我国光学加工的热点及突破口分析

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导 读：目前，一些承接品种单一，外贸订单数量大的企业抵御国际金融危机影响的能力很差。相关企业急需调整产业结构，寻求新的多样生产品种，促使生产转型，获得新的生机。面对这种局势，我国光电信息产业如何转危机为机遇？产业的当务之急是什么？我认为我们应该抓住热点产业，抓住热点课题，从难从严，重点突破，寻求新产业的新发展。
7 F& @% K5 i: F0 A/ I# O% D: L            关 键 词：光学零件 亚纳米
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! P0 l; [, P( [     　　目前，一些承接品种单一，外贸订单数量大的企业抵御国际金融危机影响的能力很差。相关企业急需调整产业结构，寻求新的多样生产品种，促使生产转型，获得新的生机。面对这种局势，我国光电信息产业如何转危机为机遇？产业
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的当务之急是什么？我认为我们应该抓住热点产业，抓住热点课题，从难从严，重点突破，寻求新产业的新发展。
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　　那么，当前我国光学加工的热点又有哪些呢？我的看法是四个字：小、大、硬、精。
  
3 ]1 N( x( ?' K* B 　　1“小”-微小型光学元件
  
　　微小型光学元件包括小透镜、小型非球面透镜（玻璃和塑料材质）、微小棱镜、微小平面镜及透镜阵列板、棱镜阵列板等。
  
　　近年来，光电信息产业迅速发展，IT 行业迅速崛起，数码相机、投影仪、数码扫描仪、光通讯光学元件等产品的需求量逐步增加，机型向微型化发展，形成了庞大的新兴产业---微光学产业。
  
0 ]/ O6 f. T) V 　　我国光电信息产业的产品设计及软件和国际水平相差不远，差距较大的是材料、工艺和制造水平，我们应该在这三个方面加大投入进行重点研究。其中，小透镜的下摆机加工工艺与成像塑料非球面透镜的注射成型工艺应该是重中之重。
  
4 f6 _7 X% X# O6 T2 G 　　1.1 小透镜的下摆机加工工艺
  
　　大中球面透镜通常采用准球心精磨与抛光，即绕近似球心抛光。从动力学上分析，这种技术存在压力分布不均匀的现象，加工质量稳定性差。而小球面的下摆机加工实质是绕精确球心完成精磨与抛光运动的单片加工，加工比压高，加工速度快而且质量高，稳定性好。
  
2 m* `) y" w3 J1 _ 　　下摆机的上轴仅向下运动，与下轴和下轴转轴严格交于一点，从而保证了下轴可以精确摆动，精确度达到0.01 mm，并不会随透镜表面的磨耗而变化。加工过程中，透镜的厚度可从百分表中读取，精确度达到±0.01 mm。利用下摆机精磨并抛光口径为7 mm 镜片的一面，用时2 min 左右，加工速度比上摆机快很多。
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　　1.2 成像塑料非球面透镜的注射成型工艺
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　　我国用于照明和聚光的塑料非球面注射成型的生产工艺已经比较成熟，也有不少制作模芯的金刚车床，同时对于塑料非球面的需求量也是越来越大，例如数码相机镜头、数码扫描镜头等都要用到塑料非球面透镜。然而目前塑料非球面透镜质量过关的并不多。只要我们认真研究非球面面形的测量手段，例如英国的Formtalysurf 轮廓仪、美国的子孔径干涉仪和环带干涉仪等，这项工艺是可以得到突破的。
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: J* q: G% z; s5 ~ 　2“大”-大型玻璃平面、大透镜和大型非球面镜
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　　电视液晶屏幕或等离子屏幕、“神光III”、航摄镜头、空间相机、光刻镜头、大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）及将来可能制造的20 m 自适应光学天文望远镜中都有很多高要求的大玻璃平面和大镜面。
  
　　针对这些领域，我国有不少单位引进了大型平面、球面和非球面数控机床。例如，南京天文仪器研制中心引进了美国3.2 m 环抛机；成都精密光学工程中心引进了俄国500 mm 大平面金刚石飞切铣床及多台三轴、四轴和五轴数控光学研磨机；筹建中的上海现代先进超精密制造中心正在引进一系列400 mm超精加工与检测光学平面、球面与非球面设备，这些机床都是制造大型光学元件的必要设备。
  
　　除此之外，我国还陆续开展了对大型平面、球面和非球面数控机床的研制工作。例如，南京利生光学机械有限公司研制成功的4 m 主动式精密数控环抛机是目前我国最大的抛光机；哈工大研制了600 mm晶体超精金刚石飞切平面铣床和600 mm 非球面超精加工机床；航天303 所研制了Nanosys 300 非球面机；诺斯泰格研制了PPS 100 高精度平面光学数控快速抛光机。值得一提的是，国防科技大学的国内首台500 mm 离子束加工设备的研制工作也取得很大进展，为超精大型光学件的制造提供了条件。我国大型精密光学元件和光学镜面或光学镜头的研制工作主要是在研究所和大专院校中进行。例如，成都精密光学工程中心、长春光机所、成都光电所、上海光机所、信息产业部电子第45 所、南京天文仪器研制中心、国防科技大学、苏州大学和浙江大学等。
  
