精密光學加工2：小口（kǒu）徑與大口徑對比


目錄


1. 小口徑和大口徑是如何劃分的（de）？


2. 小口徑和大口徑加工工（gōng）藝的區別，孰難孰易？


3. 國內上市公司所在的區間


在之前的文章中（zhōng）我們介紹了光學加工（冷加工）的技術路線（xiàn），我們（men）也提到了這個加工（gōng）工藝流程中並不是所有的光學鏡片（piàn）用到的加工技術和設備都是相同的，其中典型的就是大口徑（jìng）和小口徑（jìng）的光學元組件在加工（gōng）過程（chéng）中需要（yào）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大口徑之間的區別，不同的企業之間他們是如何在光（guāng）學加工這個坐標係中劃分（fèn）自己占有的市場的。
小口徑和大口徑（jìng）是（shì）如何劃分的？


對於鏡片大小尺寸的（de）區分沒有嚴格統一的劃分標準，通過（guò）查閱相關的（de）論文和文獻（xiàn），整（zhěng）理得到（dào）通常可以將直徑口徑在200mm以下的鏡片（以非球麵為參考，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（jìng）大於200mm的鏡片可以稱（chēng）為大口徑。我們將不同（tóng）口徑劃分區間進（jìn）行詳細的剖分得到如下示意（yì）圖：
圖片


隨著口徑的增加，應用場景覆蓋範圍逐步（bù）縮減（jiǎn）。小口徑的鏡頭（tóu）在民品方麵應用在諸如安防攝像頭、車載攝像頭、顯微鏡等領域，中等口徑的通常在（zài）一些（xiē）小型的天文（wén）望（wàng）遠鏡等場景，軍品方麵一些中小（xiǎo）型的光電吊艙（cāng）的鏡頭、激光雷達、光電打擊係統等；大型或者超大型的鏡片通常需（xū）要定製開發，針對特定的應用場景加（jiā）工，比如我們熟知的哈勃、韋伯天文望遠鏡的主鏡麵，直徑都是（shì）超過m量級（jí）的。這裏我們簡單整理一下不同口徑鏡頭（tóu）的應用以及對應的口徑大小（xiǎo）。
小口徑：0-50mm


應用方向


口徑大小（單位：mm）


安防（fáng）攝像頭


<60


顯微鏡


20-30


車載DVR（一款隱藏（cáng）式寬（kuān）FOV）[1]


12


手（shǒu）術室自（zì）由曲麵LED無影燈[3]


40-50


頭盔顯示光學係統（長光所）[3]


<40


太赫茲光學準直和聚焦[4]


25.4-38


微透鏡陣列[5]


0.032-1.5（單元孔徑）


手機攝像（xiàng）頭


<10


車載視覺鏡頭


10-50


中口徑：50-200mm


應用方（fāng）向


口徑大小（單位：mm）


小型天文望（wàng）遠鏡[2]


