精密（mì）光學加工2：小口徑與大（dà）口徑對比


目錄


1. 小口徑和大口（kǒu）徑是如何劃分的？


2. 小口徑和大口徑加工工藝的區別，孰難孰易？


3. 國內上市公司所在的區（qū）間


在之前的文章中我（wǒ）們介（jiè）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（chéng）中並不是所有的光學鏡（jìng）片用到的加工技術和設備都是（shì）相（xiàng）同的，其中典型的就（jiù）是大口徑和小口徑（jìng）的光學元（yuán）組件在加工過程中需要用到（dào）的設備和（hé）加工的工藝技（jì）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學加工這個坐（zuò）標係中（zhōng）劃分自己（jǐ）占有的（de）市（shì）場的。
小口徑和大口（kǒu）徑是如何劃分的？


對於鏡片大（dà）小尺寸的區（qū）分沒有嚴（yán）格統一的劃分標（biāo）準，通（tōng）過查閱相關的論文和文獻，整理得到通常可以將直徑口徑（jìng）在200mm以下的鏡片（以（yǐ）非球麵為參考，對於棱鏡是用長度200mm為分界線來劃分大小的）稱為中小口徑，直徑口徑大（dà）於200mm的鏡片可以稱為大口徑。我們將不同口徑劃分區間進行詳細的剖分得到如下示意圖：
圖片


隨著口徑的增加，應用場景覆蓋範圍逐步縮（suō）減。小口徑的鏡頭在民（mín）品方麵應用在諸如安防攝像頭、車載攝像頭、顯微鏡（jìng）等領域，中等（děng）口徑的通常在一些小型的天文望遠鏡等場（chǎng）景，軍（jun1）品方麵一（yī）些中小型的光電吊艙的鏡頭、激光雷達、光（guāng）電打擊係統等；大型（xíng）或者超大（dà）型的鏡片通常（cháng）需要定製開發，針對特定的應用（yòng）場景加工，比如我們熟知的哈勃（bó）、韋伯天（tiān）文望（wàng）遠鏡的主鏡（jìng）麵（miàn），直徑都是超過m量級的。這裏我們簡單整理一下不同口徑鏡頭的應用以及對應的口徑大小。
小口（kǒu）徑：0-50mm


應用方向


口徑大小（單（dān）位：mm）


安防攝像頭


<60


顯微鏡


20-30


車載DVR（一款隱藏式寬FOV）[1]


12


手術室自由曲麵LED無影燈（dēng）[3]


40-50


頭盔（kuī）顯示光學（xué）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）


手機攝像頭


<10


車載視（shì）覺鏡頭


10-50


中口徑（jìng）：50-200mm


應用方向


口徑大小（單位：mm）


小型天文望遠（yuǎn）鏡[2]


70-200


激光雷達光學口徑


100


大口徑：200-400mm


應用方向


口徑大小（單位（wèi）：mm）


半導體（tǐ）DUV光學鏡（jìng）頭（tóu）


100-300


哈勃空間望遠鏡次鏡（jìng）


300


超大口徑：＞400mm


應用方向


口徑大小（單（dān）位：mm）


SiC非球麵反（fǎn）射（shè）麵（國防科大07年）


500


美國National Ignition Facility


500-1000（單（dān）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）


美國大麥哲倫望遠鏡


8400（單片子鏡）


小口（kǒu）徑（jìng）和大口徑加工工藝的區別，孰難孰（shú）易？


上（shàng）麵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用場景，接下來我們將討論一下在實現工藝中兩者的（de）區別。有的人會覺得加工小尺寸的東西一定比加工（gōng）大尺寸的東西要更難，因為小然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（dà）麵積上麵（miàn）保證每（měi）個地方的精度都（dōu）保持很高難度很（hěn）大。我們首先來看（kàn）看非球麵透鏡的小口徑和（hé）大口徑在製造工藝、工序、關鍵技術以及檢測（cè）有什麽區別（bié）。
1. 加工工序和研（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型、數控拋光和檢驗檢測三個階段，如下（xià）圖所示[6]：
圖（tú）片


