精密光學(xué)加工2：小口徑與大口徑對(duì)比
目錄
1. 小口徑和大口徑是如何劃分的？
2. 小口徑和大口徑加工工藝的區(qū)別，孰難孰易？
3. 國(guó)內(nèi)上市公司所在的區(qū)間
在之前的文章中我們介紹了光學(xué)加工（冷加工）的技術(shù)路線，我們也提到了這個(gè)加工工藝流程中并不是所有的光學(xué)鏡片用到的加工技術(shù)和設(shè)備都是相同的，其中典型的就是大口徑和小口徑的光學(xué)元組件在加工過(guò)程中需要用到的設(shè)備和加工的工藝技術(shù)是有區(qū)別的。今天我們就來(lái)看看小口徑和大口徑之間的區(qū)別，不同的企業(yè)之間他們是如何在光學(xué)加工這個(gè)坐標(biāo)系中劃分自己占有的市場(chǎng)的。
小口徑和大口徑是如何劃分的？
對(duì)于鏡片大小尺寸的區(qū)分沒(méi)有嚴(yán)格統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)查閱相關(guān)的論文和文獻(xiàn)，整理得到通常可以將直徑口徑在200mm以下的鏡片（以非球面為參考，對(duì)于棱鏡是用長(zhǎng)度200mm為分界線來(lái)劃分大小的）稱為中小口徑，直徑口徑大于200mm的鏡片可以稱為大口徑。我們將不同口徑劃分區(qū)間進(jìn)行詳細(xì)的剖分得到如下示意圖：
圖片
隨著口徑的增加，應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋范圍逐步縮減。小口徑的鏡頭在民品方面應(yīng)用在諸如安防攝像頭、車載攝像頭、顯微鏡等領(lǐng)域，中等口徑的通常在一些小型的天文望遠(yuǎn)鏡等場(chǎng)景，軍品方面一些中小型的光電吊艙的鏡頭、激光雷達(dá)、光電打擊系統(tǒng)等；大型或者超大型的鏡片通常需要定制開(kāi)發(fā)，針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景加工，比如我們熟知的哈勃、韋伯天文望遠(yuǎn)鏡的主鏡面，直徑都是超過(guò)m量級(jí)的。這里我們簡(jiǎn)單整理一下不同口徑鏡頭的應(yīng)用以及對(duì)應(yīng)的口徑大小。
小口徑：0-50mm
應(yīng)用方向
口徑大?。▎挝唬簃m）
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)室自由曲面LED無(wú)影燈[3]
40-50
頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)（長(zhǎng)光所）[3]
<40
太赫茲光學(xué)準(zhǔn)直和聚焦[4]
25.4-38
微透鏡陣列[5]
0.032-1.5（單元孔徑）
手機(jī)攝像頭
<10
車載視覺(jué)鏡頭
10-50
中口徑：50-200mm
應(yīng)用方向
口徑大小（單位：mm）
小型天文望遠(yuǎn)鏡[2]
70-200
激光雷達(dá)光學(xué)口徑
100
大口徑：200-400mm
應(yīng)用方向
口徑大?。▎挝唬簃m）
半導(dǎo)體DUV光學(xué)鏡頭
100-300
哈勃空間望遠(yuǎn)鏡次鏡
300
超大口徑：＞400mm
應(yīng)用方向
口徑大?。▎挝唬簃m）
SiC非球面反射面（國(guó)防科大07年）
500
美國(guó)National Ignition Facility
500-1000（單片子鏡）
哈勃空間望遠(yuǎn)鏡主鏡
2400
美國(guó)的KH-12主鏡直徑
3800
韋伯太空望遠(yuǎn)鏡
1300（單片子鏡）
美國(guó)大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡
8400（單片子鏡）
小口徑和大口徑加工工藝的區(qū)別，孰難孰易？
上面我們簡(jiǎn)單介紹了小口徑和大口徑的劃分以及他們的部分應(yīng)用場(chǎng)景，接下來(lái)我們將討論一下在實(shí)現(xiàn)工藝中兩者的區(qū)別。有的人會(huì)覺(jué)得加工小尺寸的東西一定比加工大尺寸的東西要更難，因?yàn)樾∪缓笥忠龅礁呔群茈y；也有人覺(jué)得加工大口徑的東西更難，因?yàn)橐谶@么大面積上面保證每個(gè)地方的精度都保持很高難度很大。我們首先來(lái)看看非球面透鏡的小口徑和大口徑在制造工藝、工序、關(guān)鍵技術(shù)以及檢測(cè)有什么區(qū)別。
1. 加工工序和研磨拋光技術(shù)的差異
小口徑
小口徑加工的生產(chǎn)工藝可以分為銑磨成型、數(shù)控拋光和檢驗(yàn)檢測(cè)三個(gè)階段，如下圖所示[6]：
圖片
