光學儀器或光學制造都繞不開對光學鏡片的研究和討論，特別是當前信息時代關(guān)注最多的工業(yè)母機——***，其實也是一個超精密光學系統(tǒng)，這個系統(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)里被廣泛應用的光學鏡片是如何制造出來的嗎？

一、光及光的應用

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，獲取了對于它們的認識。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。因為有光，我們可以感受這個世界，記錄我們的生活。

光，是一種電磁波。1864年，英國科學家麥克斯韋在總結(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，推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。1887年，德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之后，1898年，馬可尼又進行了許多實驗，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）

光的雙縫干涉現(xiàn)象（圖片來自網(wǎng)絡）

1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時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，有時候表現(xiàn)出粒子性，有時候表現(xiàn)出波動性，這就是光的波粒二象性。

光的應用場景（圖片來自網(wǎng)絡）

光具有攜帶信息和能量的特點，它的存在貫穿于我們的學習、生產(chǎn)、生活和科學研究中，是我們認識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，望遠鏡（視覺的宏觀拓展），顯微鏡（視覺的微觀延伸），光子計算機，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，取決于光子與相應光學元件的相互作用。今天，我們就沿著光的足跡概略地探討一些光學制造的事。

二、光學制造技術(shù)有哪些

最早有文物佐證的光學鏡片，應該是“鑒”，一種盛水的器皿，用來當鏡子用。后來演化成銅鏡。這可能是最早的大面積用的“光學裝置”。在《墨經(jīng)》里記載了中國古代最早的光學現(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鏡，是公認的光學系統(tǒng)的新的起點。從此，天文光學不斷地推動了人類對于浩瀚宇宙的認識，也實質(zhì)性地推動了光學制造技術(shù)的發(fā)展。幾乎每一代新的天文儀器的發(fā)展都對應著新的光學制造技術(shù)的進步。

銅鏡（圖片來自網(wǎng)絡）

聚光取火（圖片來自網(wǎng)絡）

伽利略和他的望遠鏡（圖片來自網(wǎng)絡）

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

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

光學加工，采用相互凹凸對偶的工件和工具，兩者中間參細小的研磨砂，相互運動，不斷迭代檢查，實現(xiàn)所需要光學元件的輪廓的加工。工件與模具的相互壓力、相對運動和磨料的磨削能力三者與加工能力直接相關(guān)。

光學加工技術(shù)的發(fā)展歷史（自制圖片）

伽利略時期開始是全手工的加工。機器逐漸普及后，簡單的電機驅(qū)動部分替代了人工動作，但原理都幾乎一樣。手工加工技術(shù)是相對運動的穩(wěn)定性和壓力都依賴于加工者的技藝，半自動的傳統(tǒng)加工技術(shù)，用機床實現(xiàn)了運動的基本穩(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)是伴隨消費類光學特別是數(shù)碼相機的普及由日本發(fā)展起來的規(guī)模化光學元件制造技術(shù)。下擺式高速拋光技術(shù)，用機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了壓力的穩(wěn)定，進而實現(xiàn)了中低精度的光學透鏡的高速制造。模壓注塑技術(shù)本質(zhì)上是一種模具的復制技術(shù)，而模具的加工是一種精密機械的加工。

計算機數(shù)控加工技術(shù)是用計算機控制磨削工具，通過磨削過程的線性控制來實現(xiàn)大口徑光學零件加工的制造技術(shù)，主要用于大口徑望遠鏡零件的加工。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)工具的確定性光學加工技術(shù)，一般能實現(xiàn)精度優(yōu)于納米精度的光學元件制造。

三、傳統(tǒng)光學加工技術(shù)

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

傳統(tǒng)光學加工技術(shù)（圖片來自網(wǎng)絡）

從伽利略時期開始的很長時間里，望遠鏡主要是折射式望遠鏡，光學元件主要是透鏡，就是采用這種加工手段。

葉凱士折射望遠鏡（圖片來自網(wǎng)絡）

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

光的色差（圖片來自網(wǎng)絡）

色差，簡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。不同波長的光，顏色各不相同，其通過透鏡時的折射率也各不相同，這樣物方一個點，在像方則可能形成一個色斑。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鏡（圖片來自網(wǎng)絡）

反射式望遠鏡最早于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鏡和卡塞格林式望遠鏡。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，這對于加工而 言是一個巨大的挑戰(zhàn)。德國音樂師和天文學家威廉-赫歇爾從1873年開始制造反射式望遠鏡。在1900s年代到1970s年代，運用手工修拋的方式，遵循”哪里高，去掉哪里“的樸實原則，建造了不少空間望遠鏡。

責任編輯：xj

原文標題：“磨玻璃”的那些事

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。