精密光学加工2：小口径与大口径对比


目录


1. 小口径和大口径是如何划分的？


2. 小口径和大口径加工工艺的区别，孰难孰易？


3. 国内上市公司所在的区间


在之前的文章中我们介绍了光学加工（冷加工）的技术路线，我们也提到了这个加工工艺流程中并不是所有的光学镜片用到的加工技术和设备都是相同的，其中典型的就是大口径和小口径的光学元组件在加工过程中需要用到的设备和加工的工艺技术是有区别的。今天我们就来看看小口径和大口径之间的区别，不同的企业之间他们是如何在光学加工这个坐标系中划分自己占有的市场的。
小口径和大口径是如何划分的？


对于镜片大小尺寸的区分没有严格统一的划分标准，通过查阅相关的论文和文献，整理得到通常可以将直径口径在200mm以下的镜片（以非球面为参考，对于棱镜是用长度200mm为分界线来划分大小的）称为中小口径，直径口径大于200mm的镜片可以称为大口径。我们将不同口径划分区间进行详细的剖分得到如下示意图：
图片


随着口径的增加，应用场景覆盖范围逐步缩减。小口径的镜头在民品方面应用在诸如安防摄像头、车载摄像头、显微镜等领域，中等口径的通常在一些小型的天文望远镜等场景，军品方面一些中小型的光电吊舱的镜头、激光雷达、光电打击系统等；大型或者超大型的镜片通常需要定制开发，针对特定的应用场景加工，比如我们熟知的哈勃、韦伯天文望远镜的主镜面，直径都是超过m量级的。这里我们简单整理一下不同口径镜头的应用以及对应的口径大小。
小口径：0-50mm


应用方向


口径大小（单位：mm）


安防摄像头


<60


显微镜


20-30


车载DVR（一款隐藏式宽FOV）[1]


12


手术室自由曲面LED无影灯[3]


40-50


头盔显示光学系统（长光所）[3]


<40


太赫兹光学准直和聚焦[4]


25.4-38


微透镜阵列[5]


0.032-1.5（单元孔径）


手机摄像头


<10


车载视觉镜头


10-50


中口径：50-200mm


应用方向


口径大小（单位：mm）


小型天文望远镜[2]


70-200


激光雷达光学口径


100


大口径：200-400mm


应用方向


口径大小（单位：mm）


半导体DUV光学镜头


100-300


哈勃空间望远镜次镜


300


超大口径：＞400mm


应用方向


口径大小（单位：mm）


SiC非球面反射面（国防科大07年）


500


美国National Ignition Facility


500-1000（单片子镜）


哈勃空间望远镜主镜


2400


美国的KH-12主镜直径


3800


韦伯太空望远镜


1300（单片子镜）


美国大麦哲伦望远镜


8400（单片子镜）


小口径和大口径加工工艺的区别，孰难孰易？


上面我们简单介绍了小口径和大口径的划分以及他们的部分应用场景，接下来我们将讨论一下在实现工艺中两者的区别。有的人会觉得加工小尺寸的东西一定比加工大尺寸的东西要更难，因为小然后又要做到高精度很难；也有人觉得加工大口径的东西更难，因为要在这么大面积上面保证每个地方的精度都保持很高难度很大。我们首先来看看非球面透镜的小口径和大口径在制造工艺、工序、关键技术以及检测有什么区别。
1. 加工工序和研磨抛光技术的差异
小口径
小口径加工的生产工艺可以分为铣磨成型、数控抛光和检验检测三个阶段，如下图所示[6]：
图片


小口径的非球面加工技主要有单点金刚石车削技术（SPDT）、超精密磨削铣削、成型技术（见扩展阅读）和特种加工技术。普遍采用的超精密车削和磨削的方法大量应用在热成型的模具制造过程中。因为小口径的应用范围广泛、需求数量大，单件加工不具备经济效应，因此主要还是以成型技术为主。小口径的超精密加工主要还是针对模具来看的。如果针对单件的小口径加工来看也可以采用与大口径相同的工艺顺序，结合小工具抛光实现。
单纯依靠超精密车削和磨削，会在零件表面留下加工痕迹和表面缺陷，达不到加工精度要求，因此后续还需要超精密抛光加工来进一步提高表面质量。
小口径加工主要面临以下几个难点：
精度非球面光学元件仅依靠超精密车削和磨削，表面质量难以达到要求。对于小口径非球面模具的超精密磨削，工件表面不仅残留有规则的磨痕，而且不可避免的产生品格错位、裂纹、残余应力、加工硬化等各种加工缺陷；


