精密光學加工（gōng）2：小口徑與大口徑對比


目錄


1. 小口徑和大口徑是（shì）如何劃分的？


2. 小口徑和大口徑加工工（gōng）藝的區別，孰難孰易？


3. 國內上市公司所（suǒ）在的（de）區（qū）間


在之（zhī）前的文章中我們介紹了光學加（jiā）工（冷加工）的技術路線，我（wǒ）們也提到了這個加工工藝流程中並不是所有的光學鏡片用到（dào）的加工技術和設備都（dōu）是相同的，其中典型的就是大口徑和小口徑的光學元組件（jiàn）在加工過程中需要用到的（de）設備和加工的工藝技術是（shì）有區別的。今天我（wǒ）們就（jiù）來（lái）看看小口徑和大口（kǒu）徑之間的區別，不同的企（qǐ）業之間他們是如何在光學加工這個坐標係中劃分（fèn）自己占有的市場的。
小口徑和大口（kǒu）徑是如何劃分的？


對於鏡片大小尺寸的區分沒有嚴格統一的劃分標準（zhǔn），通過查閱相關的論文和文獻，整理得到通常可以將直徑口徑在200mm以下的（de）鏡片（以非球麵為參考，對於棱鏡是（shì）用長度200mm為分界線來劃分大小的）稱為中小口徑，直徑口徑大於200mm的鏡（jìng）片可以稱為大口徑。我們將不同（tóng）口徑劃分區間進行詳細的剖分得到如（rú）下示意圖：
圖片


隨（suí）著口徑的增加，應用場景覆蓋範圍逐步縮減。小口徑的鏡頭在民品方麵應用在諸如（rú）安防攝（shè）像頭、車載攝像頭、顯微鏡等領域，中等口徑的通常在一些（xiē）小型的天文（wén）望遠鏡等場景（jǐng），軍品方麵一些中小型的光電吊艙的（de）鏡頭、激（jī）光雷達、光（guāng）電打擊係統等；大型（xíng）或者超大型的鏡片通常需要定製開發（fā），針對特定的應用場景加工，比如我們（men）熟知的哈勃、韋伯（bó）天（tiān）文望遠鏡的主（zhǔ）鏡麵，直徑（jìng）都是超（chāo）過m量級的。這裏我們簡單整理一下（xià）不同口徑鏡頭的應用以及對應的口徑（jìng）大（dà）小（xiǎo）。
小（xiǎo）口（kǒu）徑（jìng）：0-50mm


應用方向


口徑大小（單位：mm）


安防攝像頭


<60


顯微鏡


20-30


車載DVR（一款隱藏式寬FOV）[1]


12


手術（shù）室（shì）自由曲麵LED無影燈[3]


40-50


頭盔顯示光學（xué）係（xì）統（tǒng）（長光所）[3]


<40


太赫茲光學準直和聚焦[4]


25.4-38


微透鏡（jìng）陣列[5]


0.032-1.5（單元孔徑）


手機攝像頭


<10


車載視覺鏡頭


10-50


中口徑：50-200mm


應用方向


口徑大小（單位：mm）


小型天（tiān）文望遠鏡[2]


70-200


激光雷達光學口徑


100


大口徑：200-400mm


應用方（fāng）向


口徑大小（單位：mm）


半導體DUV光學鏡（jìng）頭


100-300


哈勃空間望遠鏡次鏡


300


超（chāo）大口徑：＞400mm


應用方向


口徑大小（單位：mm）


SiC非球麵反射（shè）麵（國防科大07年）


500


美國National Ignition Facility


500-1000（單片子鏡）


哈（hā）勃空（kōng）間望遠鏡主（zhǔ）鏡


2400


美國（guó）的KH-12主鏡直徑


3800


韋伯太空望遠鏡


1300（單片（piàn）子鏡）


美國大麥哲倫望遠鏡


8400（單片（piàn）子鏡）


小（xiǎo）口（kǒu）徑和大口徑加工工藝的區別，孰（shú）難孰易？


上麵我（wǒ）們簡單介紹了小口徑和大口徑的劃分以及他們的部分應用場景，接下來我們將討論一下在實現工藝中兩者的區別。有的人會覺得加工小尺寸的東西一定比加工大尺寸（cùn）的東西要更難，因為小然（rán）後又要做到高精度很難；也有人覺得加工大口徑的東西更難，因為要在這麽大麵積上（shàng）麵保證每個地方的精度都保持很高難度很大。我們（men）首先（xiān）來看（kàn）看非（fēi）球麵透鏡的小口徑和大口徑在製造工藝、工序、關（guān）鍵技術以及檢測有什麽區別。
1. 加工工序和（hé）研磨拋光技術的差異
小口徑
小口徑加工的生產工藝可以分為銑磨（mó）成型、數控拋光和檢驗檢測三個階段，如下圖所示[6]：
圖片


