「磨玻璃」的那些事（一）丨流光E彩

編者按：半個世紀光電情，披星戴月星辰明。中科院之聲與中國科學院光電技術研究所聯合開設「流光E彩」科普專欄，講述生活中的光電科普趣事，傳播最生動的光電知識，展示最前沿的光電進展。

光學儀器或光學製造都繞不開對光學鏡片的研究和討論，特別是當前資訊時代關注最多的工業母機——光刻機，其實也是一個超精密光學系統，這個系統也包含了大家非常熟悉的鏡片。那麼你知道在這些系統裡被廣泛應用的光學鏡片是如何製造出來的嗎？

一、光及光的應用

光究竟是什麼？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，獲取了對於它們的認識。追尋光的足跡，我們領略了日出的壯闊、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前人研究電磁現象的基礎上，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。之後，1898年，馬可尼又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發現了更多形式的電磁波，它們的本質完全相同，只是波長和頻率有很大的差別。

愛因斯坦和他的光電方程（圖片來自網絡）

光的雙縫幹涉現象（圖片來自網絡）

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。1924年，德布羅意提出「物質波」假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。光（子）既不是（經典意義下的）粒子，也不是（經典意義下的）波。光子是客觀存在的，取決於觀察者，有時候表現出粒子性，有時候表現出波動性，這就是光的波粒二象性。

光的應用場景（圖片來自網絡）

光具有攜帶信息和能量的特點，它的存在貫穿於我們的學習、生產、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，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，生物能（光合作用）雷射武器，CD盤的讀寫雷射頭，光刻技術，雷射切割（加工）技術。

光信息的獲取和光能力的操控，取決於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製造的事。

二、光學製造技術有哪些

最早有文物佐證的光學鏡片，應該是「鑑」，一種盛水的器皿，用來當鏡子用。後來演化成銅鏡。這可能是最早的大面積用的「光學裝置」。在《墨經》裡記載了中國古代最早的光學現象，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瞭望遠鏡，是公認的光學系統的新的起點。從此，天文光學不斷地推動了人類對於浩瀚宇宙的認識，也實質性地推動了光學製造技術的發展。幾乎每一代新的天文儀器的發展都對應著新的光學製造技術的進步。

銅鏡（圖片來自網絡）

聚光取火（圖片來自網絡）

伽利略和他的望遠鏡（圖片來自網絡）

一般來說，製造對應的不僅包含加工部分，也包含測量部分。本文僅局限於聊聊」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於百姓的生活。出土的石器時代的工具，在沒有更硬、更高精度的製造工具的時候，都是採用相互摩擦研磨才製造的。光學加工類似如此。

光學加工，採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。

光學加工技術的發展歷史（自製圖片）

伽利略時期開始是全手工的加工。機器逐漸普及後，簡單的電機驅動部分替代了人工動作，但原理都幾乎一樣。手工加工技術是相對運動的穩定性和壓力都依賴於加工者的技藝，半自動的傳統加工技術，用工具機實現了運動的基本穩定，但是加工壓力並不均勻。現在，這種技術也還在較大範圍類應用。

下擺高速拋光技術和模壓注塑加工技術是伴隨消費類光學特別是數位相機的普及由日本發展起來的規模化光學元件製造技術。下擺式高速拋光技術，用機械結構實現了壓力的穩定，進而實現了中低精度的光學透鏡的高速製造。模壓注塑技術本質上是一種模具的複製技術，而模具的加工是一種精密機械的加工。

計算機數控加工技術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大口徑光學零件加工的製造技術，主要用於大口徑望遠鏡零件的加工。近20餘年來，還發展出了能流束超高精度光學加工技術，主要是指採用等離子體、磁流體、射流體等非固態工具的確定性光學加工技術，一般能實現精度優於納米精度的光學元件製造。

三、傳統光學加工技術

傳統的光學加工大致分為：粗磨、研磨、拋光幾個階段。主要是根據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，頂針驅動模具往復擺動，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，對於加工者技藝要求很高。

傳統光學加工技術（圖片來自網絡）

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

葉凱士折射望遠鏡（圖片來自網絡）

鼎峰時期是1897年建成的葉凱士望遠鏡，望遠鏡口徑102釐米。由於色差的影響，折射式望遠鏡的發展難以為繼。

光的色差（圖片來自網絡）

色差，簡單來說就是顏色的差別，發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，使圖像模糊不清 。

牛頓和他的反射式望遠鏡（圖片來自網絡）

反射式望遠鏡最早於1668年牛頓和1672年卡塞格林各自提出，後來分別命名為牛頓式望遠鏡和卡塞格林式望遠鏡。這類結構主要是用反射鏡替代了透鏡，迴避了色差問題。但反射鏡主要是非球面輪廓，這對於加工而 言是一個巨大的挑戰。德國音樂師和天文學家威廉-赫歇爾從1873年開始製造反射式望遠鏡。在1900s年代到1970s年代，運用手工修拋的方式，遵循」哪裡高，去掉哪裡「的樸實原則，建造了不少空間望遠鏡。

下一篇，我們將繼續介紹其他光學製造技術。

來源：中國科學院光電技術研究所