精密光學加工2：小口徑與大口徑對比


目錄


1. 小口（kǒu）徑和大口徑是（shì）如何劃分的？


2. 小口徑和大口徑加工工藝的區別，孰難孰易？


3. 國內上市（shì）公司所在的區間


在之前的文章中我們介紹了（le）光學加工（冷加工）的技術路線，我們也提到了這個加工工藝流程中並不（bú）是所有的光（guāng）學鏡片用到的加工技術和（hé）設備都是相同的，其中典型的就是大（dà）口徑（jìng）和小口徑的光學元組（zǔ）件在加工過程中需要用到的設（shè）備和加工的工藝技術是有區別的。今天我們就來看看小口徑和（hé）大（dà）口徑（jìng）之間（jiān）的區別，不同的企（qǐ）業之（zhī）間（jiān）他們是如何在光學加（jiā）工這個坐標係中劃分自己占有的市場的。
小口徑和大口徑是如何劃分的？


對於鏡片（piàn）大小尺寸的區分沒有（yǒu）嚴格（gé）統一的劃分標（biāo）準，通過查閱相（xiàng）關的論文和文獻，整理得到通常可以將直徑口徑在200mm以下的鏡片（以非球麵為參（cān）考，對於棱鏡是用長度200mm為分界線來（lái）劃分大小的）稱為中小口徑，直徑口徑大於200mm的鏡片可以稱為（wéi）大口徑（jìng）。我們將不（bú）同口徑劃分區間進行詳細的剖分得到如下（xià）示意圖：
圖片


隨（suí）著（zhe）口徑的增加，應用（yòng）場景覆蓋範圍（wéi）逐步縮減。小（xiǎo）口徑的鏡頭在民品方麵應用在（zài）諸如安防攝像頭、車載攝像（xiàng）頭、顯微鏡等領域，中等口徑的通常在一些小型的天文望遠鏡等場（chǎng）景（jǐng），軍品方（fāng）麵一些（xiē）中小型的光電吊艙的鏡頭、激光雷達、光電打擊係（xì）統等；大型或者超大（dà）型的（de）鏡片通常需要定製（zhì）開發，針對特定（dìng）的應用場景加（jiā）工（gōng），比如我們熟知的哈（hā）勃、韋伯天文望遠鏡的主鏡麵，直徑都是超過m量級的。這裏我（wǒ）們簡單整理一下不同口徑（jìng）鏡頭的應用以及對應的口徑大小。
小口徑：0-50mm


應用方（fāng）向


口徑大小（單（dān）位：mm）


安防攝像頭


<60


顯微鏡


20-30


車載DVR（一款隱（yǐn）藏（cáng）式寬FOV）[1]


12


手術（shù）室自由曲麵LED無（wú）影（yǐng）燈（dēng）[3]


40-50


頭盔顯示光學係統（長（zhǎng）光所）[3]


<40


太赫茲光學準（zhǔn）直和聚（jù）焦[4]


25.4-38


微透鏡陣列[5]


0.032-1.5（單元孔徑）


手機攝像頭


<10


車載視（shì）覺鏡頭


10-50


中口徑：50-200mm


應用（yòng）方（fāng）向


口徑大（dà）小（單位：mm）


小型天文望遠鏡[2]