小口徑的非球面加工技主要有單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)（SPDT）、超精密磨削銑削、成型技術(shù)（見(jiàn)擴(kuò)展閱讀）和特種加工技術(shù)。普遍采用的超精密車削和磨削的方法大量應(yīng)用在熱成型的模具制造過(guò)程中。因?yàn)樾】趶降膽?yīng)用范圍廣泛、需求數(shù)量大，單件加工不具備經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，因此主要還是以成型技術(shù)為主。小口徑的超精密加工主要還是針對(duì)模具來(lái)看的。如果針對(duì)單件的小口徑加工來(lái)看也可以采用與大口徑相同的工藝順序，結(jié)合小工具拋光實(shí)現(xiàn)。
單純依靠超精密車削和磨削，會(huì)在零件表面留下加工痕跡和表面缺陷，達(dá)不到加工精度要求，因此后續(xù)還需要超精密拋光加工來(lái)進(jìn)一步提高表面質(zhì)量。
小口徑加工主要面臨以下幾個(gè)難點(diǎn)：
精度非球面光學(xué)元件僅依靠超精密車削和磨削，表面質(zhì)量難以達(dá)到要求。對(duì)于小口徑非球面模具的超精密磨削，工件表面不僅殘留有規(guī)則的磨痕，而且不可避免的產(chǎn)生品格錯(cuò)位、裂紋、殘余應(yīng)力、加工硬化等各種加工缺陷；
口徑小，易引起干涉。小口徑非球面的加工空間狹小(<10mm)，普通的加工工具難以對(duì)其進(jìn)行拋光，工業(yè)界目前主要采用手工拋光的方式，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工效率低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定。另外傳統(tǒng)的粘彈性拋光頭結(jié)臺(tái)游離磨料的拋光工藝，不同形狀、不同尺寸的工件需要專門的拋光工具，適應(yīng)性不強(qiáng)。因此傳統(tǒng)研拋技術(shù)在加工效率、精度、自動(dòng)化以及加工形面的適應(yīng)性等方面難以滿足；
磁流變拋光作為一種先進(jìn)的光學(xué)加工技術(shù)，具有加工過(guò)程確定可控、加工結(jié)果精確可測(cè)以及高精、高效等特點(diǎn)，在小口徑非球面超精密拋光中廣泛被使用。
擴(kuò)展閱讀：小口徑或者超小口徑實(shí)現(xiàn)方法主要是熱成型法（適用于大批量生產(chǎn)，這里我們做簡(jiǎn)單的介紹），加工過(guò)程中需要利用到高溫、高熱，并嚴(yán)格控制溫度、時(shí)間等參數(shù)實(shí)現(xiàn)的加工路線，包括了光學(xué)玻璃模壓成型（>100mm的非球面可大批量生產(chǎn)，精度可達(dá)nm量級(jí)）和光學(xué)塑料注射成型（<100mm的非球面透鏡可大批量生產(chǎn)）兩種方法。光學(xué)玻璃的熱壓成型技術(shù)的基本原理就是利用光學(xué)玻璃在不同溫度下具有不同的物理性質(zhì)，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材料隨溫度升高的熱膨脹狀態(tài)。當(dāng)溫度達(dá)到Tg（轉(zhuǎn)變點(diǎn)）的時(shí)候，光學(xué)玻璃由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軕B(tài)。當(dāng)溫度繼續(xù)上升達(dá)到Sp（軟化點(diǎn)），呈現(xiàn)流體性質(zhì)。
其中模壓成型的工藝如下圖所示：
大口徑
大口徑非球面透鏡加工一般來(lái)說(shuō)說(shuō)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)復(fù)雜且漫長(zhǎng)的過(guò)程（加工面的大小決定了加工時(shí)間），周期較長(zhǎng)，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、鍍膜等環(huán)節(jié)，同時(shí)每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須要配備對(duì)應(yīng)的一種或者多種檢測(cè)手段來(lái)保證工藝流程的高效運(yùn)行。上一篇文章中我們已經(jīng)提到了對(duì)于光學(xué)元件最重要的環(huán)節(jié)之一——拋光，在面向大口徑的加工中還有一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)——研磨（研磨影響了整體加工的效率和后續(xù)加工費(fèi)時(shí)、精度）[8]。