小口徑的非球麵加工技主（zhǔ）要有單點金剛石車削（xuē）技術（SPDT）、超精密磨削銑削、成型技術（見擴展閱讀）和特種（zhǒng）加工技（jì）術。普遍采用的超精密車削和磨削的方法大量應用在熱（rè）成型的模具製造過程（chéng）中。因為小口徑的（de）應用範圍廣泛、需求數（shù）量大（dà），單件加工不具備經濟效應，因此主要（yào）還是以成型技術為主。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（gōng）來看也可以采用與大口徑相同的工藝順序，結合（hé）小（xiǎo）工具拋光（guāng）實現。
單純依靠超精密車削和磨削，會在零件表麵（miàn）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（chāo）精密拋（pāo）光加工來進一步（bù）提高表麵質量。
小口徑加工主要麵臨（lín）以下幾個難點：
精度非球麵光（guāng）學元件僅依靠超（chāo）精密車削和磨削（xuē），表麵質量難（nán）以達到要求。對於小口徑非球麵模（mó）具的超精密磨削，工件表麵不僅殘留有（yǒu）規則的磨痕，而且不可避免的產生（shēng）品格錯位、裂紋、殘餘（yú）應力、加工硬化等各種加工缺陷；


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


磁流變（biàn）拋光作為一種先進的光學加工技術，具有加工過程確定可控、加工結果精確可測以及（jí）高精、高效等特點，在小口徑非球麵超精密拋光（guāng）中廣泛被使用。
擴展閱讀：小口徑（jìng）或者超（chāo）小口徑實現方法主（zhǔ）要是熱成型（xíng）法（適用於大批量生產（chǎn），這裏（lǐ）我們做簡單的介紹（shào）），加工過程中需要利用到高溫、高（gāo）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（mó）壓成型（>100mm的非球麵可大（dà）批量生產，精（jīng）度可達nm量級）和光學塑料注射成型（<100mm的非球麵透鏡可大批量生產）兩種方法。光學玻璃的熱（rè）壓成型技術的基本原理就是（shì）利用光學玻璃（lí）在（zài）不同溫度下具有不同的物理性質，在常（cháng）溫下，玻璃硬脆（cuì），在高（gāo）溫下具有粘流性[7]。


上圖中（zhōng）表示了某類玻璃材（cái）料隨溫度升高的熱膨脹狀態。當溫度達到（dào）Tg（轉變點）的時候，光學玻璃由（yóu）固態轉變為可塑態。當溫度繼續上升達到Sp（軟化點），呈現流體性質。
其中模壓成型（xíng）的工（gōng）藝如下圖所示：


