精密光學加工2：小口徑與大口（kǒu）徑對比


目錄


1. 小口徑和（hé）大（dà）口徑是如（rú）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（sī）所在的區間


在（zài）之（zhī）前的文章中我們介紹了光（guāng）學加工（冷加工）的技（jì）術（shù）路線，我們也提到了這個加工工藝流程中並不是所有的光學鏡片用（yòng）到的加工技術（shù）和設（shè）備都是相（xiàng）同的，其中典型的就是大口（kǒu）徑和（hé）小（xiǎo）口徑的光學元組件在加工過程中需要用到的設備（bèi）和加工的工藝技術是有區別的。今天我們就來（lái）看看（kàn）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標係中劃分自己占有的市場的（de）。
小口徑和大口徑是如何劃分的？


對於鏡片大小尺寸的區分沒有嚴格統一的劃分標準，通過查閱（yuè）相關的論（lùn）文和文獻，整理得到通常可以將直徑口徑在200mm以下的鏡片（以非球麵為參考，對（duì）於棱鏡是用（yòng）長度200mm為分界線來劃分大小的）稱為中小（xiǎo）口徑，直徑口（kǒu）徑大於200mm的鏡片可以稱為大口徑。我們（men）將不同（tóng）口徑劃分區間進行（háng）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（fù）蓋範圍逐步縮減。小口徑的（de）鏡頭在民品方麵應用在諸如安防攝像頭、車載攝像頭、顯微鏡等（děng）領域，中等口徑的（de）通常在一（yī）些小型的天文望遠鏡（jìng）等場景，軍品方麵一些中小型的光電吊艙的鏡（jìng）頭、激光（guāng）雷達、光電打擊係統（tǒng）等；大型（xíng）或者超大型的鏡片通常需要定製開發，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（yuǎn）鏡的主鏡麵，直徑都是超過m量級（jí）的。這裏我們（men）簡單整理一下不同口徑鏡頭的應用以及對（duì）應的口徑大小。
小口徑：0-50mm


應用方向


口徑大小（xiǎo）（單位（wèi）：mm）


安防攝像頭


<60


顯微鏡（jìng）


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[3]


40-50


頭盔（kuī）顯示光學係統（長光所）[3]


<40


太赫茲光學（xué）準直和聚焦（jiāo）[4]


25.4-38


微透（tòu）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（kǒu）徑：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（kǒu）徑


100


大口徑：200-400mm


應用（yòng）方向


口徑大小（單位（wèi）：mm）


半導體DUV光學鏡頭


100-300


哈勃空間望遠鏡次鏡


300


超（chāo）大口徑：＞400mm


應用方向（xiàng）


口徑大小（單（dān）位：mm）


SiC非球麵（miàn）反射麵（國防（fáng）科大07年）


500


美國National Ignition Facility


500-1000（單（dān）片（piàn）子鏡（jìng））


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（yuǎn）鏡


1300（單片子鏡）


美國大麥哲倫望遠鏡


8400（單（dān）片子（zǐ）鏡）


小口徑和大口徑加工工藝的區別（bié），孰難孰易？


上麵我們（men）簡單介紹了小口徑和大口徑的（de）劃分以（yǐ）及他們的部分應用場景，接下（xià）來我們將討論一下在實現工（gōng）藝中兩者的區別。有的人（rén）會覺得加工（gōng）小尺寸的東西一定（dìng）比（bǐ）加工大尺寸的（de）東西要（yào）更難，因為小然後又要做到（dào）高精度很難；也有人覺得加（jiā）工大口徑的東西更難，因為要在這麽大麵積上麵保證每個地方的精度都保持很高難度很大。我們首（shǒu）先來看看非球麵透鏡的小口徑和大口徑在製造工（gōng）藝、工序、關鍵技術以及檢（jiǎn）測（cè）有什麽區別。
1. 加工工序（xù）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（tú）所示[6]：
圖片


小口徑的非球麵加工技主要有單點金剛石（shí）車削技（jì）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（de）方法大量應用在熱成型的模具製造過程中（zhōng）。因為小口徑的應用範圍廣泛、需求數量大，單件加工不具備經濟效應，因此主要還是以（yǐ）成型技術為主（zhǔ）。小口徑的超（chāo）精密加工（gōng）主要還是針對模具來看的。如果針對（duì）單件的小口徑加工來看也可以采（cǎi）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（chāo）精密車削和磨削，會在零（líng）件表麵留下加工痕跡和表麵缺陷，達不到加工（gōng）精度要（yào）求，因此後續還（hái）需（xū）要超精密（mì）拋光加工來進一步提（tí）高（gāo）表麵質量。
小口徑加工主要麵臨以下幾個難（nán）點：
精度非球麵光（guāng）學元件僅依靠超精密車削和磨削，表麵質量難以達到要求。對於小口徑非球（qiú）麵模具的超精密磨削，工件表（biǎo）麵不僅殘留有規則的磨痕，而且（qiě）不可避（bì）免的產生品格錯位、裂（liè）紋、殘餘應力、加工硬化（huà）等各種（zhǒng）加工缺陷；