70-200


激光（guāng）雷達光學口徑


100


大（dà）口徑：200-400mm


應用（yòng）方向


口徑大小（單位：mm）


半導體DUV光學鏡頭


100-300


哈勃空間望遠鏡次（cì）鏡


300


超大口徑：＞400mm


應用方向


口徑大小（單位：mm）


SiC非球麵反射麵（國防科大07年）


500


美（měi）國National Ignition Facility


500-1000（單片子鏡）


哈勃空間望遠鏡主鏡


2400


美國的KH-12主鏡（jìng）直徑


3800


韋伯太空望遠（yuǎn）鏡


1300（單片子鏡）


美國大麥哲倫（lún）望遠鏡


8400（單片子（zǐ）鏡）


小口徑和大口徑加工（gōng）工藝的（de）區別，孰難孰易？


上麵我們簡單介紹了小口徑（jìng）和大口徑（jìng）的劃分以及他們的部分應用場景（jǐng），接下來我們將討（tǎo）論一下在實現工藝中兩者的（de）區別。有的（de）人會覺得加工小尺寸的東西一定比加工大尺寸的東（dōng）西要更難，因為（wéi）小然後又要做到高精度很難；也有人覺得（dé）加工大（dà）口徑的東西更難，因為要（yào）在這（zhè）麽大麵積上麵保證每個地方的精度都保持很高難度很大。我們（men）首先來看看非球麵（miàn）透鏡的小口徑（jìng）和（hé）大口徑在製造工藝、工序、關鍵技術以及檢測有什麽區別。
1. 加工（gōng）工序和（hé）研（yán）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成（chéng）型（xíng）、數控拋光和檢驗（yàn）檢測三個階段，如下圖所示[6]：
圖片


小口（kǒu）徑的非球麵加工技主要有單點（diǎn）金剛石（shí）車削技術（SPDT）、超精密磨削銑削、成型技術（見擴展（zhǎn）閱讀）和特種加工技術。普遍采用的（de）超（chāo）精密車削和磨削的方法大量應用在熱成型的模具製造過程（chéng）中。因（yīn）為小口徑的應用（yòng）範圍廣泛、需求數量大，單件加工不具（jù）備經濟效應，因此（cǐ）主要還是以（yǐ）成型技術（shù）為（wéi）主。小口徑的超精密（mì）加工主要還是（shì）針對模具（jù）來看的。如果針對單件的（de）小口徑加工來看也可以采用與大口徑相同的工藝順序，結合小工具拋光實（shí）現。
單純依靠超精密（mì）車削和磨削，會在零件表麵留下加工痕跡和表麵缺陷，達不到加工精度要求（qiú），因此後續還需要超精密拋光加工來進一步提高表麵質量（liàng）。
小口徑加工主要麵臨以下幾（jǐ）個難點：
精度非球麵光學元件（jiàn）僅依靠超（chāo）精密車削和磨削，表麵質量難以（yǐ）達到（dào）要求。對（duì）於小（xiǎo）口徑非球麵模具的超精密磨削，工件表麵不僅殘留有規則的磨痕，而且不（bú）可避免的產生品格錯位（wèi）、裂紋、殘餘應力、加工（gōng）硬化等各種加工缺陷（xiàn）；


口（kǒu）徑小，易引起幹涉。小口徑（jìng）非球麵的加（jiā）工空間狹小(<10mm)，普（pǔ）通的加工工具難以對其進行（háng）拋光，工業界目（mù）前主要采用手工拋光的方式，但是勞動強（qiáng）度（dù）大、加工效率低、加工質量不（bú）穩定。另外傳統的（de）粘彈性拋光頭結台遊離磨料的拋光工藝（yì），不同形狀、不（bú）同尺寸的工件需要專（zhuān）門的拋光工具，適應性（xìng）不強（qiáng）。因此傳統研（yán）拋技術在加工效（xiào）率、精度、自動化以及加工（gōng）形麵的適應性等方麵難以滿足（zú）；