小口徑的非球麵加工技主要有單點金剛石車削技（jì）術（SPDT）、超精（jīng）密（mì）磨削銑（xǐ）削、成型技術（見擴展閱讀）和特種加工技術。普遍采用的超精密車削和磨削的（de）方法大（dà）量應（yīng）用在熱成型的模具製造過程中。因（yīn）為小口徑的應（yīng）用範圍廣泛、需求數量大，單件加工不具備經濟效應，因此主要還是以（yǐ）成型技術為主。小口（kǒu）徑的超精密加工主要還是針對模具來看的。如果針對單件的小（xiǎo）口徑加工來看也（yě）可以采（cǎi）用與大口徑相同的工藝（yì）順序，結合小工具拋光實現。
單純依靠超（chāo）精密車削和磨（mó）削，會在零（líng）件表麵留下加工痕跡和表麵缺陷，達不到加工精度要求，因此（cǐ）後續還需要（yào）超精密拋光加工來進一步提高表麵質量。
小口（kǒu）徑加工主要麵臨以下幾個（gè）難點：
精度非球麵光學元件僅依（yī）靠超精密車削和磨削，表麵質量難以達到要求。對於小口徑非球麵模（mó）具的超精密磨削，工件表麵不僅殘（cán）留有規則（zé）的磨痕，而且（qiě）不（bú）可避免（miǎn）的產生品格錯位、裂紋、殘（cán）餘應力、加工硬（yìng）化等各種（zhǒng）加工缺（quē）陷；


口徑小，易引起幹涉。小口（kǒu）徑非球麵的（de）加工空間狹小(<10mm)，普通的加工工具難以對其進行拋光，工業界目前主要采用手工拋光的方式，但是勞動強度（dù）大、加工效率低、加工質量不穩定（dìng）。另外傳統的粘彈性拋（pāo）光頭（tóu）結台遊離磨料的拋光工藝，不同形狀、不同尺寸的工件需要（yào）專門的拋光工具，適應性不強。因此傳統研拋技術在加工效（xiào）率、精度（dù）、自動（dòng）化以及加工形麵的適應性等方（fāng）麵難以滿足；


磁流變拋光作（zuò）為一（yī）種先進的光學加工技術，具有加工過程確定可控、加工結（jié）果精確可測以（yǐ）及高精、高效等特點，在小口徑非（fēi）球麵超精密拋光中廣泛被使用。
擴展閱（yuè）讀：小口徑或者超（chāo）小口徑實現方法主（zhǔ）要是熱成型法（適用於大批量生產，這裏我們做（zuò）簡單的介紹），加工過程（chéng）中需（xū）要利用到高溫、高熱，並嚴（yán）格控製溫（wēn）度、時間等參數實（shí）現的（de）加（jiā）工路線，包（bāo）括了光學玻璃模壓（yā）成型（>100mm的非球麵（miàn）可大批量生（shēng）產，精度可達nm量級）和光學塑料注射成型（<100mm的（de）非球麵透鏡（jìng）可大批量生產）兩種（zhǒng）方法。光學玻璃的熱壓成型技術的（de）基（jī）本原理就（jiù）是利用光學玻璃在不同溫度下（xià）具有不（bú）同的物理性質，在常溫下，玻璃硬脆，在高溫下具有粘流性[7]。


上圖中表示了某類玻璃（lí）材料（liào）隨溫度升高的熱膨（péng）脹狀態。當溫度達到Tg（轉變點）的時候，光學玻璃由（yóu）固態轉變（biàn）為可塑態。當溫（wēn）度繼續上升達到Sp（軟化點），呈（chéng）現（xiàn）流體性質。
其中模（mó）壓成型的工藝如（rú）下圖（tú）所示：