傳統(tǒng)研拋技術(shù)：采用和工件口徑相當(dāng)（0.8-1倍）的磨盤對(duì)工件進(jìn)行全域研磨。主要應(yīng)用在中小口徑的非球面加工，其依賴人工經(jīng)驗(yàn)，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、無(wú)法保證加工穩(wěn)定性。加工大口徑的效率很低，典型的如美國(guó)的2.5m胡可望遠(yuǎn)鏡加工時(shí)間6年，帕洛瑪5m望遠(yuǎn)鏡耗時(shí)14年，我國(guó)上世紀(jì)80年代完成的2.16m望遠(yuǎn)鏡耗時(shí)7年。
計(jì)算機(jī)控制表面成形技術(shù)（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又叫計(jì)算機(jī)控制小磨頭加工（磨頭直徑一般為工件的1/8-1/15[9]），通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床來(lái)控制磨頭的公自轉(zhuǎn)、壓力、駐留時(shí)間保證材料去除量，結(jié)合反復(fù)的檢測(cè)和加工保證面形精度。計(jì)算機(jī)控制極大的提高了效率，美國(guó)的Tinsley實(shí)驗(yàn)室研究CCOS技術(shù)已經(jīng)三十多年，在2006年利用該技術(shù)將JWST主鏡的一個(gè)單片鏡RMS從49.1um提高到1.46um，耗時(shí)3個(gè)月。對(duì)于CCOS的技術(shù)的不足請(qǐng)參閱《精密光學(xué)加工行業(yè)簡(jiǎn)介》中拋光的介紹。
可控柔體光學(xué)制造技術(shù)：這一類技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、控制技術(shù)的發(fā)展而演變出來(lái)的，有應(yīng)力盤拋光、氣囊拋光、磁流變拋光、射流拋光、離子束拋光等技術(shù)。
應(yīng)力工件變形加工技術(shù)：對(duì)工件施加應(yīng)力使之變形，加工成球面后釋放應(yīng)力得到非球面。Keck望遠(yuǎn)鏡主鏡的離軸非球面子鏡，VLT超大望遠(yuǎn)鏡4個(gè)8.4m主鏡，TMT的子鏡都是用這種方法實(shí)現(xiàn)的。
應(yīng)力盤拋光：對(duì)研拋盤進(jìn)行主動(dòng)變形來(lái)實(shí)現(xiàn)（拋光盤一般是主鏡直徑的1/3-1/5），通過(guò)計(jì)算機(jī)控制應(yīng)力盤的變形，在徑向平移和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與被加工面貼合，是。在1990s，美國(guó)SOML用該技術(shù)先后加工了1.2-8.4m直徑的多個(gè)大型非球面反射鏡。
射流拋光：針對(duì)復(fù)雜光學(xué)曲面加工，通過(guò)噴嘴噴射出混油磨料粒子的高速拋光液作用于表面，離子間的高速碰撞和剪切去除材料。美國(guó)QED公司在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了磁射流拋光技術(shù)，是磁流變技術(shù)和射流技術(shù)的結(jié)合。
關(guān)于氣囊拋光、磁流變、離子束技術(shù)（目前達(dá)到精度最高的技術(shù)，nm量級(jí)，甚至0.幾nm量級(jí)）參見(jiàn)文章《精密光學(xué)加工行業(yè)簡(jiǎn)介》。
可控柔體加工技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)、控制技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的集合，也目前世界上最先進(jìn)的光學(xué)加工工藝[10]。我們把上面介紹到的技術(shù)大致分為三類：基于數(shù)控機(jī)床的接觸式——CCOS；基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論——應(yīng)力工件變形拋光技術(shù)、應(yīng)力盤拋光技術(shù)；基于多能場(chǎng)——磁流變拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)。其中基于數(shù)控機(jī)床的接觸式，在一些粗磨、精磨以及粗拋的過(guò)程中應(yīng)用較多；基于彈性力學(xué)基礎(chǔ)理論的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)非球面鏡高效率研拋的主要手段；基于多能場(chǎng)的是實(shí)現(xiàn)大口徑非球面最終高精度面形要求的必要手段。
