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我國光學(xué)加工的突破口在哪里?

2013-08-27 admin1

目前,一些承接品種單一,外�(mào)訂單�(shù)量大的企�(yè)抵御國際金融危機(jī)影響的能力很�。相�(guān)企業(yè)急需�(diào)整產(chǎn)�(yè)�(jié)�(gòu),尋求新的多樣生�(chǎn)品種,促使生�(chǎn)�(zhuǎn)�,獲得新的生�(jī)。面�(duì)這種局勢,我國光電信息�(chǎn)�(yè)如何�(zhuǎn)危機(jī)為機(jī)�?�(chǎn)�(yè)的當(dāng)�(wù)之急是什�?我認(rèn)為我們應(yīng)該抓住熱�(diǎn)�(chǎn)�(yè),抓住熱�(diǎn)課題,從難從�(yán),重�(diǎn)突破,尋求新�(chǎn)�(yè)的新�(fā)��

我國光學(xué)加工的突破口在哪里?

那么,當(dāng)前我國光�(xué)加工的熱�(diǎn)又有哪些�?我的看法是四�(gè)字:�、大、硬、精�

1“小”—微小型光學(xué)元件

微小型光�(xué)元件包括小透鏡、小型非球面透鏡(玻璃和塑料材�(zhì))、微小棱鏡、微小平面鏡及透鏡陣列�、棱鏡陣列板等�

近年�,光電信息產(chǎn)�(yè)迅速發(fā)展,IT 行業(yè)迅速崛起,�(shù)碼相�(jī)、投影儀、數(shù)碼掃描儀、光通訊光學(xué)元件等產(chǎn)品的需求量逐步增加,機(jī)型向微型化發(fā)�,形成了龐大的新興產(chǎn)�(yè)———微光學(xué)�(chǎn)�(yè)�

我國光電信息�(chǎn)�(yè)的產(chǎn)品設(shè)�(jì)及軟件和國際水平相差不遠(yuǎn),差距較大的是材�、工藝和制造水平,我們應(yīng)該在這三�(gè)方面加大投入�(jìn)行重�(diǎn)研究。其中,小透鏡的下擺機(jī)加工工藝與成像塑料非球面透鏡的注射成型工藝應(yīng)該是重中之重�


1.1 小透鏡的下擺機(jī)加工工藝

大中球面透鏡通常采用�(zhǔn)球心精磨與拋�,即繞近似球心拋�。從�(dòng)力學(xué)上分�,這種技�(shù)存在壓力分布不均勻的�(xiàn)象,加工�(zhì)量穩(wěn)定性差。而小球面的下擺機(jī)加工�(shí)�(zhì)是繞精確球心完成精磨與拋光運(yùn)�(dòng)的單片加�,加工比壓高,加工速度快而且�(zhì)量高,穩(wěn)定性好�


下擺�(jī)的上軸僅向下�(yùn)�(dòng),與下軸和下軸轉(zhuǎn)軸嚴(yán)格交于一�(diǎn),從而保證了下軸可以精確擺動(dòng),精確度�(dá)�0.01 mm,并不會(huì)隨透鏡表面的磨耗而變化。加工過程中,透鏡的厚度可從百分表中讀�,精確度�(dá)到�0.01 mm。利用下擺機(jī)精磨并拋光口徑為7 mm 鏡片的一�,用�(shí)2 min 左右,加工速度比上擺機(jī)快很��


1.2 成像塑料非球面透鏡的注射成型工�

我國用于照明和聚光的塑料非球面注射成型的生產(chǎn)工藝已經(jīng)比較成熟,也有不少制作模芯的金剛車床,同�(shí)�(duì)于塑料非球面的需求量也是越來越大,例如數(shù)碼相�(jī)鏡頭、數(shù)碼掃描鏡頭等都要用到塑料非球面透鏡。然而目前塑料非球面透鏡�(zhì)量過�(guān)的并不多。只要我們認(rèn)真研究非球面面形的測量手�,例如英國的Formtalysurf 輪廓儀、美國的子孔徑干涉儀和環(huán)帶干涉儀�,這項(xiàng)工藝是可以得到突破的�


2“大”—大型玻璃平�、大透鏡和大型非球面�

電視液晶屏幕或等離子屏幕、“神光III�、航攝鏡�、空間相�(jī)、光刻鏡�、大天區(qū)面積多目�(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)�(LAMOST)及將來可能制造的20 m 自適�(yīng)光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡中都有很多高要求的大玻璃平面和大鏡靀�


針對(duì)這些�(lǐng)�,我國有不少單位引�(jìn)了大型平�、球面和非球面數(shù)控機(jī)�。例如,南京天文儀器研制中心引�(jìn)了美�3.2 m �(huán)拋機(jī);成都精密光學(xué)工程中心引�(jìn)了俄�500 mm 大平面金剛石飛切銑床及多�(tái)三軸、四軸和五軸�(shù)控光�(xué)研磨�(jī);籌建中的�?,F(xiàn)代先�(jìn)超精密制造中心正在引�(jìn)一系列400 mm超精加工與檢測光�(xué)平面、球面與非球面設(shè)�,這些�(jī)床都是制造大型光�(xué)元件的必要設(shè)備�


除此之外,我國還陸續(xù)開展了對(duì)大型平面、球面和非球面數(shù)控機(jī)床的研制工作。例�,南京利生光�(xué)�(jī)械有限公司研制成功的4 m 主動(dòng)式精密數(shù)控環(huán)拋機(jī)是目前我國最大的拋光�(jī);哈工大研制了600 mm晶體超精金剛石飛切平面銑床和600 mm 非球面超精加工機(jī)�;航天303 所研制了Nanosys 300 非球面機(jī);諾斯泰格研制了PPS 100 高精度平面光�(xué)�(shù)控快速拋光機(jī)。值得一提的是,國防科技大學(xué)的國�(nèi)首臺(tái)500 mm 離子束加工設(shè)備的研制工作也取得很大�(jìn)�,為超精大型光學(xué)件的制造提供了條件。我國大型精密光�(xué)元件和光�(xué)鏡面或光�(xué)鏡頭的研制工作主要是在研究所和大專院校中�(jìn)�。例如,成都精密光學(xué)工程中心、長春光�(jī)所、成都光電所、上海光�(jī)所、信息產(chǎn)�(yè)部電子第45 所、南京天文儀器研制中�、國防科技大學(xué)、蘇州大�(xué)和浙江大�(xué)��


盡管如此,我國目前的大型精密光學(xué)元件、鏡面與光學(xué)鏡頭仍不能滿足需�。例如,“神五”載人人造衛(wèi)星中的空間相�(jī)采用的是俄制碳化硅鏡�,此外我國光刻鏡頭也沒有�(dá)到國際水平,仍需要較大的投入�


3“硬”—硬�(zhì)光學(xué)晶體

碳化�(SiC)的莫氏硬度為9.5,密度低、膨脹系�(shù)�,是各向同性的六角晶體,為新興的航天光�(xué)材料。藍(lán)寶石/紅寶�(Al2O3)的莫氏硬度為9,是各向異性的六方晶體,為貴重的光�(xué)材料。紅寶石是固體激光器�(fā)光物�(zhì),藍(lán)寶石與紅寶石是紅外窗材料,藍(lán)寶石同時(shí)又是很好的襯底材�。藍(lán)寶石的折射率高、硬度高、色彩艷�,又是貴重的裝飾品及“永不磨損”的高檔表面材料。摻釹釔鋁石榴石(YAG)的莫氏硬度為8~8.5,是近紅外固體激光物�(zhì)材料。石英晶�(SiO2)的莫氏硬度為7,是各向異性六方晶�,為紫外與紅外領(lǐng)域的�(yōu)�(zhì)光學(xué)材料。目前最熱門的是碳化硅和�、藍(lán)寶石的光�(xué)加工�


SiO2 材料的熔�、表面改性與光學(xué)加工在我國尚處于開發(fā)研究階段。上海硅酸鹽研究所、西安光�(jī)所、上海技物所與南京天文光�(xué)技�(shù)研究所的攻�(guān)研究已經(jīng)取得可喜�(jìn)展。目�,我國已�(jīng)研制出口徑為520 mm 的SiO2 成像非球面鏡,正向口徑為800 mm 的方向發(fā)展�


�(lán)寶石硬度�,加工方法特�,工藝方法有很多�(chuàng)�,重�(diǎn)是在精磨拋光�。磨料和拋光料可以用金剛石研磨膏或金剛石微粉� 其粒度為w1,w0.5,w0.25,甚至更;也可以用金剛石微粉拋光皮。磨模拋�??梢杂娩撃!⒔饎偸?、樹脂銅模或?qū)毷?。此外,SiO2 化學(xué)拋光液也可以取得很好的效��


4“精”—超精光�(xué)鏡頭或光�(xué)元件

4.1 超精光學(xué)表面加工工藝

光學(xué)表面�(duì)面形精度及表面粗糙度的要求越來越�,光�(xué)鏡頭(紫外光刻鏡頭�)也需要有接近衍射極限的成像質(zhì)�,這些都促使超精加工中出現(xiàn)了一批新的加工工藝與方法,包括:�(jì)算機(jī)�(shù)控小工具光學(xué)表面加工(CCOS)、磁流變拋光(MRF)技�(shù)及離子束拋光(IBF) 技�(shù)�20 世紀(jì)80 年代,我國開始研究CCOS,現(xiàn)在技�(shù)已經(jīng)成熟;20 世紀(jì)90 年代,我國開始研究MRF 技�(shù),目前也有很大�(jìn)�。近幾年,美國QED Technologies 公司也開始提供MRF 技�(shù)和設(shè)�。同�(shí),國防科技大學(xué)也利用IBF 技�(shù)修飾光學(xué)表面,粗糙度�(dá)到了1 nm�


�(shù)字波面干涉儀是檢測面形精度的主要儀�,我國在1985 年完成了第一�(tái)樣機(jī)的研制。近幾年,南京理工大�(xué)研制了小型球面干涉儀,造價(jià)�,使用方�,市場占有率很高,他們最近又�"神光�"研制出口徑為600 mm 的紅外干涉儀。在測量非球面面形方�,國外提出了子孔徑干涉法和環(huán)帶法,平�、球面或者非球面都可以用干涉儀直接測量面形�


4.2 超精光學(xué)鏡頭的超精裝校技�(shù)

超精光學(xué)裝校是生�(chǎn)接近衍射極限光學(xué)鏡頭的另一�(gè)重要保證。超精定中心專用立式裝校車床是超精光�(xué)裝校的關(guān)鍵�

國內(nèi)最早的裝較儀是成都光電所生產(chǎn)的口徑為500 mm 的精密定心裝校儀。儀器主軸是超精密軸承結(jié)�(gòu),徑向跳�(dòng)和軸向跳�(dòng)都達(dá)�1μm?,F(xiàn)在國外這類定心�(jī)床中的液體靜壓軸承徑向跳�(dòng)已達(dá)到了0.1μm,空氣軸承徑向跳�(dòng)已達(dá)�0.05μm�


超精光學(xué)裝校以機(jī)床主軸為基準(zhǔn),全部鏡片的球心都交在機(jī)床主軸上,從而達(dá)到以光軸為基�(zhǔn)的超精裝校。在裝校過程中還可以按照鏡頭成像要求來�(jìn)行調(diào)�。超精鏡頭是光學(xué)鏡頭的最高要求,典型代表是紫外光刻鏡�、干涉儀�(biāo)�(zhǔn)鏡頭、望�(yuǎn)鏡校�(zhǔn)鏡頭與空間相�(jī)��


我國近期開展�193 nm 超紫外光刻鏡頭給光學(xué)�(shè)�(jì)、光�(xué)加工和光�(xué)裝校帶來了很大的挑戰(zhàn)。據(jù)初步估測,如果要完成該鏡頭給定的�(shè)�(jì)指標(biāo)需�30多�(gè)鏡片,所用光�(xué)材料主要為硬�(zhì)石英玻璃與軟�(zhì)的氟化鈣(CaF2)晶體。顯然這種材料的表面應(yīng)該是超光滑級(jí),表面面形超精密�(jí),加工難度非常大,而光�(xué)裝校也就不言而喻了。浙江大�(xué)�(xiàn)代光�(xué)儀器重�(diǎn)�(shí)�(yàn)�?guī)啄昵把兄瞥晒α舜竺娣e投影光刻物鏡,其技�(shù)指標(biāo)是:通光口徑�280 mm,數(shù)值孔徑NA �0.08,曝光波長為365 nm,景深為0.25μm,線視場�203.2 mm,分辨率小于等于2.5μm(理論極限�)。這一類超高精度物鏡的制造技�(shù)也是光電行業(yè)�(nèi)普遍�(guān)注的熱點(diǎn)問題�


5 �(jié)束語

�(yīng)�(duì)國際金融危機(jī),我國光電信息產(chǎn)�(yè)�(yīng)該調(diào)整企�(yè)的產(chǎn)�(yè)�(jié)�(gòu),針�(duì)光學(xué)工藝的熱�(diǎn)問題,結(jié)合企�(yè)的實(shí)際情況,從“小、大、硬、精”四�(gè)方面選擇突破�(diǎn),培植新的GDP 增長�(diǎn),使國際金融危機(jī)帶來的負(fù)面影響降低到最��

�(biāo)�: 光學(xué)加工