精密光學加工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. 國內上市公司所在的區(qū)間
在之前的文章中我們介紹了光學加工（冷加工）的技術路線，我們也提到了這個加工工藝流程中并不是所有的光學鏡片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和小口徑的光學元組件在加工過程中需要用到的設備和加工的工藝技術是有區(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加工這個坐標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)分沒有嚴格統(tǒng)一的劃分標準，通過查閱相關的論文和文獻，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，應用場景覆蓋范圍逐步縮減。小口徑的鏡頭在民品方面應用在諸如安防攝像頭、車載攝像頭、顯微鏡等領域，中等口徑的通常在一些小型的天文望遠鏡等場景，軍品方面一些中小型的光電吊艙的鏡頭、激光雷達、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)，針對特定的應用場景加工，比如我們熟知的哈勃、韋伯天文望遠鏡的主鏡面，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用以及對應的口徑大小。
小口徑：0-50mm
應用方向
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
手術室自由曲面LED無影燈[3]
40-50
頭盔顯示光學系統(tǒng)（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
車載視覺鏡頭
10-50
中口徑：50-200mm
應用方向
口徑大?。▎挝唬簃m）
小型天文望遠鏡[2]
70-200
激光雷達光學口徑
100
大口徑：200-400mm
應用方向
口徑大?。▎挝唬簃m）
半導體DUV光學鏡頭
100-300
哈勃空間望遠鏡次鏡
300
超大口徑：＞400mm
應用方向
口徑大?。▎挝唬簃m）
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（單片子鏡）
美國大麥哲倫望遠鏡
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用場景，接下來我們將討論一下在實現工藝中兩者的區(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，因為小然后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、關鍵技術以及檢測有什么區(qū)別。
1. 加工工序和研磨拋光技術的差異
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，如下圖所示[6]：
圖片
小口徑的非球面加工技主要有單點金剛石車削技術（SPDT）、超精密磨削銑削、成型技術（見擴展閱讀）和特種加工技術。普遍采用的超精密車削和磨削的方法大量應用在熱成型的模具制造過程中。因為小口徑的應用范圍廣泛、需求數量大，單件加工不具備經濟效應，因此主要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，結合小工具拋光實現。
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一步提高表面質量。
小口徑加工主要面臨以下幾個難點：
精度非球面光學元件僅依靠超精密車削和磨削，表面質量難以達到要求。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，而且不可避免的產生品格錯位、裂紋、殘余應力、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，但是勞動強度大、加工效率低、加工質量不穩(wěn)定。另外傳統(tǒng)的粘彈性拋光頭結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，適應性不強。因此傳統(tǒng)研拋技術在加工效率、精度、自動化以及加工形面的適應性等方面難以滿足；
磁流變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高精、高效等特點，在小口徑非球面超精密拋光中廣泛被使用。
擴展閱讀：小口徑或者超小口徑實現方法主要是熱成型法（適用于大批量生產，這里我們做簡單的介紹），加工過程中需要利用到高溫、高熱，并嚴格控制溫度、時間等參數實現的加工路線，包括了光學玻璃模壓成型（>100mm的非球面可大批量生產，精度可達nm量級）和光學塑料注射成型（<100mm的非球面透鏡可大批量生產）兩種方法。光學玻璃的熱壓成型技術的基本原理就是利用光學玻璃在不同溫度下具有不同的物理性質，在常溫下，玻璃硬脆，在高溫下具有粘流性[7]。
上圖中表示了某類玻璃材料隨溫度升高的熱膨脹狀態(tài)。當溫度達到Tg（轉變點）的時候，光學玻璃由固態(tài)轉變?yōu)榭伤軕B(tài)。當溫度繼續(xù)上升達到Sp（軟化點），呈現流體性質。
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過一個復雜且漫長的過程（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。上一篇文章中我們已經提到了對于光學元件最重要的環(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)加工費時、精度）[8]。
傳統(tǒng)研拋技術：采用和工件口徑相當（0.8-1倍）的磨盤對工件進行全域研磨。主要應用在中小口徑的非球面加工，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，典型的如美國的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年代完成的2.16m望遠鏡耗時7年。
計算機控制表面成形技術（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又叫計算機控制小磨頭加工（磨頭直徑一般為工件的1/8-1/15[9]），通過多軸聯(lián)動的數控機床來控制磨頭的公自轉、壓力、駐留時間保證材料去除量，結合反復的檢測和加工保證面形精度。計算機控制極大的提高了效率，美國的Tinsley實驗室研究CCOS技術已經三十多年，在2006年利用該技術將JWST主鏡的一個單片鏡RMS從49.1um提高到1.46um，耗時3個月。對于CCOS的技術的不足請參閱《精密光學加工行業(yè)簡介》中拋光的介紹。
可控柔體光學制造技術：這一類技術是隨著計算機科學、材料科學、控制技術的發(fā)展而演變出來的，有應力盤拋光、氣囊拋光、磁流變拋光、射流拋光、離子束拋光等技術。