　　尽管如此，我国目前的大型精密光学元件、镜面与光学镜头仍不能满足需要。例如，“神五”载人人造卫星中的空间相机采用的是俄制碳化硅镜面，此外我国光刻镜头也没有达到国际水平，仍需要较大的投入。
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" H- d( n  y* p: [/ b, ~ 　　3“硬”-硬质光学晶体
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  Z0 B8 A# r& G) M, e7 ? 　　碳化硅（SiC）的莫氏硬度为9.5，密度低、膨胀系数低，是各向同性的六角晶体，为新兴的航天光学材料。蓝宝石/红宝石（Al2O3）的莫氏硬度为9，是各向异性的六方晶体，为贵重的光学材料。红宝石是固体激光器发光物质，蓝宝石与红宝石是红外窗材料，蓝宝石同时又是很好的衬底材料。蓝宝石的折射率高、硬度高、色彩艳丽，又是贵重的装饰品及“永不磨损”的高档表面材料。掺钕钇铝石榴石（YAG）的莫氏硬度为8~8.5，是近红外固体激光物质材料。石英晶体（SiO2）的莫氏硬度为7，是各向异性六方晶体，为紫外与红外领域的优质光学材料。目前最热门的是碳化硅和红、蓝宝石的光学加工。
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6 x( ?, h& L' i: U 　　SiO2 材料的熔制、表面改性与光学加工在我国尚处于开发研究阶段。上海硅酸盐研究所、西安光机所、上海技物所与南京天文光学技术研究所的攻关研究已经取得可喜进展。目前，我国已经研制出口径为520 mm 的SiO2 成像非球面镜，正向口径为800 mm 的方向发展。
  
+ g& B9 I5 X# G4 Q4 F% t 　　蓝宝石硬度高，加工方法特殊，工艺方法有很多创新，重点是在精磨抛光上。磨料和抛光料可以用金刚石研磨膏或金刚石微粉， 其粒度为w1，w0.5，w0.25，甚至更；也可以用金刚石微粉抛光皮。磨模抛光模可以用钢模、金刚石模、树脂铜模或宝石模。此外，SiO2 化学抛光液也可以取得很好的效果。
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, I; f; r' z# | 　　4“精”-超精光学镜头或光学元件
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5 k9 e: W+ v, Z0 E" _/ [ 　　光学表面对面形精度及表面粗糙度的要求越来越高，光学镜头（紫外光刻镜头等）也需要有接近衍射极限的成像质量，这些都促使超精加工中出现了一批新的加工工艺与方法，包括：计算机数控小工具光学表面加工（CCOS）、磁流变抛光（MRF）技术及离子束抛光（IBF） 技术。20 世纪80 年代，我国开始研究CCOS，现在技术已经成熟；20 世纪90 年代，我国开始研究MRF 技术，目前也有很大进展。近几年，美国QED Technologies 公司也开始提供MRF 技术和设备。同时，国防科技大学也利用IBF 技术修饰光学表面，粗糙度达到了1 nm。
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/ M9 D. P5 K$ ]; d 　　数字波面干涉仪是检测面形精度的主要仪器，我国在1985 年完成了第一台样机的研制。近几年，南京理工大学研制了小型球面干涉仪，造价低，使用方便，市场占有率很高，他们最近又为"神光Ⅲ"研制出口径为600 mm 的红外干涉仪。在测量非球面面形方面，国外提出了子孔径干涉法和环带法，平面、球面或者非球面都可以用干涉仪直接测量面形。
  
　　4.2 超精光学镜头的超精装校技术
  
　　超精光学装校是生产接近衍射极限光学镜头的另一个重要保证。超精定中心专用立式装校车床是超精光学装校的关键。
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　　国内最早的装较仪是成都光电所生产的口径为500 mm 的精密定心装校仪。仪器主轴是超精密轴承结构，径向跳动和轴向跳动都达到1μm。现在国外这类定心机床中的液体静压轴承径向跳动已达到了0.1μm，空气轴承径向跳动已达到0.05μm。
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, A( a( a( H  z! ` 　　超精光学装校以机床主轴为基准，全部镜片的球心都交在机床主轴上，从而达到以光轴为基准的超精装校。在装校过程中还可以按照镜头成像要求来进行调整。超精镜头是光学镜头的最高要求，典型代表是紫外光刻镜头、干涉仪标准镜头、望远镜校准镜头与空间相机等。
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　　我国近期开展的193 nm 超紫外光刻镜头给光学设计、光学加工和光学装校带来了很大的挑战。据初步估测，如果要完成该镜头给定的设计指标需要30多个镜片，所用光学材料主要为硬质石英玻璃与软质的氟化钙（CaF2）晶体。显然这种材料的表面应该是超光滑级，表面面形超精密级，加工难度非常大，而光学装校也就不言而喻了。浙江大学现代光学仪器重点实验室几年前研制成功了大面积投影光刻物镜，其技术指标是：通光口径为280 mm，数值孔径NA 为0.08，曝光波长为365 nm，景深为0.25μm，线视场为203.2 mm，分辨率小于等于2.5μm（理论极限值）。这一类超高精度物镜的制造技术也是光电行业内普遍关注的热点问题。
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　5 结束语
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+ o# w$ S* H* W( H 　　应对国际金融危机，我国光电信息产业应该调整企业的产业结构，针对光学工艺的热点问题，结合企业的实际情况，从“小、大、硬、精”四个方面选择突破点，培植新的GDP 增长点，使国际金融危机带来的负面影响降低到最小。
  
, W9 R0 \! ?6 G, t 　　作者简介：曹天宁，浙江大学光电系教授，主编我国第一本光学工艺教材，在国内最早取得环抛机、数字波面干涉仪和计算机数控小工具光学表面加工科研成果，是国内着名光学工艺与检测专家。
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