70-200


激（jī）光雷達（dá）光學口徑


100


大（dà）口徑：200-400mm


應用方向


口徑大（dà）小（單位：mm）


半導體DUV光學鏡頭


100-300


哈勃空間（jiān）望（wàng）遠鏡次鏡


300


超大口徑：＞400mm


應用方向（xiàng）


口徑（jìng）大小（單位：mm）


SiC非球麵反射麵（國防科大07年）


500


美國National Ignition Facility


500-1000（單片子鏡）


哈勃空間望遠鏡主鏡


2400


美國的KH-12主鏡直徑


3800


韋伯太空望遠鏡


1300（單片子（zǐ）鏡）


美國大（dà）麥哲倫望遠（yuǎn）鏡


8400（單片子鏡）


小口徑和大口徑加（jiā）工（gōng）工（gōng）藝的區別，孰難孰易？


上（shàng）麵（miàn）我們（men）簡單介紹了小口徑和大（dà）口徑的劃分以及他們的（de）部分（fèn）應用場景，接下來我們（men）將討論一下在實現工藝中兩者的區別。有的（de）人會覺得加工小（xiǎo）尺寸的東西一定比加工大尺寸的東西要（yào）更難，因為小然後又要做到高精度很難；也有人覺（jiào）得加工大口徑的東西（xī）更難，因為要在這麽大麵積上麵保證每個（gè）地方的（de）精度都保持很高難度很大。我們首先來看看非球（qiú）麵透鏡的小口徑（jìng）和大口徑在製（zhì）造工藝、工序、關鍵技術以（yǐ）及檢測有什麽區別。
1. 加工工序和研磨（mó）拋光技術的差異
小（xiǎo）口徑（jìng）
小口徑（jìng）加工的生產工藝可以（yǐ）分為銑磨成型（xíng）、數控拋光和檢驗檢測三個階段，如下圖所示（shì）[6]：
圖片


小口徑（jìng）的非球麵（miàn）加工技主要有單點金剛石車削技術（SPDT）、超精密（mì）磨削銑削、成型（xíng）技術（見擴展閱讀）和特種加工技術。普遍采用的（de）超精密車削和磨削的方法大量應用在熱成（chéng）型的（de）模具製造過程中。因為小口徑的應用範圍廣泛、需求數量大，單件加（jiā）工（gōng）不具備經濟（jì）效應，因此主要還是以成型（xíng）技術為主。小口徑的超精（jīng）密加工主（zhǔ）要還是針（zhēn）對（duì）模具來（lái）看的。如果針對單件（jiàn）的小口徑加工來看也可以采用與大口徑相同的工藝順（shùn）序，結合小工具拋光實現。
單純依靠（kào）超精密車削（xuē）和磨削，會在零件（jiàn）表麵（miàn）留下加（jiā）工痕跡（jì）和表麵缺陷，達不到加工精度要求，因（yīn）此後續還（hái）需要超精密拋光加工來進一步提（tí）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（miàn）光學元（yuán）件僅依靠超精密車（chē）削和（hé）磨削，表（biǎo）麵質量難以達到要（yào）求。對於小口徑非球麵模具的超精密磨削，工（gōng）件表麵不（bú）僅殘留有規（guī）則的磨（mó）痕，而且不可避免的產生品格錯位、裂紋（wén）、殘餘應力、加工硬化等各種加（jiā）工缺陷；


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


磁流（liú）變拋光作為一種先進的光學加工技術，具有加工過程確定（dìng）可控、加工結果精確可測以及高精、高效等（děng）特點，在小口徑（jìng）非（fēi）球麵超精密拋光中廣泛被使用。
擴展閱讀（dú）：小口徑或者超小口徑實現方法主要是熱（rè）成型法（適用於大批量生產，這裏我們做（zuò）簡（jiǎn）單的介紹），加工過程中需要利用到高溫、高熱，並嚴（yán）格控製溫度、時間（jiān）等（děng）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，精度可達nm量級）和光學塑料注射成型（<100mm的（de）非球麵透鏡可大批量生產）兩種方法。光學玻璃的熱壓成（chéng）型技術的基本原理就是利用光學玻（bō）璃在不同溫度下具有不同的物理性（xìng）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（le）某類玻璃（lí）材料隨溫度升高的熱膨脹狀態。當溫度達到Tg（轉變點）的時候，光學玻璃由固（gù）態轉變為可塑態（tài）。當溫度繼續上升達到Sp（軟化點），呈現流體性質。
其中模（mó）壓成型的工藝如下圖所示：