口径小，易引起干涉。小口径非球面的加工空间狭小(<10mm)，普通的加工工具难以对其进行抛光，工业界目前主要采用手工抛光的方式，但是劳动强度大、加工效率低、加工质量不稳定。另外传统的粘弹性抛光头结台游离磨料的抛光工艺，不同形状、不同尺寸的工件需要专门的抛光工具，适应性不强。因此传统研抛技术在加工效率、精度、自动化以及加工形面的适应性等方面难以满足；


磁流变抛光作为一种先进的光学加工技术，具有加工过程确定可控、加工结果精确可测以及高精、高效等特点，在小口径非球面超精密抛光中广泛被使用。
扩展阅读：小口径或者超小口径实现方法主要是热成型法（适用于大批量生产，这里我们做简单的介绍），加工过程中需要利用到高温、高热，并严格控制温度、时间等参数实现的加工路线，包括了光学玻璃模压成型（>100mm的非球面可大批量生产，精度可达nm量级）和光学塑料注射成型（<100mm的非球面透镜可大批量生产）两种方法。光学玻璃的热压成型技术的基本原理就是利用光学玻璃在不同温度下具有不同的物理性质，在常温下，玻璃硬脆，在高温下具有粘流性[7]。


上图中表示了某类玻璃材料随温度升高的热膨胀状态。当温度达到Tg（转变点）的时候，光学玻璃由固态转变为可塑态。当温度继续上升达到Sp（软化点），呈现流体性质。
其中模压成型的工艺如下图所示：


