我國(guó)光學(xué)加工的突破口在哪里？
目前，一些承接品種單一，外貿(mào)訂單數(shù)量大的企業(yè)抵御國(guó)際金融危機(jī)影響的能力很差。相關(guān)企業(yè)急需調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，尋求新的多樣生產(chǎn)品種，促使生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，獲得新的生機(jī)。面對(duì)這種局勢(shì)，我國(guó)光電信息產(chǎn)業(yè)如何轉(zhuǎn)危機(jī)為機(jī)遇?產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急是什么?我認(rèn)為我們應(yīng)該抓住熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，抓住熱點(diǎn)課題，從難從嚴(yán)，重點(diǎn)突破，尋求新產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展。
那么，當(dāng)前我國(guó)光學(xué)加工的熱點(diǎn)又有哪些呢?我的看法是四個(gè)字：小、大、硬、精。
1“小”—微小型光學(xué)元件
微小型光學(xué)元件包括小透鏡、小型非球面透鏡(玻璃和塑料材質(zhì))、微小棱鏡、微小平面鏡及透鏡陣列板、棱鏡陣列板等。
近年來，光電信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，IT 行業(yè)迅速崛起，數(shù)碼相機(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)展，形成了龐大的新興產(chǎn)業(yè)———微光學(xué)產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)光電信息產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及軟件和國(guó)際水平相差不遠(yuǎn)，差距較大的是材料、工藝和制造水平，我們應(yīng)該在這三個(gè)方面加大投入進(jìn)行重點(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準(zhǔn)球心精磨與拋光，即繞近似球心拋光。從動(dòng)力學(xué)上分析，這種技術(shù)存在壓力分布不均勻的現(xiàn)象，加工質(zhì)量穩(wěn)定性差。而小球面的下擺機(jī)加工實(shí)質(zhì)是繞精確球心完成精磨與拋光運(yùn)動(dòng)的單片加工，加工比壓高，加工速度快而且質(zhì)量高，穩(wěn)定性好。
下擺機(jī)的上軸僅向下運(yùn)動(dòng)，與下軸和下軸轉(zhuǎn)軸嚴(yán)格交于一點(diǎn)，從而保證了下軸可以精確擺動(dòng)，精確度達(dá)到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取，精確度達(dá)到±0.01 mm。利用下擺機(jī)精磨并拋光口徑為7 mm 鏡片的一面，用時(shí)2 min 左右，加工速度比上擺機(jī)快很多。
1.2 成像塑料非球面透鏡的注射成型工藝
我國(guó)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，同時(shí)對(duì)于塑料非球面的需求量也是越來越大，例如數(shù)碼相機(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質(zhì)量過關(guān)的并不多。只要我們認(rèn)真研究非球面面形的測(cè)量手段，例如英國(guó)的Formtalysurf 輪廓儀、美國(guó)的子孔徑干涉儀和環(huán)帶干涉儀等，這項(xiàng)工藝是可以得到突破的。
2“大”—大型玻璃平面、大透鏡和大型非球面鏡
電視液晶屏幕或等離子屏幕、“神光III”、航攝鏡頭、空間相機(jī)、光刻鏡頭、大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)及將來可能制造的20 m 自適應(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面。
針對(duì)這些領(lǐng)域，我國(guó)有不少單位引進(jìn)了大型平面、球面和非球面數(shù)控機(jī)床。例如，南京天文儀器研制中心引進(jìn)了美國(guó)3.2 m 環(huán)拋機(jī);成都精密光學(xué)工程中心引進(jìn)了俄國(guó)500 mm 大平面金剛石飛切銑床及多臺(tái)三軸、四軸和五軸數(shù)控光學(xué)研磨機(jī);籌建中的上?，F(xiàn)代先進(jìn)超精密制造中心正在引進(jìn)一系列400 mm超精加工與檢測(cè)光學(xué)平面、球面與非球面設(shè)備，這些機(jī)床都是制造大型光學(xué)元件的必要設(shè)備。
除此之外，我國(guó)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。例如，南京利生光學(xué)機(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(guó)最大的拋光機(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)床;航天303 所研制了Nanosys 300 非球面機(jī);諾斯泰格研制了PPS 100 高精度平面光學(xué)數(shù)控快速拋光機(jī)。值得一提的是，國(guó)防科技大學(xué)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)500 mm 離子束加工設(shè)備的研制工作也取得很大進(jìn)展，為超精大型光學(xué)件的制造提供了條件。我國(guó)大型精密光學(xué)元件和光學(xué)鏡面或光學(xué)鏡頭的研制工作主要是在研究所和大專院校中進(jìn)行。例如，成都精密光學(xué)工程中心、長(zhǎng)春光機(jī)所、成都光電所、上海光機(jī)所、信息產(chǎn)業(yè)部電子第45 所、南京天文儀器研制中心、國(guó)防科技大學(xué)、蘇州大學(xué)和浙江大學(xué)等。
盡管如此，我國(guó)目前的大型精密光學(xué)元件、鏡面與光學(xué)鏡頭仍不能滿足需要。例如，“神五”載人人造衛(wèi)星中的空間相機(jī)采用的是俄制碳化硅鏡面，此外我國(guó)光刻鏡頭也沒有達(dá)到國(guó)際水平，仍需要較大的投入。