大口徑
大口徑非球麵透鏡加工（gōng）一般來（lái）說說需要經過一個（gè）複雜且漫長的過程（加工麵的大小（xiǎo）決定了加工時間（jiān）），周期較長，其主（zhǔ）要（yào）的工藝流程包括了銑磨成型、粗磨、精磨、粗拋光、精拋光、鍍膜等環節，同時每一個環節都必須要配備對應的一種或者多種檢測（cè）手段來保證工藝流程的高效運行。上一（yī）篇文章（zhāng）中我們已經提到了對於光學元件最重要的（de）環節之一——拋光，在麵向大口徑的加（jiā）工中還有一個非常（cháng）重要的環（huán）節（jiē）——研磨（研磨影響了整體加工的效率和後續加工費時、精度（dù））[8]。
傳（chuán）統研拋技（jì）術：采用和工件口徑相當（0.8-1倍）的磨盤對工件進行全域（yù）研磨。主要應用在中小口徑的非球麵加工（gōng），其依賴人工經驗，效率低、勞動強度大、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（měi）國（guó）的（de）2.5m胡可望遠鏡加工時間6年，帕洛瑪5m望遠鏡耗時14年，我國上世紀80年代完（wán）成（chéng）的2.16m望遠鏡耗時7年。
計（jì）算機控製表麵成形技術（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又叫計算機控（kòng）製（zhì）小磨頭加工（磨頭直徑一般為工件的1/8-1/15[9]），通過多軸聯動的數控機床（chuáng）來控製磨（mó）頭的公自轉、壓力、駐留時間保證材料去（qù）除（chú）量，結合反（fǎn）複的檢（jiǎn）測和加工（gōng）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（yán）究CCOS技術已經三十多年，在2006年利用該技術將JWST主鏡的一個（gè）單片鏡RMS從49.1um提高到1.46um，耗（hào）時3個月。對（duì）於CCOS的（de）技術的不足請參閱《精密光學加工行業簡介》中拋光的介紹（shào）。
可控柔體光學製造（zào）技術：這一類技術是（shì）隨（suí）著（zhe）計算機科學、材料科學（xué）、控製技術的發展而演變出來的，有應力（lì）盤拋光、氣囊拋光、磁流變拋光、射流拋光、離子（zǐ）束拋光等技術。
應力工件變形加工技術：對工件施加應力使之變形，加（jiā）工成（chéng）球麵後釋放應力得到非球麵（miàn）。Keck望遠鏡主鏡（jìng）的離軸非球麵子鏡，VLT超大望遠鏡4個8.4m主（zhǔ）鏡，TMT的子鏡（jìng）都是用（yòng）這種（zhǒng）方法（fǎ）實現（xiàn）的。
應力盤拋光：對研拋盤進行（háng）主動變形來實現（拋光盤一般是主鏡直徑的1/3-1/5），通過計算機控製應力（lì）盤的變（biàn）形，在徑向平移和旋轉過程中與被加工麵貼合，是（shì）。在1990s，美國SOML用該技術先後加工了1.2-8.4m直徑的多個大型非球麵反射鏡。
射（shè）流拋光：針對複雜光（guāng）學曲麵（miàn）加工，通過噴嘴噴射出混油磨料粒子的高速拋光液作用於表麵，離子間的高速（sù）碰撞和剪（jiǎn）切（qiē）去除材料（liào）。美國QED公司在（zài）此基礎上開發了磁射流拋光技術（shù），是磁流變技術和射流（liú）技術的結合。
關於氣囊拋光、磁流變、離子束技術（目前達到（dào）精度最高的技術，nm量級，甚至0.幾（jǐ）nm量級）參見文（wén）章《精密光（guāng）學加工行（háng）業簡介》。
可控柔體加工技術是計算機科學、材料科學、控製技術等多個學科的集合，也目前世界上最先進的光學加工工（gōng）藝[10]。我們把上麵介紹到的技術大致分為三類：基於數控機床的接觸式——CCOS；基於彈性力學基礎理論——應力工件變形拋光技術、應力盤拋光（guāng）技術（shù）；基於多（duō）能場（chǎng）——磁流變拋光技術、離子束（shù）拋光技術。其中基於數控機（jī）床的接觸式，在一些粗磨、精磨以及粗（cū）拋的過程中應用較多；基於彈性（xìng）力學基礎理論的技術是實現大口徑光學非球麵（miàn）鏡高效率研拋的主（zhǔ）要手段；基於多能（néng）場的是實現大口徑非球麵最（zuì）終高精度麵（miàn）形要求的必要手段。
大口徑光學非球麵的實際加工一定是多（duō）種加工技術的（de）組合，才能保證加工效率和精度。從先（xiān）進光學加工的發展趨勢來說， 以（yǐ）能流束拋光技術(如磁流變拋光、離子（zǐ）束、射流體)為代表的第三代（dài）可控（kòng）柔體加工技術是未來大型非球麵鏡高精度光學（xué）加（jiā）工的發展方向（xiàng）。
2. 檢測技術的差異
大口徑的檢測技術：
和光學加工過程一樣，非球麵的光學檢測相對於平麵來說也是非常困難的。與小口徑相比（bǐ），大口徑的非球麵光學（xué）檢測難度要更高。
非球麵的（de）光學檢測按照原理可以分為坐標測量、幾何光線測（cè）量和光學幹涉測量。
坐標測量（研磨階段測量（liàng））：有接觸式和非接觸式，常見的設備有三坐標測量（liàng）機和輪廓（kuò）儀，先利用（yòng）高精度的位移傳感器對待測麵（miàn）上離散的點（diǎn）進行掃描（miáo）測量，得（dé）到各點的三維坐標（biāo），然後通過數學插值重構出全口徑的三維（wéi）麵形，最後與非球（qiú）麵的理論麵形（xíng）比較獲得（dé）最終的麵形誤差。理論上，可以得到被測麵的所有幾何參數。該方法是（shì）光學製造中實現在位測量（liàng）的（de）重要方法（fǎ），好處在於（yú）其能保證加工坐標（biāo）係（xì）和測量坐（zuò）標係一（yī）致，並且避免大型非球麵工件的搬運帶來的風險，對於提高大（dà）口徑（jìng）非球麵研拋效率有重要意義。
傳統的接觸式（shì）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，比如三坐標測量機、輪廓（kuò）儀以及激光跟蹤儀，常見於（yú）光學研磨階段的麵形檢測。
高靈敏度的非接（jiē）觸式光學探針解決了坐標測量的表麵劃傷問題，測（cè）量精度不斷提高，已經達到了幾十納（nà）米。
幾何光線測量技術：