口徑（jìng）小（xiǎo），易引起（qǐ）幹涉（shè）。小口徑非球麵的加工空間狹小(<10mm)，普通的加工工具（jù）難以對其進行拋光（guāng），工業界（jiè）目前主要采用手工拋光（guāng）的方式，但是勞動強（qiáng）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（tóu）結（jié）台遊離磨料的拋光工藝，不同形狀、不（bú）同尺寸的工件需要專門的拋光工具，適應性不強。因此（cǐ）傳統研拋技術在加工效率、精度、自動化以（yǐ）及加工形麵的適應性等方麵難以滿足（zú）；


磁（cí）流（liú）變拋光作為一種先進（jìn）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（cè）以及高（gāo）精、高效等特點，在小口徑非球麵超精密拋光中廣泛被使用。
擴展（zhǎn）閱讀：小口徑或者超小口徑實現方法主要是（shì）熱成型法（適用於大批量生產（chǎn），這裏我們（men）做簡（jiǎn）單的介紹（shào）），加工過程（chéng）中需要利用到高溫、高熱，並嚴格控製溫度、時間等參數（shù）實現的加工路線，包括了光學玻璃模壓成型（>100mm的非球麵可（kě）大批量生產，精度可達（dá）nm量級）和光學塑（sù）料注射成型（<100mm的非球麵透鏡可大批量生產）兩種方法。光學玻璃的熱壓成型技術的基本原理就是利用（yòng）光學玻璃在不同溫度下具有不同的（de）物理（lǐ）性質，在常溫下，玻璃（lí）硬（yìng）脆（cuì），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。當（dāng）溫度達到Tg（轉變點）的時候，光學玻璃由固態轉變為可塑（sù）態。當溫度繼續上升達到Sp（軟化（huà）點），呈現流體性質。
其中模壓成型的（de）工藝（yì）如下（xià）圖所示：