3“硬”—硬質(zhì)光學(xué)晶體
碳化硅(SiC)的莫氏硬度為9.5，密度低、膨脹系數(shù)低，是各向同性的六角晶體，為新興的航天光學(xué)材料。藍(lán)寶石/紅寶石(Al2O3)的莫氏硬度為9，是各向異性的六方晶體，為貴重的光學(xué)材料。紅寶石是固體激光器發(fā)光物質(zhì)，藍(lán)寶石與紅寶石是紅外窗材料，藍(lán)寶石同時(shí)又是很好的襯底材料。藍(lán)寶石的折射率高、硬度高、色彩艷麗，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質(zhì)材料。石英晶體(SiO2)的莫氏硬度為7，是各向異性六方晶體，為紫外與紅外領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)光學(xué)材料。目前最熱門的是碳化硅和紅、藍(lán)寶石的光學(xué)加工。
SiO2 材料的熔制、表面改性與光學(xué)加工在我國(guó)尚處于開發(fā)研究階段。上海硅酸鹽研究所、西安光機(jī)所、上海技物所與南京天文光學(xué)技術(shù)研究所的攻關(guān)研究已經(jīng)取得可喜進(jìn)展。目前，我國(guó)已經(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。
藍(lán)寶石硬度高，加工方法特殊，工藝方法有很多創(chuàng)新，重點(diǎn)是在精磨拋光上。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。磨模拋光模可以用鋼模、金剛石模、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果。
4“精”—超精光學(xué)鏡頭或光學(xué)元件
4.1 超精光學(xué)表面加工工藝
光學(xué)表面對(duì)面形精度及表面粗糙度的要求越來越高，光學(xué)鏡頭(紫外光刻鏡頭等)也需要有接近衍射極限的成像質(zhì)量，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：計(jì)算機(jī)數(shù)控小工具光學(xué)表面加工(CCOS)、磁流變拋光(MRF)技術(shù)及離子束拋光(IBF) 技術(shù)。20 世紀(jì)80 年代，我國(guó)開始研究CCOS，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)成熟;20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)開始研究MRF 技術(shù)，目前也有很大進(jìn)展。近幾年，美國(guó)QED Technologies 公司也開始提供MRF 技術(shù)和設(shè)備。同時(shí)，國(guó)防科技大學(xué)也利用IBF 技術(shù)修飾光學(xué)表面，粗糙度達(dá)到了1 nm。
數(shù)字波面干涉儀是檢測(cè)面形精度的主要儀器，我國(guó)在1985 年完成了第一臺(tái)樣機(jī)的研制。近幾年，南京理工大學(xué)研制了小型球面干涉儀，造價(jià)低，使用方便，市場(chǎng)占有率很高，他們最近又為"神光Ⅲ"研制出口徑為600 mm 的紅外干涉儀。在測(cè)量非球面面形方面，國(guó)外提出了子孔徑干涉法和環(huán)帶法，平面、球面或者非球面都可以用干涉儀直接測(cè)量面形。
4.2 超精光學(xué)鏡頭的超精裝校技術(shù)
超精光學(xué)裝校是生產(chǎn)接近衍射極限光學(xué)鏡頭的另一個(gè)重要保證。超精定中心專用立式裝校車床是超精光學(xué)裝校的關(guān)鍵。
國(guó)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)構(gòu)，徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)都達(dá)到1μm?，F(xiàn)在國(guó)外這類定心機(jī)床中的液體靜壓軸承徑向跳動(dòng)已達(dá)到了0.1μm，空氣軸承徑向跳動(dòng)已達(dá)到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)到以光軸為基準(zhǔn)的超精裝校。在裝校過程中還可以按照鏡頭成像要求來進(jìn)行調(diào)整。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頭、干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡校準(zhǔn)鏡頭與空間相機(jī)等。
我國(guó)近期開展的193 nm 超紫外光刻鏡頭給光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)加工和光學(xué)裝校帶來了很大的挑戰(zhàn)。據(jù)初步估測(cè)，如果要完成該鏡頭給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)需要30多個(gè)鏡片，所用光學(xué)材料主要為硬質(zhì)石英玻璃與軟質(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)，表面面形超精密級(jí)，加工難度非常大，而光學(xué)裝校也就不言而喻了。浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室?guī)啄昵把兄瞥晒α舜竺娣e投影光刻物鏡，其技術(shù)指標(biāo)是：通光口徑為280 mm，數(shù)值孔徑NA 為0.08，曝光波長(zhǎng)為365 nm，景深為0.25μm，線視場(chǎng)為203.2 mm，分辨率小于等于2.5μm(理論極限值)。這一類超高精度物鏡的制造技術(shù)也是光電行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
5 結(jié)束語
應(yīng)對(duì)國(guó)際金融危機(jī)，我國(guó)光電信息產(chǎn)業(yè)應(yīng)該調(diào)整企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，針對(duì)光學(xué)工藝的熱點(diǎn)問題，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，從“小、大、硬、精”四個(gè)方面選擇突破點(diǎn)，培植新的GDP 增長(zhǎng)點(diǎn)，使國(guó)際金融危機(jī)帶來的負(fù)面影響降低到最小。