDPaint軟件生成刀具路徑，對自由曲面光學元件進行加工制造. 利用自由曲面面形測量儀對加工完成的漸進多焦點鏡片進行光焦度分布和散光分布的面形分析. 實驗結果表明：采用CNC雕刻機加工自由曲面光學元件的加工工藝簡單，操作方便，并且加工后的漸進多焦點鏡片面形符合設計要求.

關鍵詞：漸進多焦點；鏡片；光焦度；散光

相比于傳統的球面光學元件，非球面光學元件能夠很好地解決光學像差的修正問題. 隨著時代的發展，人們對光學系統的性能要求越來越高，自由曲面光學元件的應用也越來越廣泛，如汽車燈反射罩、漸進多焦點鏡片等. 然而，非球面的加工要比球面加工困難得多，尤其是加工非球面光學鏡片，不僅要求達到較高的鏡片表面質量，而且要求較高的面形精度.

自由曲面加工方法主要有去除加工法、成形加工法和附加加工法3種. 隨著計算機控制技術的發展，國內外出現了很多自由曲面超精密加工技術，如：計算機數控單點金剛石車削技術、計算機數控磨削技術、計算機數控離子束成形技術等[1]. CNC機床加工需要將自由曲面面形數據轉換成機械加工數據格式，然后導入到相應的刀具路徑生成軟件中. 相應的數據格式轉換技術中有：基于Geomagic Studio實現自由曲面全逆向NURBS重構[2]. 該技術在數據處理中比較復雜且其中有人工對數據點的判斷和操作，NURBS重構精度不夠. 自由曲面加工方面有：工業機器人加工自由曲面光學元件的方法研究[3]，但機器人的重復定位精度較低，該技術只適合自由曲面光學元件的研磨和拋光. 秦玲琳等做的內漸進多焦點鏡片[4]，采用的進口專用CNC車削機床，設備昂貴. 黃海濱等做的內漸進多焦點鏡片數控車床系統[5]沒有批量生產. 由我國生產的精雕機CNC機床重復精度8 μm，價格相對合理，用精雕機加工自由曲面能大幅度降低漸進多焦點鏡片的研發成本. 本文以漸進多焦點眼鏡片為例，利用精雕機對其表面進行粗加工和精加工，然后用復曲面精拋拋光機進行拋光得到漸進多焦點眼鏡片，并做了相應的面形檢測.

1漸進多焦點眼用鏡片加工制造技術

1.1漸進多焦點眼鏡片的結構

漸進多焦點鏡片的結構見圖1，通過鏡片的下方區域可看清近處物體，稱為近用區；通過鏡片上方區域可清看遠處景物，稱為遠用區；在近用區和遠用區內鏡面的光焦度恒定；連接遠用區和近用區的區域是漸變區，這個區域內鏡面的光焦度逐漸增大，不存在視覺“跳躍”現象. 鏡片的兩側區域是散光區，該區域不能用作觀察.

根據文獻[6]中的設計方法設計出遠用區光焦度為-2.0屈光度，近用區光焦度為0屈光度的漸進多焦點眼鏡片，鏡片的附加光焦度為2.0屈光度. 其漸進表面(后表面)矢高如圖2所示. 從圖中可以看出漸進多焦點鏡片表面為非旋轉對稱曲面. 該漸進多焦點鏡片表面光焦度分布如圖3所示. 由于鏡片表面光焦度與其表面平均曲率成正比，從中可以看出漸進多焦點鏡片表面的曲率隨著位置的不同而變化.

圖1　漸進多焦點鏡片結構

圖2　漸進多焦點鏡片表面矢高圖

圖3　漸進多焦點鏡片表面光焦度分布圖

1.2漸進多焦點鏡片的制造

1)加工工序

利用CNC精雕機加工自由曲面光學元件前，需將設計出的漸進多焦點鏡片表面點云形式的矢高數據轉換為精雕機CNC機床配套軟件JDPaint5.50可以接收的數據格式(VRML虛擬現實造型語言文件、DXF3D文件、IGES文件和STL文件). 通過控制精雕機的走刀方式和刀具路徑，實現對自由曲面光學鏡面的加工，得到自由曲面的基本面形. 加工時分為粗加工和精加工2個階段，粗加工可以快速銑削掉大量毛胚料，縮短加工時間；精加工則是為了去除粗加工過程中產生的微裂紋層，提高自由曲面的面形精度.

鏡片經過粗加工和精加工后，由于加工刀具運動的規律性，鏡片表面光滑度和透光率仍然有所欠缺，因此需要進行拋光處理.

2)加工過程

鏡片胚料采用折射率是1.532的樹脂材料，前表面光焦度是2.00屈光度. 采用逆向工程方法生成的STL格式的曲面放大后可以看出其表面并非完全光順，如圖4所示，將曲面放大后表面仍然存在縱橫條痕，加大點云密度后會大大增加數據格式轉換所需計算時間. 為了生成光滑自由曲面，利用TRACEPRO軟件中的spline宏語言命令，編寫宏語言SCM文件，生成非均勻有理B樣條(Non-uniform rational B-spline，NURBS)自由曲面，將該曲面另存為IGS格式的NURBS曲面文件，再將IGS文件導入到JDPaint5.50軟件中. 經過曲面裁剪和圖形聚中處理后，得到面形如圖5所示. 基于NURBS方法的整體光滑擬合特性，該方法導入的漸進多焦點鏡片面形能夠達到數學上的C2連續.