大口徑
大口徑（jìng）非球（qiú）麵透鏡加工一般來說說需要經過一個複雜且漫長的過程（加（jiā）工麵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（cū）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手段來保證工藝流程的高效運行。上一篇（piān）文章（zhāng）中我（wǒ）們（men）已經提到了對於光學元件最重（chóng）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（huán）節（jiē）——研磨（研（yán）磨影響了整體加工的效率和後續加工費時、精度）[8]。
傳統研拋（pāo）技術：采用和工件口徑相當（0.8-1倍（bèi））的磨（mó）盤對工件進行全域研磨（mó）。主要應用在中小口徑的非球麵加工，其依賴人工經驗，效率（lǜ）低、勞動強度大、無（wú）法保證加工穩定（dìng）性。加工大口徑的效率很低，典型的如美國的（de）2.5m胡可望遠（yuǎn）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。
計算機控製表麵成形技術（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又叫計算機控製小磨頭加工（磨頭直徑一般為工件的1/8-1/15[9]），通過多軸聯動的數控（kòng）機床來控製磨頭的（de）公自（zì）轉、壓力、駐（zhù）留時間保證材料去除量，結合反複的檢測和加工保證麵形精度。計（jì）算機（jī）控製極大的（de）提高了效率，美（měi）國的Tinsley實驗室研究CCOS技術已經三十多年，在2006年（nián）利（lì）用該技術（shù）將JWST主（zhǔ）鏡的一個單片鏡RMS從（cóng）49.1um提高到1.46um，耗（hào）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（pāo）光的介紹。
可控柔體光學製造技術：這一類技術（shù）是隨著（zhe）計算機（jī）科學、材料科學、控製技（jì）術的發展而演變出來的，有應力盤拋光、氣囊拋光、磁（cí）流變拋光、射流拋光、離子束拋光等技術。
應力工件變形（xíng）加工技術：對工件施加應（yīng）力使之變（biàn）形，加工成球（qiú）麵後釋放應力得到非球麵。Keck望遠鏡主（zhǔ）鏡的離軸非球麵子鏡，VLT超大望遠鏡4個（gè）8.4m主鏡，TMT的子鏡都是用（yòng）這種方法實現的。
應力盤拋光：對研拋盤進行主動（dòng）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（jī）控製應力盤的變（biàn）形，在徑向平移（yí）和旋轉過（guò）程中與被加工麵貼合，是。在1990s，美（měi）國SOML用該技術先後加工了1.2-8.4m直徑的多個大型（xíng）非球麵（miàn）反射（shè）鏡。
射流拋光：針對複雜光學（xué）曲麵加工，通過噴嘴噴（pēn）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）碰撞和剪切去除材料。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。
關（guān）於氣（qì）囊拋光、磁流變、離子束技術（目前達到精度最（zuì）高的技術，nm量（liàng）級，甚至（zhì）0.幾nm量（liàng）級）參見（jiàn）文章《精密光（guāng）學加工行業簡介》。
可控柔體加工（gōng）技術是計算機科（kē）學、材（cái）料科學、控製技術等（děng）多個學科的集合（hé），也目前世（shì）界上最先進的光學（xué）加工工藝[10]。我們把上麵介（jiè）紹到的（de）技術大（dà）致分為三類（lèi）：基於數控機床的接（jiē）觸式——CCOS；基（jī）於彈性力學基礎理論（lùn）——應力（lì）工件變形拋光技術、應力（lì）盤拋光技術；基於多能場（chǎng）——磁流變拋光技（jì）術、離子束拋光技術。其中基於數（shù）控（kòng）機床的接觸式，在一些粗磨、精磨以及粗拋的過（guò）程中（zhōng）應用較多；基於彈（dàn）性力學基礎（chǔ）理論的技術是實現大口徑光（guāng）學非球麵鏡高效率研拋的主要手段；基於多能場的是實現大（dà）口徑非（fēi）球麵最終高精度麵形要求的必要手段。
大口徑光學非（fēi）球麵的實際加工一定是多種加工技術的組合，才能保證加工效（xiào）率和（hé）精度。從先進光學加工（gōng）的發展趨勢（shì）來說， 以能流（liú）束拋光技術(如磁流變拋（pāo）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麵鏡高精度光學加工的發展方向。
2. 檢測技術的差（chà）異
大口徑的檢測技術：
和（hé）光學加工過程一樣，非球麵的光學檢測相對於（yú）平麵來說也是非常困難的。與小口（kǒu）徑相比，大口徑的（de）非（fēi）球麵光學檢測難度要更高。
非球麵（miàn）的光學檢測按照原理可（kě）以（yǐ）分為坐標測量、幾何光線測量和光學幹涉測量。
坐標測量（liàng）（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（liàng）機和輪廓儀，先利用高精度的位移傳感器對待測麵上離散的點進行掃描測量，得到各點的三維坐標，然後通（tōng）過數學插值重（chóng）構出（chū）全（quán）口徑（jìng）的三維麵形，最後與非球麵的理論麵形比較獲得最終的麵形誤差。理論（lùn）上，可（kě）以得到被測麵的所有幾何參數。該方法（fǎ）是光（guāng）學製造中實現在位測量的重要方法，好（hǎo）處（chù）在於其能保證加工坐標（biāo）係和測量坐標係一致，並且避免大型非球麵（miàn）工件的搬運（yùn）帶來（lái）的風險，對於提高大口徑非（fēi）球麵研拋效率有重要意義。
傳統的接觸式坐標測量存在劃傷表麵（miàn）的（de）風險，並且其測量精度受（shòu）限於位移傳感（gǎn）器和測頭的定位精度。因此，傳（chuán）統的坐標測量，比如三（sān）坐（zuò）標測量機、輪廓儀以及激光跟蹤儀，常見（jiàn）於光學研磨階段的麵形檢測。
高靈敏度的非接觸式光學探針解決（jué）了坐標測量的表麵（miàn）劃傷（shāng）問題，測（cè）量精度不（bú）斷提高，已經（jīng）達到了幾十納米。
幾何光線測量技（jì）術：


我們結（jié）合光學加工的工序來看，從粗磨、精磨、粗拋到精拋，不同（tóng）的環節形成的麵（miàn）形精度（dù）都（dōu）不同，從幾十um到（dào）nm量級，中（zhōng）間跨越了兩個數量級（jí）的精度。因此（cǐ）對檢（jiǎn）測方法的大動態範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（duì）表麵進行檢測，能（néng）夠滿足上述兩個要求。常見的防範有（yǒu）刀（dāo）口（kǒu）法、哈特曼光闌法、夏克-哈特曼波前探測法、結構光條紋（wén）反射技術等（děng）。
幹涉測量技術：


