精密光學(xué)加工2：小口徑與大口徑對比
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)加工這個坐標(biāo)系中劃分自己占有的市場的。
小口徑和大口徑是如何劃分的？
對于鏡片大小尺寸的區(qū)分沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過查閱相關(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，對于棱鏡是用長度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發(fā)，針對特定的應(yīng)用場景加工，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m量級的。這里我們簡單整理一下不同口徑鏡頭的應(yīng)用以及對應(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無影燈[3]
40-50
頭盔顯示光學(xué)系統(tǒng)（長光所）[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
車載視覺鏡頭
10-50
中口徑：50-200mm
應(yīng)用方向
口徑大?。▎挝唬簃m）
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
口徑大小（單位：mm）
SiC非球面反射面（國防科大07年）
500
美國National Ignition Facility
500-1000（單片子鏡）
哈勃空間望遠(yuǎn)鏡主鏡
2400
美國的KH-12主鏡直徑
3800
韋伯太空望遠(yuǎn)鏡
1300（單片子鏡）
美國大麥哲倫望遠(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)用場景，接下來我們將討論一下在實(shí)現(xiàn)工藝中兩者的區(qū)別。有的人會覺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地方的精度都保持很高難度很大。我們首先來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)檢測三個階段，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模具來看的。如果針對單件的小口徑加工來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進(jìn)一步提高表面質(zhì)量。
小口徑加工主要面臨以下幾個難點(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)，具有加工過程確定可控、加工結(jié)果精確可測以及高精、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)，這里我們做簡單的介紹），加工過程中需要利用到高溫、高熱，并嚴(yán)格控制溫度、時間等參數(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）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說說需要經(jīng)過一個復(fù)雜且漫長的過程（加工面的大小決定了加工時間），周期較長，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、鍍膜等環(huán)節(jié)，同時每一個環(huán)節(jié)都必須要配備對應(yīng)的一種或者多種檢測手段來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、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、勞動強(qiáng)度大、無法保證加工穩(wěn)定性。加工大口徑的效率很低，典型的如美國的2.5m胡可望遠(yuǎn)鏡加工時間6年，帕洛瑪5m望遠(yuǎn)鏡耗時14年，我國上世紀(jì)80年代完成的2.16m望遠(yuǎn)鏡耗時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]），通過多軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床來控制磨頭的公自轉(zhuǎn)、壓力、駐留時間保證材料去除量，結(jié)合反復(fù)的檢測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主鏡的一個單片鏡RMS從49.1um提高到1.46um，耗時3個月。對于CCOS的技術(shù)的不足請參閱《精密光學(xué)加工行業(yè)簡介》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：對研拋盤進(jìn)行主動變形來實(shí)現(xiàn)（拋光盤一般是主鏡直徑的1/3-1/5），通過計(jì)算機(jī)控制應(yīng)力盤的變形，在徑向平移和旋轉(zhuǎn)過程中與被加工面貼合，是。在1990s，美國SOML用該技術(shù)先后加工了1.2-8.4m直徑的多個大型非球面反射鏡。
射流拋光：針對復(fù)雜光學(xué)曲面加工，通過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QED公司在此基礎(chǔ)上開發(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，甚至0.幾nm量級）參見文章《精密光學(xué)加工行業(yè)簡介》。
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——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)展趨勢來說， 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)是未來大型非球面鏡高精度光學(xué)加工的發(fā)展方向。