大口径
大口径非球面透镜加工一般来说说需要经过一个复杂且漫长的过程（加工面的大小决定了加工时间），周期较长，其主要的工艺流程包括了铣磨成型、粗磨、精磨、粗抛光、精抛光、镀膜等环节，同时每一个环节都必须要配备对应的一种或者多种检测手段来保证工艺流程的高效运行。上一篇文章中我们已经提到了对于光学元件最重要的环节之一——抛光，在面向大口径的加工中还有一个非常重要的环节——研磨（研磨影响了整体加工的效率和后续加工费时、精度）[8]。
传统研抛技术：采用和工件口径相当（0.8-1倍）的磨盘对工件进行全域研磨。主要应用在中小口径的非球面加工，其依赖人工经验，效率低、劳动强度大、无法保证加工稳定性。加工大口径的效率很低，典型的如美国的2.5m胡可望远镜加工时间6年，帕洛玛5m望远镜耗时14年，我国上世纪80年代完成的2.16m望远镜耗时7年。
计算机控制表面成形技术（Computer controlled optical surfacing, CCOS）又叫计算机控制小磨头加工（磨头直径一般为工件的1/8-1/15[9]），通过多轴联动的数控机床来控制磨头的公自转、压力、驻留时间保证材料去除量，结合反复的检测和加工保证面形精度。计算机控制极大的提高了效率，美国的Tinsley实验室研究CCOS技术已经三十多年，在2006年利用该技术将JWST主镜的一个单片镜RMS从49.1um提高到1.46um，耗时3个月。对于CCOS的技术的不足请参阅《精密光学加工行业简介》中抛光的介绍。
可控柔体光学制造技术：这一类技术是随着计算机科学、材料科学、控制技术的发展而演变出来的，有应力盘抛光、气囊抛光、磁流变抛光、射流抛光、离子束抛光等技术。
应力工件变形加工技术：对工件施加应力使之变形，加工成球面后释放应力得到非球面。Keck望远镜主镜的离轴非球面子镜，VLT超大望远镜4个8.4m主镜，TMT的子镜都是用这种方法实现的。
应力盘抛光：对研抛盘进行主动变形来实现（抛光盘一般是主镜直径的1/3-1/5），通过计算机控制应力盘的变形，在径向平移和旋转过程中与被加工面贴合，是。在1990s，美国SOML用该技术先后加工了1.2-8.4m直径的多个大型非球面反射镜。
射流抛光：针对复杂光学曲面加工，通过喷嘴喷射出混油磨料粒子的高速抛光液作用于表面，离子间的高速碰撞和剪切去除材料。美国QED公司在此基础上开发了磁射流抛光技术，是磁流变技术和射流技术的结合。
关于气囊抛光、磁流变、离子束技术（目前达到精度最高的技术，nm量级，甚至0.几nm量级）参见文章《精密光学加工行业简介》。
可控柔体加工技术是计算机科学、材料科学、控制技术等多个学科的集合，也目前世界上最先进的光学加工工艺[10]。我们把上面介绍到的技术大致分为三类：基于数控机床的接触式——CCOS；基于弹性力学基础理论——应力工件变形抛光技术、应力盘抛光技术；基于多能场——磁流变抛光技术、离子束抛光技术。其中基于数控机床的接触式，在一些粗磨、精磨以及粗抛的过程中应用较多；基于弹性力学基础理论的技术是实现大口径光学非球面镜高效率研抛的主要手段；基于多能场的是实现大口径非球面最终高精度面形要求的必要手段。
大口径光学非球面的实际加工一定是多种加工技术的组合，才能保证加工效率和精度。从先进光学加工的发展趋势来说， 以能流束抛光技术(如磁流变抛光、离子束、射流体)为代表的第三代可控柔体加工技术是未来大型非球面镜高精度光学加工的发展方向。
2. 检测技术的差异
大口径的检测技术：
和光学加工过程一样，非球面的光学检测相对于平面来说也是非常困难的。与小口径相比，大口径的非球面光学检测难度要更高。
非球面的光学检测按照原理可以分为坐标测量、几何光线测量和光学干涉测量。
坐标测量（研磨阶段测量）：有接触式和非接触式，常见的设备有三坐标测量机和轮廓仪，先利用高精度的位移传感器对待测面上离散的点进行扫描测量，得到各点的三维坐标，然后通过数学插值重构出全口径的三维面形，最后与非球面的理论面形比较获得最终的面形误差。理论上，可以得到被测面的所有几何参数。该方法是光学制造中实现在位测量的重要方法，好处在于其能保证加工坐标系和测量坐标系一致，并且避免大型非球面工件的搬运带来的风险，对于提高大口径非球面研抛效率有重要意义。
传统的接触式坐标测量存在划伤表面的风险，并且其测量精度受限于位移传感器和测头的定位精度。因此，传统的坐标测量，比如三坐标测量机、轮廓仪以及激光跟踪仪，常见于光学研磨阶段的面形检测。
高灵敏度的非接触式光学探针解决了坐标测量的表面划伤问题，测量精度不断提高，已经达到了几十纳米。
几何光线测量技术：


我们结合光学加工的工序来看，从粗磨、精磨、粗抛到精抛，不同的环节形成的面形精度都不同，从几十um到nm量级，中间跨越了两个数量级的精度。因此对检测方法的大动态范围和较高的测量精度提出了要求。几何光线测量技术利用几何光学原理对表面进行检测，能够满足上述两个要求。常见的防范有刀口法、哈特曼光阑法、夏克-哈特曼波前探测法、结构光条纹反射技术等。
干涉测量技术：


利用一个较高面形精度的参考镜来对被测镜进行检测，携带有参考面信息的参考光与携带有被测面信息的被测光发生干涉，生成干涉条纹并被成像探测器记录，利用相位恢复算法可以从干涉条纹中复原出被测面的面形误差。干涉测量精度高，采样点丰富，测量周期短，是光学件面形高精度检测所广泛采用的终检手段。甚至可以称得上高精度光学检测的代名词，现已成为光学车间检测的主流技术。
在大口径非球面的检测中主要面临两个技术难题，如何解决这两个问题是现代光学干涉测量所重点研究的方向：
一般数字波面干涉仪只能生成平、球面参考波前，无法直接用于非球面的零位干涉测量；
对测量环境有较高的要求，大口径非球面的干涉测量检测光路通常很长，一般无法通过物理隔振的方式实现。