大口徑
大口徑非球麵透鏡加工一般（bān）來說說需要經過一個複（fù）雜且（qiě）漫長的過程（加（jiā）工（gōng）麵的大小決定了加工（gōng）時間），周期較長，其主要的（de）工藝流程包括了銑磨成型、粗磨、精磨（mó）、粗拋光、精拋光、鍍膜等環節，同時每一個環（huán）節都必（bì）須要配備（bèi）對應的一種或者多種檢測手段來保證工藝流（liú）程的高（gāo）效運行。上一篇（piān）文章中我（wǒ）們已經（jīng）提到了對於光學（xué）元件最重要的環節之一（yī）——拋（pāo）光，在麵向大口徑的加工中還有一個非常重要（yào）的環節——研磨（研磨影響了整體加工的效率和（hé）後續加工費時、精度）[8]。
傳統研拋技術（shù）：采用和工件口徑相（xiàng）當（0.8-1倍）的磨盤對工件進行全域研磨。主要應用在中小口徑的非球（qiú）麵加工，其依賴（lài）人工經（jīng）驗，效率低、勞動強度大、無法保證加工穩定性。加工大口徑的效率很低，典型的如美國的（de）2.5m胡（hú）可望遠鏡加工時間6年（nián），帕洛瑪5m望遠鏡耗時14年，我國上世（shì）紀80年代完成的2.16m望遠鏡耗（hào）時7年。
計算機控（kòng）製表（biǎo）麵成形技術（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又（yòu）叫計算機控（kòng）製小磨（mó）頭加（jiā）工（磨頭直徑一般為工件的1/8-1/15[9]），通（tōng）過多軸（zhóu）聯動的數控（kòng）機（jī）床來控製磨頭的（de）公自轉、壓力、駐留時間保證材料去除量，結合（hé）反複的檢測和加工保證麵形精度。計算機控製極大的（de）提高了效率，美國的Tinsley實驗室研究CCOS技術已經三十（shí）多（duō）年，在（zài）2006年利用該技術將JWST主（zhǔ）鏡的一個單片鏡RMS從49.1um提高到1.46um，耗時3個月。對於CCOS的技術的不足請參閱《精密光學加工行業簡介》中拋光的介紹。
可控柔體（tǐ）光學製造技術：這一類技（jì）術是隨著（zhe）計算機（jī）科學、材料科學、控製技術的發展（zhǎn）而演變（biàn）出來的，有應力盤（pán）拋光、氣囊（náng）拋光、磁流變拋光、射流拋光、離（lí）子束拋光等技術。
應（yīng）力（lì）工件變形加工技術：對工件施（shī）加應力使之變形，加工成球麵後釋放應（yīng）力得到非球麵。Keck望遠鏡主鏡的離軸非球麵子鏡，VLT超大望遠鏡4個8.4m主鏡，TMT的子鏡都（dōu）是用這種方法實現的。
應力盤拋（pāo）光：對研（yán）拋（pāo）盤進行主動變形來實現（拋光盤一般（bān）是主鏡直徑的1/3-1/5），通過（guò）計算機控製（zhì）應力（lì）盤的變形，在徑向平移和（hé）旋轉過程（chéng）中與被加工麵貼合（hé），是。在1990s，美國SOML用該技術（shù）先後加工了1.2-8.4m直徑的多個大型非球麵反射鏡。
射流拋光：針對複雜光學曲麵加工（gōng），通過噴嘴噴射出混油磨料粒子的高速拋光液作用（yòng）於表麵（miàn），離（lí）子間（jiān）的高速碰撞和剪切去除材料。美（měi）國QED公司在此基礎上（shàng）開發了磁射流拋光技術（shù），是（shì）磁流變技術和射流技術的結合。
關於（yú）氣（qì）囊拋光、磁流變、離子束技（jì）術（目前（qián）達到精度最高的技術，nm量級，甚至0.幾nm量級）參見文章《精密光學加工行業簡介》。
可控柔體加工技術是計算機科學、材料科學、控製技術等多（duō）個學科的集合，也目前世界上最先（xiān）進的光學加工工藝（yì）[10]。我們把上麵介紹到的技（jì）術大致（zhì）分（fèn）為三類：基（jī）於數控機（jī）床的接觸式——CCOS；基於彈性力學基（jī）礎理論（lùn）——應力工件變形（xíng）拋光技術、應力盤拋光技術；基於多能場——磁流變拋（pāo）光（guāng）技術、離子束拋（pāo）光技術。其中基於數控機床的（de）接觸式，在一些粗磨、精磨以及粗（cū）拋的過程中應用（yòng）較多；基於彈性力學基礎理論的技術是實現大（dà）口徑（jìng）光學非球麵鏡高效率研（yán）拋的主要（yào）手段；基於多能場的是實現（xiàn）大口徑非球麵最終高精度麵形要求（qiú）的必（bì）要手段。
大口徑光學非球麵的實際加工一（yī）定是多種加工技術的組合（hé），才能保（bǎo）證加工效（xiào）率（lǜ）和精度。從先（xiān）進光學加工的發展趨勢來說， 以能流束拋光（guāng）技術(如磁流變拋光、離子束、射流體)為代表的第三代可控柔體加工技術是未來大型非球麵鏡高精度光學（xué）加工的發展方向。
2. 檢測技術的差異
大口徑的檢測技術：
和（hé）光學加工過程一樣，非球麵的光學檢測相對於平麵來說也（yě）是非常困難的。與小口徑（jìng）相（xiàng）比，大口徑的非（fēi）球麵光學檢測難度要更高。
非球麵的光（guāng）學檢測按照原理可以分為坐標測量（liàng）、幾何光線測量和光學幹涉測量。
坐（zuò）標測量（研磨階段測量）：有接觸式和非接觸式，常見的設備有（yǒu）三坐標測量機和輪廓儀，先利用高精度的位移傳感器對待測麵上離散的點進行（háng）掃描測量（liàng），得到各點的三維（wéi）坐標，然後通過數學插值重構出全口徑（jìng）的三維麵形，最後與非球麵的理論麵形比較獲得（dé）最終的麵形誤差（chà）。理論上，可以（yǐ）得到被測麵的所有幾何參數。該方法是光學製造中實現（xiàn）在位測量的重要方法（fǎ），好處在於其能（néng）保證加（jiā）工坐標係和測量坐（zuò）標係一致，並且避免大型非球麵（miàn）工件（jiàn）的搬運帶來的風險，對於提高大口徑（jìng）非球麵研拋（pāo）效率有重要意義。
傳統的接觸式坐標測量存在劃（huá）傷表麵的風險，並且其測量（liàng）精度（dù）受限於位移傳感器和測頭的定位精度。因此，傳統的坐標測量，比如三坐標測量機（jī）、輪廓儀以及激光跟蹤儀，常（cháng）見於光學（xué）研磨階段的麵形檢測。
高靈敏度的非接（jiē）觸式（shì）光（guāng）學探針（zhēn）解決（jué）了坐標測量的表麵劃傷問題，測量精度不斷提（tí）高，已經達到了（le）幾十納米。
幾何光（guāng）線測（cè）量技術：