粗加工與精加工過程的參量設置如表1所示，生成的粗加工刀具路徑和精加工刀具路徑分別如圖6～7所示. 從圖6中可以看出因加工曲面是非旋轉自由曲面，故加工路徑也非旋轉對稱. 圖7中藍色為刀具路徑，由于路徑間距很小，圖中顯示為一整塊圓盤狀圖形，黃色為渲染的曲面數據模型，因刀具路徑與數據模型曲面幾乎重合，故圖中顯示為未被刀具路徑覆蓋的部分. 圖8為精加工刀具路徑誤差分析，可看出刀具路徑與數據曲面模型的最大位置誤差為0.015 mm.

表1　粗加工與精加工過程參量

圖5　IGS文件導入JDPaint中裁剪后面形圖

圖6　粗加工路徑模擬測試

圖7　精加工路徑模擬測試

在進行拋光過程中，用DN-2型30×20復曲面精磨精拋機對加工后的光學鏡片進行拋光，采用氧化鋁拋光粉懸濁液作為拋光劑，為避免機器刮傷鏡片，工作壓強設置為0.2 MPa，拋光時間設為20 min(可根據具體情況進行更改時長).

圖8　JDPaint精加工刀具路徑誤差分析圖

3)加工結果

拋光后得到的漸進多焦點鏡片實物如圖9所示. 它的外表面是球面，內表面是漸進多焦點鏡面，非球面表面反射日光燈管像彎曲，球面表面反射的日光燈管像看起來仍然筆直. 由此得出漸進多焦點鏡片的曲率半徑是連續變化的，在不同區域有不同的曲率半徑.

圖9　銑削并拋光后的鏡片實物圖

2漸進多焦點眼用鏡片的面形檢測與分析

為進一步客觀分析加工后的漸進多焦點鏡片的面形，利用自由曲面測量儀(Free Form Verifier)測得其光焦度分布和散光分布，如圖10所示. 圖中左邊是所測量的漸進多焦點鏡片的光焦度分布，遠用區各點的光焦度約為-1.95屈光度，與設計要求的光焦度偏差約為0.05屈光度，且遠用區較大范圍內光焦度基本保持不變；近用區各點的光焦度約為0.20屈光度，與設計值偏差0.2屈光度. 通道的光焦度由上而下逐漸變化，與設計意圖也基本相符合. 圖10右邊是散光分布圖，圖中藍色區域散光趨近于零，可以看出在鏡片遠用區和近用區散光最小，與設計偏差約為0.25屈光度. 鏡片上從鏡片中心到半徑為30 mm的范圍內，散光從中軸線到兩側逐漸增大，最大散光與設計值偏差小于0.25屈光度.

圖10　漸進多焦點透鏡光焦度分布和散光分布圖

3結論

本文主要以漸進多焦點鏡片為例介紹了利用

精雕機加工自由曲面光學元件的技術，將設計出的漸進多焦點鏡片表面矢高點陣數據通過TRACEPRO宏語言轉化為精雕機軟件JDPaint能接收的IGS格式的NURBS面形，轉化后的自由曲面面形整體光滑，所需計算時間短. 通過精雕機CNC機床加工自由曲面光學元件的加工工藝簡單，操作方便，并且經銑削加工及拋光后得出的漸進多焦點鏡片與設計要求基本相符.

參考文獻：

[1]潘君驊. 光學非球面的設計、加工與檢驗[M]. 蘇州:蘇州大學出版社,2004:1-9.

[2]馬春宇,袁軍平,郭文顯. 基于Geomagic Studio實現自由曲面全逆向NURBS重構[J]. 機械與電子,2011(2):41-44.

[3]沙晟春,陳桂林,雷存棟. 工業機器人加工自由曲面光學元件的方法研究[J]. 制造業自動化,2012,34(3):54-56.

[4]秦玲琳,余景池. 內漸進多焦點鏡片的加工[J]. 光學技術,2008,34(1):136-140.

[5]黃海濱,郭隱彪,謝書童,等. 內漸進多焦點鏡片數控車床系統研究[J]. 激光與光電子學進展,2010,34(1):0612011-0612015.

[6]吳泉英,錢霖，陳浩，等. 漸進多焦點眼用鏡片的子午線設計研究[J]. 光學學報，2009,29(11):3186-3191.

[責任編輯：郭偉]

Research on fabrication of progressive multi-focal lens

WANG Hai-yun1, WU Quan-ying1,2, TANG Yun-hai1,LIU Jun1, CHEN Xiao-yi2, ZHANG Hao1,2, ZHONG Tang1

(1. School of Mathematics and Physics， Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009, China; 2. Soochow Mason Optics Co., Ltd., Suzhou 215028, China)

Abstract:Take progressive multi-focal lens as an example, the fabrication technique of free form optical elements by Jingdiao CNC engraving machine was illustrated. The point cloud data was converted into non-uniform rational B-spline free-form surface using the macro language of TRACEPRO software. The free-form surface was exported as IGES file which was later imported into JDPaint software of Jingdiao CNC engraving machine to create tool path. Progressive multi-focal lenses were fabricated and measured by free form verifier to produce the focal power and the astigmatism. It was shown that this technique was easy to operate and the fabricated progressive multi-focal lenses could meets design requirements basically.

Key words:progressive mult-focal lens; glasses; focal power; astigmatism

收稿日期：2016-01-26；修改日期：2016-03-14

作者簡介：王海云(1994-)，女，江蘇如皋人，蘇州科技大學數理學院2013級本科生. 通信作者：吳泉英(1965-)，女，江蘇蘇州人，蘇州科技大學數理學院教授，博士，主要從事圖像信息處理、光學設計與加工等方面的研究.

中圖分類號：O435.1;TH74

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)06-0030-04

資助項目：江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(No.BY2013031)；蘇州市科技計劃項目(No.SYG201323)；蘇州蘇大明世光學股份有限公司江蘇省企業研究生工作站(No.2013-332)；江蘇省普通高校研究生科研(實踐)創新計劃項目(No.KYLX15_1313)