我們結合光學加工的工序來（lái）看，從粗磨、精磨、粗拋到精拋，不同的環節形成的麵形精（jīng）度都不同，從幾十um到nm量級（jí），中間跨越了兩個數量級的精度。因此（cǐ）對檢測方法的大動態範圍和較高的測量精度提出了要（yào）求。幾何光線測量技術利用幾何光學原理對表麵（miàn）進行檢測（cè），能夠滿足（zú）上（shàng）述兩個要求。常見（jiàn）的防範有刀口法、哈特曼光闌（lán）法、夏克-哈特曼波前探測法（fǎ）、結構光條紋反射技術等。
幹涉測量技術：


利用一個較高麵形（xíng）精度的參考鏡來對被測鏡進行檢測，攜帶有參考麵信（xìn）息的（de）參考光與攜帶有被測麵信息的被測光發生幹涉，生成（chéng）幹涉條紋（wén）並被成（chéng）像探測器記（jì）錄，利用相位恢（huī）複算法可以從幹涉條紋中複原出被測麵的麵形誤差。幹涉測量精度高，采（cǎi）樣點豐富，測量周期短，是光學件麵（miàn）形高精度檢測所廣泛采（cǎi）用的終檢（jiǎn）手段（duàn）。甚至可以稱得上高精度光學檢測（cè）的代名詞，現已成為光（guāng）學車間檢測的主流技術。
在大口（kǒu）徑非（fēi）球麵的檢測中主（zhǔ）要麵臨兩個技術難題（tí），如（rú）何解決這兩個問題是（shì）現（xiàn）代光學幹涉測量所（suǒ）重點研（yán）究（jiū）的方向：
一般數字波麵幹（gàn）涉儀隻能生成（chéng）平、球麵參考波前，無法直接用於非球麵的零位幹涉測量；
對（duì）測量環境有較高的要求，大口徑非球麵的幹（gàn）涉測量檢測光（guāng）路通常很長，一般無法通過物理隔振的方式實現。