磁流變拋光（guāng）作為一種先進的光學加工（gōng）技術，具有加（jiā）工過程確定可控、加工結果精確可測以（yǐ）及高精、高（gāo）效等特（tè）點，在（zài）小口徑非球麵超精密拋光（guāng）中（zhōng）廣泛被使（shǐ）用。
擴展閱讀：小口（kǒu）徑或者（zhě）超小口徑實現方法主要是熱成（chéng）型法（適用於大批量生產，這裏我們做簡單（dān）的介紹），加工過程中（zhōng）需要利用到高溫、高熱，並嚴格控製溫度、時間等參數實現的加工路線，包括了光學玻璃模壓成型（>100mm的非球麵可大批量生產（chǎn），精度可（kě）達nm量（liàng）級）和光學塑料（liào）注射成型（<100mm的非球（qiú）麵透鏡可大批量生產）兩種方法。光（guāng）學玻璃（lí）的熱壓成型技術的（de）基本原理就是利（lì）用光學玻璃在不（bú）同溫度下（xià）具有不同的物理性質，在常溫下，玻（bō）璃硬脆，在高溫下具有粘（zhān）流性[7]。


上圖中表示了某類玻璃材（cái）料隨溫度（dù）升高的（de）熱膨脹狀態。當溫度達到Tg（轉變點）的（de）時候，光學（xué）玻（bō）璃由固態轉（zhuǎn）變為可塑態。當溫度繼續上升（shēng）達到Sp（軟（ruǎn）化點），呈現流體性質。
其中模壓成型的工藝如下圖（tú）所示：


