被廣泛應(yīng)用的光學(xué)鏡片是如何制造出來的

光學(xué)儀器或光學(xué)制造都繞不開對(duì)光學(xué)鏡片的研究和討論，特別是當(dāng)前信息時(shí)代關(guān)注最多的工業(yè)母機(jī)——***，其實(shí)也是一個(gè)超精密光學(xué)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)也包含了大家非常熟悉的鏡片。那么你知道在這些系統(tǒng)里被廣泛應(yīng)用的光學(xué)鏡片是如何制造出來的嗎？

一、光及光的應(yīng)用

光究竟是什么？我們又是如何利用光和控制光的呢？我們先來了解一下這些基本問題。

日出、日落、大海、星辰、浩瀚宇宙、奇妙的大自然，我們都是通過光，獲取了對(duì)于它們的認(rèn)識(shí)。追尋光的足跡，我們領(lǐng)略了日出的壯闊、閃電的炫耀、宇宙的燦爛。因?yàn)橛泄猓覀兛梢愿惺苓@個(gè)世界，記錄我們的生活。

光，是一種電磁波。1864年，英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的傳播速度。1887年，德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。之后，1898年，馬可尼又進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，不僅證明光是一種電磁波，而且發(fā)現(xiàn)了更多形式的電磁波，它們的本質(zhì)完全相同，只是波長(zhǎng)和頻率有很大的差別。

愛因斯坦和他的光電方程（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

光的雙縫干涉現(xiàn)象（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

1905年，愛因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋，人們開始意識(shí)到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。1924年，德布羅意提出“物質(zhì)波”假說，認(rèn)為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性。光（子）既不是（經(jīng)典意義下的）粒子，也不是（經(jīng)典意義下的）波。光子是客觀存在的，取決于觀察者，有時(shí)候表現(xiàn)出粒子性，有時(shí)候表現(xiàn)出波動(dòng)性，這就是光的波粒二象性。

光的應(yīng)用場(chǎng)景（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

光具有攜帶信息和能量的特點(diǎn)，它的存在貫穿于我們的學(xué)習(xí)、生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中，是我們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的重要媒介和工具。光信息/光感知方面包括：視覺，望遠(yuǎn)鏡（視覺的宏觀拓展），顯微鏡（視覺的微觀延伸），光子計(jì)算機(jī)，光量子隱形傳態(tài)，光纖通信；光能量/光加工方面包括：太陽能電池，光學(xué)聚焦核聚變技術(shù)，生物能（光合作用）激光武器，CD盤的讀寫激光頭，光刻技術(shù)，激光切割（加工）技術(shù)。

光信息的獲取和光能力的操控，取決于光子與相應(yīng)光學(xué)元件的相互作用。今天，我們就沿著光的足跡概略地探討一些光學(xué)制造的事。

二、光學(xué)制造技術(shù)有哪些

最早有文物佐證的光學(xué)鏡片，應(yīng)該是“鑒”，一種盛水的器皿，用來當(dāng)鏡子用。后來演化成銅鏡。這可能是最早的大面積用的“光學(xué)裝置”。在《墨經(jīng)》里記載了中國古代最早的光學(xué)現(xiàn)象，在晉代的《博物志》中記載了用冰做凸透鏡，匯聚太陽光。近代以來，1609年伽利略用兩塊透鏡做出了望遠(yuǎn)鏡，是公認(rèn)的光學(xué)系統(tǒng)的新的起點(diǎn)。從此，天文光學(xué)不斷地推動(dòng)了人類對(duì)于浩瀚宇宙的認(rèn)識(shí)，也實(shí)質(zhì)性地推動(dòng)了光學(xué)制造技術(shù)的發(fā)展。幾乎每一代新的天文儀器的發(fā)展都對(duì)應(yīng)著新的光學(xué)制造技術(shù)的進(jìn)步。

銅鏡（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

聚光取火（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

伽利略和他的望遠(yuǎn)鏡（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

一般來說，制造對(duì)應(yīng)的不僅包含加工部分，也包含測(cè)量部分。本文僅局限于聊聊”磨玻璃“的那些事，只涉及加工方面。

光學(xué)加工近代應(yīng)用可以說是伽利略時(shí)期才開始的，但光學(xué)加工的大致方法起源于百姓的生活。出土的石器時(shí)代的工具，在沒有更硬、更高精度的制造工具的時(shí)候，都是采用相互摩擦研磨才制造的。光學(xué)加工類似如此。