大口徑
大口徑非球麵透鏡加工一（yī）般來說說需要經過一個複雜且漫長的過程（加工麵的（de）大小決定了（le）加工時間），周期較長，其主要的工藝（yì）流程包括了銑磨成型、粗（cū）磨、精磨、粗（cū）拋光、精拋光、鍍膜（mó）等環節，同時每一個環節都必須要配備對（duì）應的一種或者多種檢測手段來保證工藝流程的高效運行。上一篇文（wén）章中我們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（mó）影響了（le）整體加工的效率和後（hòu）續加工費時、精度）[8]。
傳統研拋技術：采用和工件（jiàn）口徑相當（0.8-1倍）的磨盤（pán）對工件進行全域研磨。主要應用在中小口徑的非球麵加工，其依賴人（rén）工經（jīng）驗，效（xiào）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2.5m胡可望（wàng）遠鏡（jìng）加工時間6年，帕洛瑪5m望遠鏡耗時14年，我國上世紀80年代完成的（de）2.16m望遠鏡（jìng）耗時7年。
計算機控製表麵（miàn）成形技術（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又叫計算機（jī）控製小磨頭加工（磨頭直徑一般為工（gōng）件的（de）1/8-1/15[9]），通（tōng）過（guò）多軸聯（lián）動的數控機（jī）床來控製（zhì）磨頭的公（gōng）自轉、壓力、駐留時（shí）間（jiān）保證材料去除量，結合反複的檢測和加工保證麵形（xíng）精度。計算機控製極大的提高了效率，美國的Tinsley實驗室（shì）研究CCOS技術已經三十多年，在2006年利用該技術將（jiāng）JWST主（zhǔ）鏡的一個單（dān）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（jiè）紹。
可控（kòng）柔體光學製造技術：這一類技術是隨著計（jì）算機科學、材料科學、控製技術的發展而演變出（chū）來的，有（yǒu）應力（lì）盤拋光（guāng）、氣（qì）囊拋光、磁流（liú）變拋光、射流拋光、離子（zǐ）束拋光等技（jì）術。
應力工件變形加工技術：對工件施（shī）加應力使之變形，加工成球麵後釋（shì）放應力得到非球（qiú）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（zǐ）鏡都是（shì）用這種方法實現的。
應力盤拋光：對（duì）研拋盤進行主（zhǔ）動變形來實現（拋光盤（pán）一般是主鏡直徑的1/3-1/5），通過計算（suàn）機控製應力盤的變形，在徑向平移和旋轉過程中與被加工麵貼合，是。在（zài）1990s，美國SOML用（yòng）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。
射流拋光：針對複（fù）雜光學曲麵加工，通過噴（pēn）嘴噴射出混（hún）油磨料（liào）粒子的高速拋光液作用於表麵，離子間的高速碰撞（zhuàng）和剪切（qiē）去除材料。美國QED公司在此基礎上開發了磁射流拋光技術，是磁流變技術和射流技術的結合（hé）。
關於氣囊拋（pāo）光、磁流（liú）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nm量級）參（cān）見文章《精密光學加工行業簡介（jiè）》。
可控柔體加工技術是計算機科學、材料科學、控製（zhì）技術等多個學科的集合，也目前世界上最（zuì）先進的（de）光學加工工藝[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（jī）礎理論——應力工件變形拋光技（jì）術、應力（lì）盤（pán）拋光技術；基於（yú）多（duō）能場——磁流變拋光技術、離子束拋光技術（shù）。其中基於數控（kòng）機床的接觸式，在（zài）一些粗磨（mó）、精磨（mó）以（yǐ）及粗拋的過程中應（yīng）用較多；基於彈性力（lì）學基（jī）礎（chǔ）理論的技術是實（shí）現大（dà）口徑光學（xué）非球（qiú）麵鏡高效率研拋（pāo）的主要手段；基於多能場的是實現大口（kǒu）徑非球麵最終高精度麵形要求（qiú）的必要手段。
大口徑（jìng）光學非球麵的實際加（jiā）工一定（dìng）是多種加工技術的組合，才能保證（zhèng）加工效率和精度。從先進光學加工的（de）發展趨勢來（lái）說， 以能流束拋光技術(如（rú）磁流變拋（pāo）光、離子束、射流體)為代表（biǎo）的第三代可（kě）控柔體加工技術是未來大型（xíng）非球麵（miàn）鏡高精度光學加工的發展方向（xiàng）。
2. 檢測（cè）技術的差（chà）異
大口徑的檢測技術（shù）：
和光學加工過程一樣，非球麵的光學檢（jiǎn）測相對於平麵來說也是非常困難的。與小口徑相比，大口徑的非球麵光學檢測難（nán）度要更高。
非球麵的光（guāng）學檢測按照原（yuán）理可以分為坐標測量、幾（jǐ）何光線測量和光學幹涉測量。
坐標測量（研磨階段測（cè）量）：有接觸式和非接觸式，常見的設（shè）備有三坐標測量（liàng）機和輪廓儀，先利用高精度的位移傳感器對待測麵上（shàng）離散的點進行掃描測量（liàng），得到各點的三維坐標，然後通過（guò）數學（xué）插值重構出全口徑的三維麵形，最後與非（fēi）球麵的理論麵形比較獲得最終的麵形（xíng）誤差。理論上（shàng），可以得到被測麵的所有幾何參數。該（gāi）方法是光學製造中（zhōng）實現在位測量（liàng）的重要方法（fǎ），好處在於其能保證（zhèng）加工坐標係和（hé）測量坐標（biāo）係一（yī）致，並且避免大（dà）型非球麵工件的搬運帶來的風險，對於提高（gāo）大口徑非球麵研拋效（xiào）率有重要意義。
傳統的接觸（chù）式坐標測（cè）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（hé）測頭的定（dìng）位精度。因此，傳（chuán）統的坐標測（cè）量，比如三坐標測量機、輪廓儀以及激光跟蹤儀，常（cháng）見於光學研磨（mó）階段的麵形檢測。
高靈敏度的非接觸式光學探針解決了坐標測量的表（biǎo）麵劃傷問題，測量精度不斷提高，已經達到（dào）了幾（jǐ）十納米。
幾何光線測量技術：


我們結合（hé）光學加工（gōng）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（dōu）不同，從幾（jǐ）十um到nm量級，中間跨（kuà）越了兩個數量級的精度（dù）。因（yīn）此對檢測方法的大動態範圍和較高的（de）測量精度提出了要求。幾何光線測量技術利（lì）用幾（jǐ）何（hé）光學原理對（duì）表麵進（jìn）行檢測，能（néng）夠滿足上述兩（liǎng）個要求。常見的防範有刀口法、哈特曼光闌法、夏克-哈特曼波前探測法、結構光條紋反射（shè）技術等。
幹涉測量技（jì）術：