大口徑
大口徑非球麵透鏡加工一般來說說需（xū）要經過一（yī）個複雜且漫（màn）長的過程（加工麵的大小決定了加工時間），周期較（jiào）長，其主要的工藝流程包括了銑磨成型、粗磨、精磨、粗拋光、精拋光、鍍膜等（děng）環節，同時每（měi）一個環（huán）節都（dōu）必須要配備對應的（de）一種或者（zhě）多種檢測手段來保證工藝流程的高（gāo）效運（yùn）行。上一篇文章中我們（men）已經提到了對於光學元件最重要的環節之一——拋光，在麵向大口徑的加工中還有一個非常重要的環節——研磨（研磨影響了整體加工的效率和後續加工費時、精度）[8]。
傳統研拋技術：采用和工件口徑相當（0.8-1倍）的（de）磨盤對工件進行全域研磨。主要（yào）應用在中小口徑的非球麵加工，其依賴人工經驗，效率低、勞動強度大、無法保證加工穩定性。加工大口徑（jìng）的效率很低，典型的如美國（guó）的2.5m胡可（kě）望遠鏡加（jiā）工時間6年，帕（pà）洛瑪5m望遠鏡耗（hào）時14年，我國上世紀80年代完成（chéng）的2.16m望遠鏡耗時7年。
計算機控製表麵成形（xíng）技術（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又叫計（jì）算機控製（zhì）小磨頭加工（磨頭直徑一般為工件的1/8-1/15[9]），通過多軸聯動（dòng）的數控機床來控製磨頭的公自轉、壓力、駐留時間保證（zhèng）材料去除量，結合反複的檢測和加工保證麵形精度。計算機控製極大的提高了效率，美國的Tinsley實驗室研究CCOS技術已經（jīng）三（sān）十多年，在2006年利用該技術將（jiāng）JWST主鏡的一個單片鏡RMS從49.1um提高到（dào）1.46um，耗時3個月（yuè）。對於（yú）CCOS的技術（shù）的不足請參閱《精密光學加工行業簡介》中拋光的介紹。
可控柔體光學（xué）製造技術：這一類技術是隨著計算機科（kē）學、材料科學、控製技術的發展而演（yǎn）變出來的，有應力盤拋光、氣囊拋光、磁流變拋光、射流拋（pāo）光、離子束拋光等技術。
應力工件變（biàn）形加工技術：對工（gōng）件施加應力使之變形，加工成球麵後釋放應（yīng）力（lì）得到非球麵。Keck望遠鏡主鏡的離軸非球麵子鏡，VLT超大望（wàng）遠鏡4個8.4m主鏡，TMT的子鏡都是用這（zhè）種方法（fǎ）實現（xiàn）的。
應力盤拋光：對（duì）研（yán）拋（pāo）盤進行主動變形來實現（拋光盤一般是主鏡直徑的（de）1/3-1/5），通過計算機（jī）控製應力盤的變（biàn）形，在徑向平移和旋轉（zhuǎn）過程中與被加工麵貼合，是。在1990s，美國SOML用該技術先後加工了（le）1.2-8.4m直（zhí）徑的多個大型非球麵反（fǎn）射鏡。
射流拋光：針對複雜光學曲麵加工，通（tōng）過噴嘴噴射出混油（yóu）磨料粒子的高速拋光液（yè）作用於表麵，離子間的高速碰撞和剪切去除材料（liào）。美國QED公司在此基礎上開發（fā）了磁射流拋光技術，是磁流變技術和（hé）射流技術（shù）的結合（hé）。
關於氣（qì）囊拋光、磁流變、離子束技術（目前達到精度最高的技術，nm量級，甚（shèn）至0.幾nm量級）參見文章《精密光學加工行業簡介（jiè）》。
可控柔體加（jiā）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（xué）加工工藝[10]。我們把上麵介紹到的技術大致分為三（sān）類：基於數控機（jī）床（chuáng）的接觸式（shì）——CCOS；基於彈性力學基礎理論（lùn）——應力工件變形拋光技術、應（yīng）力盤拋光技術；基於多能場——磁流變拋光技術、離子束拋光技術。其中基於數控機床的接（jiē）觸式，在一些粗磨、精磨（mó）以及粗拋的過程中應用較多；基（jī）於彈性力學基礎（chǔ）理論的技術是實現大口徑光學非球麵鏡高效（xiào）率（lǜ）研拋的主要手（shǒu）段；基於多能場的是實現大口徑非球麵最終（zhōng）高（gāo）精度麵形要求（qiú）的必要手段。
大口徑光學非球麵的實際加（jiā）工一定是多種（zhǒng）加工（gōng）技術的組合，才能保證加工效率和精度。從先進光學加工的發展趨勢來說， 以能流束拋光技術(如磁流（liú）變拋光、離子（zǐ）束、射流（liú）體)為代（dài）表的第三代可控柔體加工技術是未來大型非球麵（miàn）鏡高精度（dù）光（guāng）學（xué）加工的發（fā）展方（fāng）向。
2. 檢測技術的（de）差異
大（dà）口徑的檢測技術：
和光學（xué）加工過程（chéng）一（yī）樣，非球麵的光學檢測相對於平麵來說也是非（fēi）常困難的。與小口徑相比，大口徑的非球麵光學檢測難度要更高。
非球麵（miàn）的光學檢（jiǎn）測按照原理可以分為坐標（biāo）測量、幾何光線測量和光學幹涉測（cè）量。
坐標測量（研（yán）磨階段測量）：有接觸式和非接觸式，常見的設備有三（sān）坐標測（cè）量機和輪廓儀，先利用高精度的位（wèi）移（yí）傳感器對待（dài）測（cè）麵上離散的點進行掃描測量，得到各點的三維坐標，然後通過數學（xué）插值重（chóng）構出全口徑的三維麵形，最（zuì）後與（yǔ）非球麵的理論麵（miàn）形比較獲得最終的（de）麵形（xíng）誤差。理論（lùn）上，可以得到被（bèi）測麵的（de）所（suǒ）有（yǒu）幾何參數。該方法是光學製造中實現（xiàn）在（zài）位測量的重（chóng）要方法，好處在於其能保證加工坐標係和測（cè）量坐標係一致（zhì），並且（qiě）避免大型非球麵工件的搬運帶（dài）來的風險（xiǎn），對於提高大口（kǒu）徑非球麵研拋效率有（yǒu）重要意義。
傳統的接觸式坐標測量存在劃傷表麵的風險，並且其測量精度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（liàng），比如三坐標測量機、輪廓（kuò）儀以及激光跟蹤儀，常見於光（guāng）學研磨階段的麵形檢測。
高靈敏度的（de）非接觸式光學探針解決（jué）了坐標測量的表麵劃傷問題，測量精度不斷提高（gāo），已經（jīng）達到了幾十（shí）納米。
幾何光線測量（liàng）技術：