常用的技（jì）術方法有以下兩大類：
非零（líng）位（wèi）幹涉測量：利用普通的（de）波麵（miàn）幹涉儀（yí）對非球麵直（zhí）接進行無（wú）補償測量（liàng），該技術方向重點集中在如（rú）何解（jiě）決得（dé）到的幹涉條紋密集而導致CCD無法解析的（de）問題。


零位幹涉測量：大口徑（jìng）非球麵光學拋光主要采用的方法。過對被測非球麵的數學表達式進行（háng）分析，計（jì）算出非球麵上各帶的（de）法線與光軸焦點的位置和角度。通過設計相應的補償器件可保證幹涉儀出（chū）射的標準球麵波經過補償器後變成非球麵波，並恰好（hǎo）沿著被測（cè）非球麵的法線入射且能原路返回，實現非球麵像差的補償（cháng）從而實現零位（wèi）測（cè）量（liàng）。理論上， 零位幹涉圖可以是全明或者全暗的零條紋狀態，不存在非共光路（lù）引（yǐn）入的（de）回（huí）程誤差。因此，零位幹涉（shè）測量是高精度幹涉檢測（cè）必須考慮的測試方法（fǎ）[8]。


小口徑的檢測技（jì）術：
和大口徑的檢測技術相（xiàng）類似，小口徑的檢測（cè）技術主要也是坐標測（cè）量（liàng）（主要是直接麵型輪廓法）、幾何（hé）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（bǐ）如在幹涉法檢測中，因為小（xiǎo）口徑的表麵中幹涉光線的光路路徑短，對環（huán）境的要求沒有大口徑的高；口徑小，檢測麵積小，同等檢測要求下檢測（cè）耗時少，效率高（gāo）。
總結：


小口徑


大口徑


加工工藝


大批（pī）量：成型工藝，屬於熱工藝，采用超精密模具（jù），模具精度對（duì）成型精（jīng）度起決定性作用；工序相對簡單、成（chéng）本較低、效（xiào）率較低（dī）；


單件：可采（cǎi）用粗（cū）磨、精磨、拋光到鍍膜的工序；


通常為單件加工或者小批量製造，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（gāng）石車削技術（SPDT）、超精密磨削銑削、成型技術（shù）和特種加工技術，適用於小口徑的研磨、拋光技術（shù）較少；磁流變技術是主要應用的技術


多（duō）種不同的技術可以采用（yòng），根據需要加工的工件、結合成本、時間（jiān）選（xuǎn）擇。複（fù）雜且（qiě）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、定製化（huà）


大口徑的光學組件從加工工序的複雜程（chéng）度、設（shè）備要求、設備數量、加工成本、加工周（zhōu）期以及檢測難度來看（kàn）相對（duì）小口徑都較（jiào）難；


大口（kǒu）徑小批量、定（dìng）製化的（de）特點（diǎn）決（jué）定了（le）其需要針對特定的應用進行（háng）加工，耗時（shí）耗力，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公司中產品和技術相似的幾家公司，參考了他們各自的招股說（shuō）明書公開的信息，並以圖（tú）表（biǎo）的方（fāng）式（shì）將他們目（mù）前具備的加工的尺寸範圍進行了劃分，如下圖所示：




從結果中我們可看到，大部分公司的加工能力集中在400mm以下（xià）的口徑，其中以50-300之間最為普遍。僅有少數公司的（de）少（shǎo）數產（chǎn）品加工口徑能夠達到超大口徑的範圍，這（zhè）一類產品（pǐn）多用於大型天文望遠鏡等（děng）場（chǎng）景，產品多為定製開發。
參考（kǎo）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（yóu）曲麵光學元件的補償加工技術[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
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文章出處：南京CNC加工（gōng）http://www.dlzxxx.cn/cn/info_15.aspx?itemid=668