大口徑光學(xué)非球面的實(shí)際加工一定是多種加工技術(shù)的組合，才能保證加工效率和精度。從先進(jìn)光學(xué)加工的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)說(shuō)， 以能流束拋光技術(shù)(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(shù)是未來(lái)大型非球面鏡高精度光學(xué)加工的發(fā)展方向。
2. 檢測(cè)技術(shù)的差異
大口徑的檢測(cè)技術(shù)：
和光學(xué)加工過(guò)程一樣，非球面的光學(xué)檢測(cè)相對(duì)于平面來(lái)說(shuō)也是非常困難的。與小口徑相比，大口徑的非球面光學(xué)檢測(cè)難度要更高。
非球面的光學(xué)檢測(cè)按照原理可以分為坐標(biāo)測(cè)量、幾何光線測(cè)量和光學(xué)干涉測(cè)量。
坐標(biāo)測(cè)量（研磨階段測(cè)量）：有接觸式和非接觸式，常見(jiàn)的設(shè)備有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和輪廓儀，先利用高精度的位移傳感器對(duì)待測(cè)面上離散的點(diǎn)進(jìn)行掃描測(cè)量，得到各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后通過(guò)數(shù)學(xué)插值重構(gòu)出全口徑的三維面形，最后與非球面的理論面形比較獲得最終的面形誤差。理論上，可以得到被測(cè)面的所有幾何參數(shù)。該方法是光學(xué)制造中實(shí)現(xiàn)在位測(cè)量的重要方法，好處在于其能保證加工坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系一致，并且避免大型非球面工件的搬運(yùn)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于提高大口徑非球面研拋效率有重要意義。
傳統(tǒng)的接觸式坐標(biāo)測(cè)量存在劃傷表面的風(fēng)險(xiǎn)，并且其測(cè)量精度受限于位移傳感器和測(cè)頭的定位精度。因此，傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量，比如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、輪廓儀以及激光跟蹤儀，常見(jiàn)于光學(xué)研磨階段的面形檢測(cè)。
高靈敏度的非接觸式光學(xué)探針解決了坐標(biāo)測(cè)量的表面劃傷問(wèn)題，測(cè)量精度不斷提高，已經(jīng)達(dá)到了幾十納米。
幾何光線測(cè)量技術(shù)：
我們結(jié)合光學(xué)加工的工序來(lái)看，從粗磨、精磨、粗拋到精拋，不同的環(huán)節(jié)形成的面形精度都不同，從幾十um到nm量級(jí)，中間跨越了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的精度。因此對(duì)檢測(cè)方法的大動(dòng)態(tài)范圍和較高的測(cè)量精度提出了要求。幾何光線測(cè)量技術(shù)利用幾何光學(xué)原理對(duì)表面進(jìn)行檢測(cè)，能夠滿足上述兩個(gè)要求。常見(jiàn)的防范有刀口法、哈特曼光闌法、夏克-哈特曼波前探測(cè)法、結(jié)構(gòu)光條紋反射技術(shù)等。
干涉測(cè)量技術(shù)：
利用一個(gè)較高面形精度的參考鏡來(lái)對(duì)被測(cè)鏡進(jìn)行檢測(cè)，攜帶有參考面信息的參考光與攜帶有被測(cè)面信息的被測(cè)光發(fā)生干涉，生成干涉條紋并被成像探測(cè)器記錄，利用相位恢復(fù)算法可以從干涉條紋中復(fù)原出被測(cè)面的面形誤差。干涉測(cè)量精度高，采樣點(diǎn)豐富，測(cè)量周期短，是光學(xué)件面形高精度檢測(cè)所廣泛采用的終檢手段。甚至可以稱得上高精度光學(xué)檢測(cè)的代名詞，現(xiàn)已成為光學(xué)車間檢測(cè)的主流技術(shù)。
在大口徑非球面的檢測(cè)中主要面臨兩個(gè)技術(shù)難題，如何解決這兩個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)代光學(xué)干涉測(cè)量所重點(diǎn)研究的方向：
一般數(shù)字波面干涉儀只能生成平、球面參考波前，無(wú)法直接用于非球面的零位干涉測(cè)量；