我們結合光學加（jiā）工的工序來看，從粗磨、精磨、粗拋到精拋，不同的環節形成的麵形精度都不同，從幾十um到nm量級，中（zhōng）間跨越了兩個數（shù）量級的精度。因此（cǐ）對檢測方法的大動態範圍和較高的測量精度提出（chū）了（le）要求。幾何光線測量技術利用幾何光學原理對表麵進行檢（jiǎn）測，能夠滿足上述兩個要求。常見（jiàn）的防範有刀口（kǒu）法、哈特曼光闌法、夏克-哈特（tè）曼波前探測法、結構光條紋（wén）反射技術等。
幹涉測量技（jì）術：


利用（yòng）一個較高麵形精度的參考鏡來對（duì）被測鏡（jìng）進行檢測，攜帶有（yǒu）參考麵信息的參考光（guāng）與攜帶（dài）有被測麵信息的被（bèi）測光發生幹涉，生成幹涉條紋並被成像探測器記錄，利用相位恢複算法（fǎ）可以從幹涉條紋中複原（yuán）出被測麵的麵形誤差（chà）。幹涉測量精度高，采樣點豐富，測量周期短，是光學件麵形高精度檢測所廣泛采用的終檢手段。甚至可以稱得上高精度光學檢測的代名詞（cí），現已成為光學車間（jiān）檢（jiǎn）測的主流技術。
在大口徑非球麵（miàn）的檢測中主要麵臨兩個技術難題，如何解決這兩個問題（tí）是現代光學（xué）幹涉測量所（suǒ）重點研究的方（fāng）向：
一般數字波麵幹涉儀隻能生成平、球（qiú）麵（miàn）參考波前，無法直接用於非球（qiú）麵的零位幹涉（shè）測量；
對測量環境（jìng）有較高的要求，大口徑非球麵的幹涉測量（liàng）檢測光路通常很長，一般無法通過物理隔振（zhèn）的方式實現。


常（cháng）用的技術方法有以下兩大類（lèi）：
非（fēi）零位幹涉測量（liàng）：利用普通的波麵幹涉儀對非球麵直接（jiē）進行無補償測量，該技術方向（xiàng）重點集中在如（rú）何解決得到的幹涉條紋密（mì）集而導致CCD無法解析的問題。


零位（wèi）幹涉測量：大口徑非球（qiú）麵光學拋光主要采用的方法。過對（duì）被測非球麵的數（shù）學表達式（shì）進（jìn）行分析，計算出非球麵上各帶的法線與光軸焦（jiāo）點的位置和角度。通（tōng）過設計相應的補償器（qì）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（bìng）恰好沿著被測非球麵的法（fǎ）線入射且能原路返回，實現非球麵像差的補償從而實現零位測量。理論上， 零位幹涉圖（tú）可以是全明或者全暗的零條紋狀態，不存在（zài）非共（gòng）光路引入的回程誤差。因此，零位幹（gàn）涉測（cè）量是高精（jīng）度幹涉檢（jiǎn）測必須考慮的測試方法（fǎ）[8]。


小口徑的檢測技術：
和大口徑（jìng）的（de）檢測技術相類似，小口徑的檢測技術主要也是坐標測量（主要是直接麵（miàn）型（xíng）輪廓法）、幾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，典型的比如在幹涉法檢（jiǎn）測（cè）中，因為小口徑的表麵中幹涉光線的光路（lù）路徑短，對環境的要求沒有大口徑的高；口徑小，檢測麵積小，同等檢測要求（qiú）下檢測耗時少（shǎo），效率高。
總結：