光學(xué)加工，采用相互凹凸對(duì)偶的工件和工具，兩者中間參細(xì)小的研磨砂，相互運(yùn)動(dòng)，不斷迭代檢查，實(shí)現(xiàn)所需要光學(xué)元件的輪廓的加工。工件與模具的相互壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和磨料的磨削能力三者與加工能力直接相關(guān)。

光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展歷史（自制圖片）

伽利略時(shí)期開始是全手工的加工。機(jī)器逐漸普及后，簡(jiǎn)單的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分替代了人工動(dòng)作，但原理都幾乎一樣。手工加工技術(shù)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和壓力都依賴于加工者的技藝，半自動(dòng)的傳統(tǒng)加工技術(shù)，用機(jī)床實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的基本穩(wěn)定，但是加工壓力并不均勻。現(xiàn)在，這種技術(shù)也還在較大范圍類應(yīng)用。

下擺高速拋光技術(shù)和模壓注塑加工技術(shù)是伴隨消費(fèi)類光學(xué)特別是數(shù)碼相機(jī)的普及由日本發(fā)展起來的規(guī)?；鈱W(xué)元件制造技術(shù)。下擺式高速拋光技術(shù)，用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了壓力的穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了中低精度的光學(xué)透鏡的高速制造。模壓注塑技術(shù)本質(zhì)上是一種模具的復(fù)制技術(shù)，而模具的加工是一種精密機(jī)械的加工。

計(jì)算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)是用計(jì)算機(jī)控制磨削工具，通過磨削過程的線性控制來實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)零件加工的制造技術(shù)，主要用于大口徑望遠(yuǎn)鏡零件的加工。近20余年來，還發(fā)展出了能流束超高精度光學(xué)加工技術(shù)，主要是指采用等離子體、磁流體、射流體等非固態(tài)工具的確定性光學(xué)加工技術(shù)，一般能實(shí)現(xiàn)精度優(yōu)于納米精度的光學(xué)元件制造。

三、傳統(tǒng)光學(xué)加工技術(shù)

傳統(tǒng)的光學(xué)加工大致分為：粗磨、研磨、拋光幾個(gè)階段。主要是根據(jù)不同精度時(shí)期所應(yīng)用的磨料顆粒的粗細(xì)來劃分。大致方式是工件主軸旋轉(zhuǎn)，頂針驅(qū)動(dòng)模具往復(fù)擺動(dòng)，通過拋光液在透鏡與拋光模具之間流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)透鏡的光學(xué)加工。主要的缺點(diǎn)是磨削壓力控制不均勻，零件精度很難控制，對(duì)于加工者技藝要求很高。

傳統(tǒng)光學(xué)加工技術(shù)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

從伽利略時(shí)期開始的很長(zhǎng)時(shí)間里，望遠(yuǎn)鏡主要是折射式望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)元件主要是透鏡，就是采用這種加工手段。

葉凱士折射望遠(yuǎn)鏡（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

鼎峰時(shí)期是1897年建成的葉凱士望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡口徑102厘米。由于色差的影響，折射式望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展難以為繼。

光的色差（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

色差，簡(jiǎn)單來說就是顏色的差別，發(fā)生在以多色光為光源的情況下。不同波長(zhǎng)的光，顏色各不相同，其通過透鏡時(shí)的折射率也各不相同，這樣物方一個(gè)點(diǎn)，在像方則可能形成一個(gè)色斑。色差使像在任何位置觀察，都帶有色斑或暈環(huán)，使圖像模糊不清 。

牛頓和他的反射式望遠(yuǎn)鏡（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

反射式望遠(yuǎn)鏡最早于1668年牛頓和1672年卡塞格林各自提出，后來分別命名為牛頓式望遠(yuǎn)鏡和卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡。這類結(jié)構(gòu)主要是用反射鏡替代了透鏡，回避了色差問題。但反射鏡主要是非球面輪廓，這對(duì)于加工而 言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。德國音樂師和天文學(xué)家威廉-赫歇爾從1873年開始制造反射式望遠(yuǎn)鏡。在1900s年代到1970s年代，運(yùn)用手工修拋的方式，遵循”哪里高，去掉哪里“的樸實(shí)原則，建造了不少空間望遠(yuǎn)鏡。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：“磨玻璃”的那些事

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