我們結合光學加（jiā）工（gōng）的工（gōng）序來看（kàn），從粗磨、精磨、粗拋到精拋，不同（tóng）的環節形（xíng）成的麵（miàn）形精度都（dōu）不同（tóng），從（cóng）幾十um到nm量級（jí），中間跨越了兩個數量級的精度。因此對檢測方法（fǎ）的大動態（tài）範（fàn）圍和較高的測量精度提出了（le）要求。幾何光線測量技（jì）術利（lì）用幾何光學原理對表麵進行檢測（cè），能夠滿足上述兩個要求。常見的防範有刀口法、哈特曼（màn）光闌法、夏克-哈特曼波前探測法、結構光條紋反射技術等。
幹涉測量技術：


利用一個（gè）較高麵形精度的參考鏡來對被（bèi）測（cè）鏡進行檢測，攜帶有參考麵信（xìn）息的參考光與攜帶（dài）有被測麵信息的被測光發生幹（gàn）涉，生成幹（gàn）涉條紋並被成像探（tàn）測器記錄，利用相位恢複算法可以從（cóng）幹涉條紋中複原出被測麵的麵形誤（wù）差。幹（gàn）涉測量精度（dù）高，采樣點豐（fēng）富，測量周期短，是光學件麵形（xíng）高精度檢測所廣泛采（cǎi）用的終檢手段。甚至可以稱得上高精度（dù）光學檢測的代名詞（cí），現已成為光學車間檢測的主流技術。
在大口徑非球麵的檢測中主要麵臨兩個技術難題，如（rú）何解決（jué）這兩個問題是現代光學幹涉測量所重點研究的方向：
一般數字波麵幹涉儀隻能生成平、球麵參考波前，無法直（zhí）接用於非球麵的零位幹涉測量；
對測量環境有較（jiào）高的要求，大口徑非球麵（miàn）的幹涉測量（liàng）檢測光路（lù）通常很長，一般（bān）無法通過物理隔（gé）振的方式實現。