小口徑


大口徑


加工工藝


大批（pī）量：成型工藝，屬於熱工（gōng）藝，采用超（chāo）精密模具，模具精（jīng）度對成型精度起決定性作用；工（gōng）序相對（duì）簡單（dān）、成本較低、效率較低；


單（dān）件（jiàn）：可采用粗磨、精磨、拋光到鍍膜的（de）工序；


通常為單件加工或者小批量（liàng）製造，工序複雜、加工成本高、周期長、對設備要求高（gāo）；


研/拋技（jì）術


單點（diǎn）金（jīn）剛石（shí）車削技術（SPDT）、超精密磨削（xuē）銑削、成（chéng）型技術和特（tè）種加工技術，適（shì）用於小口徑（jìng）的研磨、拋光技術（shù）較少；磁（cí）流變技術（shù）是主要應（yīng）用的技術


多種不（bú）同的技術可以采（cǎi）用，根據需要加工的工件、結合成本（běn）、時間選擇。複雜且漫長的過程


檢測


檢測時間短、難度小


檢測時間（jiān）長、難（nán）度大


需求


大批量（liàng）、通用性


小批量、定製化


大口徑（jìng）的光學（xué）組件從加工工（gōng）序的複雜程度、設（shè）備（bèi）要求、設備數量（liàng）、加（jiā）工（gōng）成本、加工周期以及檢（jiǎn）測難度來看相對小口徑都較（jiào）難；


大（dà）口徑小批量、定製化的特點決定了其需（xū）要針對特（tè）定的應用進行加工，耗（hào）時耗（hào）力（lì），成本更高；




國內上市公司所在的區間？


這裏我們總結了國內上市（shì）公司中（zhōng）產品（pǐn）和技（jì）術相似的幾家公司（sī），參考了他們各自的招股說明書公開的信息（xī），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，如下圖所示：




從結果中我們可看到，大部分公司（sī）的加工能力集中在400mm以下的口徑，其中以50-300之間最為普（pǔ）遍（biàn）。僅有少數公司的少數產品加工口徑能夠達到（dào）超大口徑的範圍，這一類產（chǎn）品多用於大型天文望遠鏡（jìng）等場景，產品多為定製開發。
參考文獻：


[1] https://www.smartautoclub.com/p/29408/
[2]https://oncoursewares.com/products/telescope-70mm-aperture-500mm-for-kids-adults-astronomical-refracting-portable-telescopes-az-mount-fully-multi-coated-optics-with-tripods-phones-adapter-wireless-remote-carrying-bag
[3]王守義.小口徑自由曲麵光學（xué）元件的（de）補償加（jiā）工技術[D].西安工業大學，2021
[4]https://www.menlosystems.com/cn/products/thz-antennas-and-components/thz-lenses/
[5]https://www.highlightoptics.com/upload/20210827/%E6%B5%B7%E7%BA%B3%E5%85%89%E5%AD%A6%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9B%AE%E5%BD%952021.pdf
[6]鄭爽.高精度小口（kǒu）徑非球麵加（jiā）工工藝研究[D].長春理工大學,2013;
[7]龔峰.光學玻璃精密模壓成型設備模具研製[D].深圳大學（xué）,2017;
[8]劉（liú）鋒（fēng）偉，吳永前（qián），陳強，等（děng）. 大口徑光學非球（qiú）麵鏡先進製造（zào）技術概述[J]. 光電工程， 2020， 47(10): 200203
[9]鄭（zhèng）立功（gōng）. 離軸非球麵 CCOS 加工過程關（guān）鍵技術研究[D]. 長春: 中國科學院長春光學精密（mì）機械與物理研究所, 2003.
[10] 李聖怡, 戴一帆（fān）. 大中型光學非球麵（miàn）鏡製造與測量新（xīn）技術[M]. 北京: 國防工業出版社（shè）, 2011: 5–34.

文章出處：南京CNC加工http://www.dxqiumoji.com/cn/info_15.aspx?itemid=668