利用（yòng）一個較高麵形（xíng）精度的參考鏡（jìng）來對被測鏡進行檢測，攜帶有參（cān）考麵信息的參（cān）考光與攜帶有被測麵信息的被測光發生幹涉，生成幹涉條（tiáo）紋（wén）並（bìng）被成像（xiàng）探測器記錄，利用相位恢複算法可以從幹涉條紋中複（fù）原出被測麵的麵形誤差。幹涉（shè）測（cè）量（liàng）精度高，采樣點豐（fēng）富，測量周期短，是光學件麵形高精度檢測所廣泛（fàn）采用的終檢手段（duàn）。甚至可以稱得上高精度光學檢測的代名（míng）詞，現已成為光（guāng）學車間檢測的主流技術。
在大口徑非球麵的檢（jiǎn）測中主要麵臨（lín）兩（liǎng）個技術難題，如何解決這兩個問題是現代光學幹涉測量所重點研究的方向（xiàng）：
一般數（shù）字波麵幹涉儀隻能生成平、球麵參考波前，無法直接用於非球麵的零位幹涉測量；
對測量環境有較高的要求，大（dà）口徑非球麵的（de）幹涉測量檢測光路通常很長，一般無法通過物理隔振的（de）方式實現。


常用（yòng）的技術方法有以下兩大（dà）類：
非零位幹涉測（cè）量：利用普（pǔ）通的波麵幹涉儀對非球麵直接進行無補償測量，該技術（shù）方向重點集中在如何解決得到的幹涉條紋（wén）密集而導致CCD無法解析（xī）的問（wèn）題。


零位幹涉測量：大口徑非球麵光學拋光主要采用（yòng）的方法（fǎ）。過對被測非球麵的數（shù）學表達式進行分析，計算出非球麵上各帶的法（fǎ）線與光（guāng）軸焦點的位置（zhì）和角度。通過設計相應的補償器件可保證（zhèng）幹涉（shè）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（yán）著被測非球麵的法線入射且能（néng）原路返回，實現非球麵（miàn）像差的補償從而實（shí）現零位測量。理論上， 零位幹涉圖可以是全明或者全（quán）暗的零條（tiáo）紋狀態，不存（cún）在非共光路引入的回程誤差。因此，零位幹涉測量是高精度幹涉檢測必須考慮（lǜ）的測試（shì）方法[8]。


小口徑的檢測技術：
和大口徑的檢測技術相（xiàng）類似，小口（kǒu）徑的檢測技術主要也是坐標測量（主要是直接麵（miàn）型輪廓法）、幾何光學測量以及幹涉法。
小口徑的檢測相（xiàng）對大口徑要（yào）更容（róng）易（yì）實現，典型的比如在幹涉法檢測中，因為小口（kǒu）徑的表麵中幹涉光線的光路路徑短，對環境的要求沒有大口徑的高；口徑小，檢測麵積小，同（tóng）等檢（jiǎn）測（cè）要求下檢測耗時（shí）少，效率高。
總結：


小口徑


大口徑


加工工藝


大批量：成型工藝，屬於熱工（gōng）藝，采用（yòng）超精密（mì）模具，模具精（jīng）度對成型精度起決定性（xìng）作用；工序相對簡單、成本較低、效率（lǜ）較低；


單件：可采用粗（cū）磨、精磨、拋光到鍍膜（mó）的工序；


通常為單件加工或者小批量製造，工序複雜、加（jiā）工成本高、周（zhōu）期長、對設備要求高；


研/拋技術


單點金剛石車削技術（SPDT）、超精密磨削銑削、成型（xíng）技術和特（tè）種加（jiā）工技術，適用於小口徑（jìng）的研磨、拋光（guāng）技術（shù）較少；磁流變技術是主要應（yīng）用的技術


多種不同的技術可以采用，根據需要加工的工件、結合成本、時間選擇。複（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、定製化


大口徑的光學組件從加（jiā）工（gōng）工序的（de）複雜程度、設備要求、設備數量、加工成本、加工周期以及檢測難度來看相對小口徑都較（jiào）難；


大口徑小批量、定製化的特點決定了其需要針對特定的應用（yòng）進行加（jiā）工，耗時耗力，成（chéng）本更高；




國內上市公司（sī）所在的區間？


這裏我們總結了國內上市公司（sī）中產（chǎn）品（pǐn）和（hé）技術相似的（de）幾家公司，參考了他們（men）各自的招股說明書公開的信息，並以圖表的方式將他（tā）們目前具備的加工的尺寸範圍進行了劃分，如下圖所（suǒ）示：




從結果中我們（men）可看到，大部分公司的加工能力集中在400mm以下的口（kǒu）徑，其中以50-300之間最為普遍。僅有少數公（gōng）司的少數產品加工口徑能夠達到超大口徑的範圍，這一類產品多用（yòng）於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.xjssy.cn/cn/info_15.aspx?itemid=668