利用一個較高麵形精度的參考鏡來（lái）對被測鏡進行檢測，攜帶有參考麵信息的參考光與攜帶有被測麵信息的被測光發生幹涉，生成幹涉條紋並被成（chéng）像探測器記錄，利用相位恢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，采樣點（diǎn）豐富，測量周期短，是光學件（jiàn）麵形高精度檢測所廣泛采用的終檢手段。甚至可（kě）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（qiú）麵的檢測（cè）中主要麵（miàn）臨兩個技術難題，如何解（jiě）決這兩個問題是現代光學幹涉測（cè）量所重點研究的方向：
一般數字波麵幹涉儀隻能生成平、球麵參考波（bō）前，無法直接用於非球麵的零位幹涉測量（liàng）；
對測量環境（jìng）有較高的要求，大口徑非球麵的幹涉測量檢測光（guāng）路通常很長，一般無法通過物理隔振的方式實現。


常用的技術方法有以下（xià）兩大類（lèi）：
非零位幹涉測量：利用普（pǔ）通的波麵幹涉儀對非球麵直接進行無補償測量，該技術方向重點集中在如何解決得到的（de）幹涉條紋密集而導致CCD無法解析的問題。


零位幹涉測量：大口徑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（dá）式進（jìn）行分析，計算出非球麵上各帶的法線與光軸焦點的位置和角度。通（tōng）過設計相應的補（bǔ）償器件可保證幹（gàn）涉儀（yí）出射的標準球麵波經（jīng）過補償器後變（biàn）成非球麵波，並恰好沿著被測非球麵的法線入射且（qiě）能原路（lù）返（fǎn）回，實現（xiàn）非球麵像差的補（bǔ）償從而實現零位測量。理論上， 零位幹涉圖可以是全（quán）明或者全（quán）暗的零條紋狀態，不存在非共光路（lù）引入的（de）回程誤差（chà）。因此，零位（wèi）幹涉測量是高精度幹涉檢測必須考慮的測試方法[8]。


小口徑的檢測技術：
和（hé）大口徑的（de）檢測（cè）技術相（xiàng）類似，小口徑（jìng）的檢測技術主要也（yě）是坐（zuò）標（biāo）測量（主要是直接麵型輪廓法）、幾何光（guāng）學測量以及幹涉法。
小口徑的檢測相（xiàng）對大口徑要更容易實現，典型的比如在幹涉法檢測中，因為小口徑的表麵中幹涉光線（xiàn）的（de）光（guāng）路路徑（jìng）短，對環境的要求沒有（yǒu）大口徑（jìng）的高；口徑小，檢測麵積小，同等檢測要求下檢測耗時（shí）少，效率（lǜ）高。
總結：


小口徑


大口（kǒu）徑


加工工藝


大批量：成型工藝，屬於（yú）熱工藝，采用超精密模具，模具精度對成（chéng）型精度起決定（dìng）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（mó）、拋光到鍍膜的工序；


通常（cháng）為單件加工或（huò）者小批量製造，工序複雜、加工成本高、周期長、對設（shè）備要（yào）求高；


研/拋（pāo）技術


單（dān）點金剛石車削（xuē）技（jì）術（SPDT）、超精密磨削銑削、成型技術和特種加工技術，適用於小口徑的研磨、拋光技術（shù）較少（shǎo）；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（shí）間（jiān）選擇。複雜且漫長的過程


檢測（cè）


檢測時（shí）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（zhì）化


大（dà）口徑的光學組件從（cóng）加工工（gōng）序的複雜程度、設備要（yào）求（qiú）、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、定製化的特點決定了其需要針對（duì）特定的應用進行（háng）加（jiā）工（gōng），耗時耗力，成（chéng）本（běn）更（gèng）高；




國內上市公（gōng）司所在的區間？


這裏我們總結了國內上市公司（sī）中產品和技（jì）術相似的幾家公司，參（cān）考（kǎo）了他們各自的招股說明書公開的信息，並以圖表的方式將他們目前具備（bèi）的加工的尺寸（cùn）範圍進行了劃分，如下圖所（suǒ）示：




從結果中我們可看到，大部分公司的加工（gōng）能力集中在400mm以下的口徑，其中以（yǐ）50-300之間最為普遍。僅有少數公司的少數產品（pǐn）加工口徑（jìng）能夠達到超（chāo）大（dà）口徑的範圍（wéi），這一類產（chǎn）品多用（yòng）於大型天文望遠鏡（jìng）等場景，產品多（duō）為定製開發。
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文章出處：南京CNC加工http://www.dgszm.com/cn/info_15.aspx?itemid=668