應力工件變形加工技術：對工件施加應力使之變形，加工成球面后釋放應力得到非球面。Keck望遠鏡主鏡的離軸非球面子鏡，VLT超大望遠鏡4個8.4m主鏡，TMT的子鏡都是用這種方法實現的。
應力盤拋光：對研拋盤進行主動變形來實現（拋光盤一般是主鏡直徑的1/3-1/5），通過計算機控制應力盤的變形，在徑向平移和旋轉過程中與被加工面貼合，是。在1990s，美國SOML用該技術先后加工了1.2-8.4m直徑的多個大型非球面反射鏡。
射流拋光：針對復雜光學曲面加工，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公司在此基礎上開發(fā)了磁射流拋光技術，是磁流變技術和射流技術的結合。
關于氣囊拋光、磁流變、離子束技術（目前達到精度最高的技術，nm量級，甚至0.幾nm量級）參見文章《精密光學加工行業(yè)簡介》。
可控柔體加工技術是計算機科學、材料科學、控制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藝[10]。我們把上面介紹到的技術大致分為三類：基于數控機床的接觸式——CCOS；基于彈性力學基礎理論——應力工件變形拋光技術、應力盤拋光技術；基于多能場——磁流變拋光技術、離子束拋光技術。其中基于數控機床的接觸式，在一些粗磨、精磨以及粗拋的過程中應用較多；基于彈性力學基礎理論的技術是實現大口徑光學非球面鏡高效率研拋的主要手段；基于多能場的是實現大口徑非球面最終高精度面形要求的必要手段。
大口徑光學非球面的實際加工一定是多種加工技術的組合，才能保證加工效率和精度。從先進光學加工的發(fā)展趨勢來說， 以能流束拋光技術(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是未來大型非球面鏡高精度光學加工的發(fā)展方向。
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，非球面的光學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檢測難度要更高。
非球面的光學檢測按照原理可以分為坐標測量、幾何光線測量和光學干涉測量。
坐標測量（研磨階段測量）：有接觸式和非接觸式，常見的設備有三坐標測量機和輪廓儀，先利用高精度的位移傳感器對待測面上離散的點進行掃描測量，得到各點的三維坐標，然后通過數學插值重構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。該方法是光學制造中實現在位測量的重要方法，好處在于其能保證加工坐標系和測量坐標系一致，并且避免大型非球面工件的搬運帶來的風險，對于提高大口徑非球面研拋效率有重要意義。
傳統(tǒng)的接觸式坐標測量存在劃傷表面的風險，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)的坐標測量，比如三坐標測量機、輪廓儀以及激光跟蹤儀，常見于光學研磨階段的面形檢測。
高靈敏度的非接觸式光學探針解決了坐標測量的表面劃傷問題，測量精度不斷提高，已經達到了幾十納米。
幾何光線測量技術：
我們結合光學加工的工序來看，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。幾何光線測量技術利用幾何光學原理對表面進行檢測，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、結構光條紋反射技術等。
干涉測量技術：
利用一個較高面形精度的參考鏡來對被測鏡進行檢測，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，利用相位恢復算法可以從干涉條紋中復原出被測面的面形誤差。干涉測量精度高，采樣點豐富，測量周期短，是光學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檢測的代名詞，現已成為光學車間檢測的主流技術。
在大口徑非球面的檢測中主要面臨兩個技術難題，如何解決這兩個問題是現代光學干涉測量所重點研究的方向：
一般數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現。
常用的技術方法有以下兩大類：
非零位干涉測量：利用普通的波面干涉儀對非球面直接進行無補償測量，該技術方向重點集中在如何解決得到的干涉條紋密集而導致CCD無法解析的問題。
零位干涉測量：大口徑非球面光學拋光主要采用的方法。過對被測非球面的數學表達式進行分析，計算出非球面上各帶的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干涉儀出射的標準球面波經過補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，實現非球面像差的補償從而實現零位測量。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：
和大口徑的檢測技術相類似，小口徑的檢測技術主要也是坐標測量（主要是直接面型輪廓法）、幾何光學測量以及干涉法。
小口徑的檢測相對大口徑要更容易實現，典型的比如在干涉法檢測中，因為小口徑的表面中干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，檢測面積小，同等檢測要求下檢測耗時少，效率高。
總結：
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，工序復雜、加工成本高、周期長、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、成型技術和特種加工技術，適用于小口徑的研磨、拋光技術較少；磁流變技術是主要應用的技術
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。復雜且漫長的過程
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
大口徑的光學組件從加工工序的復雜程度、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難；
大口徑小批量、定制化的特點決定了其需要針對特定的應用進行加工，耗時耗力，成本更高；
國內上市公司所在的區(qū)間？
這里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以下的口徑，其中以50-300之間最為普遍。僅有少數公司的少數產品加工口徑能夠達到超大口徑的范圍，這一類產品多用于大型天文望遠鏡等場景，產品多為定制開發(fā)。
參考文獻：
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[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http://www.xhdly.top/cn/info_15.aspx?itemid=668
精密光學加工2：小口徑與大口徑對比
09-30-2022