對(duì)測(cè)量環(huán)境有較高的要求，大口徑非球面的干涉測(cè)量檢測(cè)光路通常很長(zhǎng)，一般無(wú)法通過(guò)物理隔振的方式實(shí)現(xiàn)。
常用的技術(shù)方法有以下兩大類：
非零位干涉測(cè)量：利用普通的波面干涉儀對(duì)非球面直接進(jìn)行無(wú)補(bǔ)償測(cè)量，該技術(shù)方向重點(diǎn)集中在如何解決得到的干涉條紋密集而導(dǎo)致CCD無(wú)法解析的問(wèn)題。
零位干涉測(cè)量：大口徑非球面光學(xué)拋光主要采用的方法。過(guò)對(duì)被測(cè)非球面的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析，計(jì)算出非球面上各帶的法線與光軸焦點(diǎn)的位置和角度。通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償器件可保證干涉儀出射的標(biāo)準(zhǔn)球面波經(jīng)過(guò)補(bǔ)償器后變成非球面波，并恰好沿著被測(cè)非球面的法線入射且能原路返回，實(shí)現(xiàn)非球面像差的補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)零位測(cè)量。理論上， 零位干涉圖可以是全明或者全暗的零條紋狀態(tài)，不存在非共光路引入的回程誤差。因此，零位干涉測(cè)量是高精度干涉檢測(cè)必須考慮的測(cè)試方法[8]。
小口徑的檢測(cè)技術(shù)：
和大口徑的檢測(cè)技術(shù)相類似，小口徑的檢測(cè)技術(shù)主要也是坐標(biāo)測(cè)量（主要是直接面型輪廓法）、幾何光學(xué)測(cè)量以及干涉法。
小口徑的檢測(cè)相對(duì)大口徑要更容易實(shí)現(xiàn)，典型的比如在干涉法檢測(cè)中，因?yàn)樾】趶降谋砻嬷懈缮婀饩€的光路路徑短，對(duì)環(huán)境的要求沒(méi)有大口徑的高；口徑小，檢測(cè)面積小，同等檢測(cè)要求下檢測(cè)耗時(shí)少，效率高。
總結(jié)：
小口徑
大口徑
加工工藝
大批量：成型工藝，屬于熱工藝，采用超精密模具，模具精度對(duì)成型精度起決定性作用；工序相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、效率較低；
單件：可采用粗磨、精磨、拋光到鍍膜的工序；
通常為單件加工或者小批量制造，工序復(fù)雜、加工成本高、周期長(zhǎng)、對(duì)設(shè)備要求高；
研/拋技術(shù)
單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)（SPDT）、超精密磨削銑削、成型技術(shù)和特種加工技術(shù)，適用于小口徑的研磨、拋光技術(shù)較少；磁流變技術(shù)是主要應(yīng)用的技術(shù)
多種不同的技術(shù)可以采用，根據(jù)需要加工的工件、結(jié)合成本、時(shí)間選擇。復(fù)雜且漫長(zhǎng)的過(guò)程
檢測(cè)
檢測(cè)時(shí)間短、難度小
檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、難度大
需求
大批量、通用性
小批量、定制化
大口徑的光學(xué)組件從加工工序的復(fù)雜程度、設(shè)備要求、設(shè)備數(shù)量、加工成本、加工周期以及檢測(cè)難度來(lái)看相對(duì)小口徑都較難；
大口徑小批量、定制化的特點(diǎn)決定了其需要針對(duì)特定的應(yīng)用進(jìn)行加工，耗時(shí)耗力，成本更高；
國(guó)內(nèi)上市公司所在的區(qū)間？
這里我們總結(jié)了國(guó)內(nèi)上市公司中產(chǎn)品和技術(shù)相似的幾家公司，參考了他們各自的招股說(shuō)明書(shū)公開(kāi)的信息，并以圖表的方式將他們目前具備的加工的尺寸范圍進(jìn)行了劃分，如下圖所示：
從結(jié)果中我們可看到，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(shù)產(chǎn)品加工口徑能夠達(dá)到超大口徑的范圍，這一類產(chǎn)品多用于大型天文望遠(yuǎn)鏡等場(chǎng)景，產(chǎn)品多為定制開(kāi)發(fā)。
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文章出處：南京CNC加工http://sghtsm.com/cn/info_15.aspx?itemid=668
精密光學(xué)加工2：小口徑與大口徑對(duì)比
09-30-2022