常用的技术方法有以下两大类：
非零位干涉测量：利用普通的波面干涉仪对非球面直接进行无补偿测量，该技术方向重点集中在如何解决得到的干涉条纹密集而导致CCD无法解析的问题。


零位干涉测量：大口径非球面光学抛光主要采用的方法。过对被测非球面的数学表达式进行分析，计算出非球面上各带的法线与光轴焦点的位置和角度。通过设计相应的补偿器件可保证干涉仪出射的标准球面波经过补偿器后变成非球面波，并恰好沿着被测非球面的法线入射且能原路返回，实现非球面像差的补偿从而实现零位测量。理论上， 零位干涉图可以是全明或者全暗的零条纹状态，不存在非共光路引入的回程误差。因此，零位干涉测量是高精度干涉检测必须考虑的测试方法[8]。


小口径的检测技术：
和大口径的检测技术相类似，小口径的检测技术主要也是坐标测量（主要是直接面型轮廓法）、几何光学测量以及干涉法。
小口径的检测相对大口径要更容易实现，典型的比如在干涉法检测中，因为小口径的表面中干涉光线的光路路径短，对环境的要求没有大口径的高；口径小，检测面积小，同等检测要求下检测耗时少，效率高。
总结：


小口径


大口径


加工工艺


大批量：成型工艺，属于热工艺，采用超精密模具，模具精度对成型精度起决定性作用；工序相对简单、成本较低、效率较低；


单件：可采用粗磨、精磨、抛光到镀膜的工序；


通常为单件加工或者小批量制造，工序复杂、加工成本高、周期长、对设备要求高；


研/抛技术


单点金刚石车削技术（SPDT）、超精密磨削铣削、成型技术和特种加工技术，适用于小口径的研磨、抛光技术较少；磁流变技术是主要应用的技术


多种不同的技术可以采用，根据需要加工的工件、结合成本、时间选择。复杂且漫长的过程


检测


检测时间短、难度小


检测时间长、难度大


需求


大批量、通用性


小批量、定制化


大口径的光学组件从加工工序的复杂程度、设备要求、设备数量、加工成本、加工周期以及检测难度来看相对小口径都较难；


大口径小批量、定制化的特点决定了其需要针对特定的应用进行加工，耗时耗力，成本更高；




国内上市公司所在的区间？


这里我们总结了国内上市公司中产品和技术相似的几家公司，参考了他们各自的招股说明书公开的信息，并以图表的方式将他们目前具备的加工的尺寸范围进行了划分，如下图所示：




从结果中我们可看到，大部分公司的加工能力集中在400mm以下的口径，其中以50-300之间最为普遍。仅有少数公司的少数产品加工口径能够达到超大口径的范围，这一类产品多用于大型天文望远镜等场景，产品多为定制开发。
参考文献：


[1] //www.smartautoclub.com/p/29408/
[2]//oncoursewares.com/products/telescope-70mm-aperture-500mm-for-kids-adults-astronomical-refracting-portable-telescopes-az-mount-fully-multi-coated-optics-with-tripod-phone-adapter-wireless-remote-carrying-bag
[3]王守义.小口径自由曲面光学元件的补偿加工技术[D].西安工业大学，2021
[4]//www.menlosystems.com/cn/products/thz-antennas-and-components/thz-lenses/
[5]//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
[6]郑爽.高精度小口径非球面加工工艺研究[D].长春理工大学,2013;
[7]龚峰.光学玻璃精密模压成型设备模具研制[D].深圳大学,2017;
[8]刘锋伟，吴永前，陈强，等. 大口径光学非球面镜先进制造技术概述[J]. 光电工程， 2020， 47(10): 200203
[9]郑立功. 离轴非球面 CCOS 加工过程关键技术研究[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2003.
[10] 李圣怡, 戴一帆. 大中型光学非球面镜制造与测量新技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011: 5–34.

文章出处：南京CNC加工//cultureveloales.com/cn/info_15.aspx?itemid=668