常用的技術方法有以下兩大類：
非（fēi）零位幹涉測量：利用普通的波麵幹涉儀對非球麵直接進行無補償測量，該技術方向（xiàng）重點集中（zhōng）在（zài）如（rú）何解決得到的（de）幹涉（shè）條紋（wén）密集而導致CCD無法解析的問題。


零位幹涉測量：大（dà）口徑非球麵光學拋光主（zhǔ）要采（cǎi）用的方（fāng）法。過對被測非（fēi）球麵的數學表達式進行（háng）分析，計算（suàn）出非球麵上（shàng）各帶的法線（xiàn）與光軸焦點的位置和角度（dù）。通過（guò）設計相應的補償器件可保證幹涉儀出射的標準球麵波經過補償器後變成非球麵波，並恰好沿（yán）著被測非球麵的法線（xiàn）入射且能原路返回，實現非球（qiú）麵（miàn）像差的補償從（cóng）而實現零位測量。理論上， 零位（wèi）幹涉圖可以是全明或者全暗的零條紋狀態，不存（cún）在非共光路引入的回程誤差。因此，零位幹涉測量是高（gāo）精（jīng）度幹涉檢測必須考慮的測試（shì）方法[8]。


小口徑的檢測技術：
和大口徑的檢測（cè）技（jì）術相類似，小口徑的檢測技（jì）術主要也是坐標測量（主要是直（zhí）接麵型輪（lún）廓法）、幾（jǐ）何光學測量以及幹涉法。
小口徑的檢測相對大口徑要更容易實現，典型的（de）比如（rú）在幹涉法檢測中，因為小口徑的表（biǎo）麵中幹涉光線的光路路徑短（duǎn），對環境的要求沒有大口徑的（de）高；口徑小，檢測麵積小，同等檢（jiǎn）測要求（qiú）下（xià）檢測耗時少，效（xiào）率高。
總結：


小口徑（jìng）


大口徑


加工（gōng）工（gōng）藝


大批量：成型工（gōng）藝，屬於熱工藝，采（cǎi）用超精（jīng）密模具，模具精度對成型精（jīng）度起決定性作用；工序相對簡單、成本較低、效率較低；


單件：可采用粗磨（mó）、精磨、拋光到鍍膜的工序；


通常（cháng）為單件加工或者小批量製造（zào），工序複（fù）雜（zá）、加工成本高、周期長、對設備要求高；


研/拋技術


單點金剛石車削技（jì）術（SPDT）、超精（jīng）密磨削銑削、成型技術（shù）和特種加工技術，適用於小口（kǒu）徑的（de）研磨、拋光技術較少；磁（cí）流變技（jì）術是（shì）主要應用的技術


多種不同的技術可以采用，根據需（xū）要加工的工件、結合成本、時間選擇。複雜且漫（màn）長的過程


檢測


檢測時間短、難度小


檢測時（shí）間（jiān）長、難度大


需求


大批量、通用性


小批量、定製化


大口徑的光（guāng）學組件從加工工序的複雜程度、設備要（yào）求、設備數量、加工成本、加工周期以及檢測難（nán）度來看相（xiàng）對小口徑都較難；


大口徑小批量、定製化的特點決定了其需要（yào）針對特定的應（yīng）用進行加工，耗時（shí）耗力，成本更高；




國內上市公司（sī）所在的區間？


這裏我們總結了（le）國內上市公（gōng）司中產品和（hé）技（jì）術相似的幾家公（gōng）司，參考了他們各自的招（zhāo）股說明書公開的信息，並以圖表的方（fāng）式將他們目前具備的加工的（de）尺寸範圍進行了劃分，如下（xià）圖所示：




從結果中（zhōng）我們可看到，大部分公司的加工能力集中在400mm以下的口徑，其中以50-300之間最為普遍。僅有少數（shù）公司的少數產品加工口徑能夠達到超大口徑的範圍（wéi），這一（yī）類產品多用於（yú）大型天文望遠鏡等場景，產品多為定製開發。
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文章出處：南京CNC加工http://www.dxqiumoji.com/cn/info_15.aspx?itemid=668