2. 檢測技術(shù)的差異
大口徑的檢測技術(shù)：
和光學(xué)加工過程一樣，非球面的光學(xué)檢測相對于平面來說也是非常困難的。與小口徑相比，大口徑的非球面光學(xué)檢測難度要更高。
非球面的光學(xué)檢測按照原理可以分為坐標(biāo)測量、幾何光線測量和光學(xué)干涉測量。
坐標(biāo)測量（研磨階段測量）：有接觸式和非接觸式，常見的設(shè)備有三坐標(biāo)測量機(jī)和輪廓儀，先利用高精度的位移傳感器對待測面上離散的點(diǎn)進(jìn)行掃描測量，得到各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后通過數(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)在位測量的重要方法，好處在于其能保證加工坐標(biāo)系和測量坐標(biāo)系一致，并且避免大型非球面工件的搬運(yùn)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，對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)測量存在劃傷表面的風(fēng)險(xiǎn)，并且其測量精度受限于位移傳感器和測頭的定位精度。因此，傳統(tǒng)的坐標(biāo)測量，比如三坐標(biāo)測量機(jī)、輪廓儀以及激光跟蹤儀，常見于光學(xué)研磨階段的面形檢測。
高靈敏度的非接觸式光學(xué)探針解決了坐標(biāo)測量的表面劃傷問題，測量精度不斷提高，已經(jīng)達(dá)到了幾十納米。
幾何光線測量技術(shù)：
我們結(jié)合光學(xué)加工的工序來看，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，中間跨越了兩個數(shù)量級的精度。因此對檢測方法的大動態(tài)范圍和較高的測量精度提出了要求。幾何光線測量技術(shù)利用幾何光學(xué)原理對表面進(jìn)行檢測，能夠滿足上述兩個要求。常見的防范有刀口法、哈特曼光闌法、夏克-哈特曼波前探測法、結(jié)構(gòu)光條紋反射技術(shù)等。
干涉測量技術(shù)：
利用一個較高面形精度的參考鏡來對被測鏡進(jìn)行檢測，攜帶有參考面信息的參考光與攜帶有被測面信息的被測光發(fā)生干涉，生成干涉條紋并被成像探測器記錄，利用相位恢復(fù)算法可以從干涉條紋中復(fù)原出被測面的面形誤差。干涉測量精度高，采樣點(diǎn)豐富，測量周期短，是光學(xué)件面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(xué)檢測的代名詞，現(xiàn)已成為光學(xué)車間檢測的主流技術(shù)。
在大口徑非球面的檢測中主要面臨兩個技術(shù)難題，如何解決這兩個問題是現(xiàn)代光學(xué)干涉測量所重點(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，無法直接用于非球面的零位干涉測量；
對測量環(huán)境有較高的要求，大口徑非球面的干涉測量檢測光路通常很長，一般無法通過物理隔振的方式實(shí)現(xiàn)。
常用的技術(shù)方法有以下兩大類：
非零位干涉測量：利用普通的波面干涉儀對非球面直接進(jìn)行無補(bǔ)償測量，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無法解析的問題。
零位干涉測量：大口徑非球面光學(xué)拋光主要采用的方法。過對被測非球面的數(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)過補(bǔ)償器后變成非球面波，并恰好沿著被測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，零位干涉測量是高精度干涉檢測必須考慮的測試方法[8]。
小口徑的檢測技術(shù)：
和大口徑的檢測技術(shù)相類似，小口徑的檢測技術(shù)主要也是坐標(biāo)測量（主要是直接面型輪廓法）、幾何光學(xué)測量以及干涉法。
小口徑的檢測相對大口徑要更容易實(shí)現(xiàn)，典型的比如在干涉法檢測中，因?yàn)樾】趶降谋砻嬷懈缮婀饩€的光路路徑短，對環(huán)境的要求沒有大口徑的高；口徑小，檢測面積小，同等檢測要求下檢測耗時少，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，模具精度對成型精度起決定性作用；工序相對簡單、成本較低、效率較低；
單件：可采用粗磨、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、對設(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、時間選擇。復(fù)雜且漫長的過程
檢測
檢測時間短、難度小
檢測時間長、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、加工周期以及檢測難度來看相對小口徑都較難；
大口徑小批量、定制化的特點(diǎn)決定了其需要針對特定的應(yīng)用進(jìn)行加工，耗時耗力，成本更高；
國內(nèi)上市公司所在的區(qū)間？
這里我們總結(jié)了國內(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明書公開的信息，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)鏡等場景，產(chǎn)品多為定制開發(fā)。
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文章出處：南京CNC加工http://www.zjfpm.cn/cn/info_15.aspx?itemid=668
精密光學(xué)加工2：小口徑與大口徑對比
09-30-2022
