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在那个时期磨镜片由于技术的限制,往往非常朴实无华。

最开始那个时候的人根本不磨镜片,而是直接通过熔融玻璃形成玻璃珠,随缘获取球形的可用的玻璃珠。就像图 1 展示的那样,把一根玻璃棒融断,在玻璃棒头部的玻璃会因为高温而融化形成玻璃液滴。然后将这个液滴边烤边旋转,试图让它变得有点圆。然后就获得了最朴实无华的放大镜。

图 1 将玻璃棒融化形成玻璃珠
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图 2 通过旋转调整玻璃珠的形状使其变成球形
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图 3 最终获取了一个朴实无华的放大镜

还可以将这个玻璃珠取下来,夹在两个铜片中。那时候的人们将这种装置称之为显微镜……

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图 4 中间夹着玻璃珠的显微镜

当然,还有另外一种方式,那就是吹玻璃!没错,就是和造玻璃瓶的工艺一样的吹玻璃。

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图 5 融化玻璃管道

首先融化玻璃管,然后将一端通过熔融玻璃密封住。最后通过高超的吹气手法吹出一个球来。当然如果吹歪了还得继续在火上烤调整玻璃球的形状。

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图 6 调整玻璃球的形状

最后也能获得一个放大镜。

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图 7 通过吹玻璃获得的放大镜

当然这种加工方式非常不靠谱,也没法制造尺寸更大的透镜。后来,人们采用对研的方式来磨镜子,把玻璃怼着模具研磨,怎么都能磨出相似的形状出来。这种方法需要首先获得一个球形的模具,可以是黄铜的,也可以是铸铁的,然后加入磨料和水逐步研磨直到表面光亮。一般需要将玻璃使用沥青固定在一个工具上,然后转动下面的磨具。

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图 8
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图 9
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图 10 磨出来的玻璃

后来人们制造出来了更加精密的磨具,于是就可以加工尺寸更大的透镜了。

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图 11 黄铜磨具和透镜
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图 12 采用模具研磨透镜

和之前的方式一样,在研磨的时候,得加入磨料,然后均匀打磨。磨料由粗到细,将上一号磨料造成的破坏层消除,直到磨出精准的球面,此时粗磨就完成了。

当然,也可以使用别的方式研磨。比如使用大铁棒和哑铃配重……

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图 13 铁棒研磨
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图 14 哑铃配重研磨

主打一个感想敢做,只要能磨出形状什么都可以用来磨。国外网友现在还有用角磨机磨的……

另外一种方式是用两块大小相同的玻璃相互对磨。不断调整角度,使用 W 型的研磨轨迹,在上面的接触表面会逐渐被磨成凹面,在下面的表面会逐渐被磨成凸面。根据到底需要凹面镜还是凸面镜选择要上面的那个还是下面的那个。

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图 15 两块玻璃对研
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图 16 加入研磨料

在打磨的时候同样需要加入磨料,然后调整上下玻璃的方向,以免磨出不规则形状。可以看到,图 17 中的玻璃做了箭头标记,就是为了避免一个方向过度研磨。

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图 17 两块玻璃对研

粗磨完成后,需要进行精磨和抛光。精磨使用更加细的磨料,而抛光就需要采用沥青抛光盘了,沥青可以变形更好地贴合表面,很合适抛光的基质。制作沥青抛光盘需要将熔融的沥青浇上一块用来固定的板,等冷却到差不多后,用小刀割出横平竖直的槽,方便排水和排出去除的玻璃防止刮花表面。最后用需要抛光的表面压实。再使用沥青抛光盘加上更细的磨料进行抛光。

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图 18 制作沥青抛光盘
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图 18 制作沥青抛光盘的排水槽
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图 19 使抛光盘表面贴合被磨的玻璃
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图 20 加上磨料继续打磨

这时候就有一个问题了,这样磨出来能保证磨出的是一个标准的球面吗?答案是,很难一次磨出很好的,需要依赖于别的检测手段,然后对表面进行调整。最开始的检测手法仅限于球面度仪,也就是测量表面凹进去或者凸进去的深度。图 21 就是一个球面度仪。这当然也只是一个很粗糙的工具。

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图 21 球面度仪

精密的光学表面制作还得依赖于 19 世纪中叶时发明的刀口法。使用这种朴实无华的方法,即使是普通的天文光学爱好者都可以将表面的精度修正到 1/8 波长以内。感兴趣的朋友可以翻一翻我之前写的文章刀口(傅科)检测法 - 知乎如何使用刀口(傅科)法进行光学检验 - 知乎

当然上述的研磨抛光的过程后来也可以使用非常朴实无华的磨镜机来代劳,极大节省了人力。如你所见,如果纯靠手磨,不仅需要高超的技巧还需要吃饱饭……不然没多久怕不是累抽筋了。磨镜机的原理我也介绍过天文望远镜是怎么磨的?(原理篇) - 知乎

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图 22 磨镜机

在二战前,为了满足大规模装备观瞄装备的需求,加上玻璃熔融技术的进步,以及机加工技术的发展,玻璃铸造技术被广泛应用。当然此时,金刚石玻璃加工工具的使用,比如球面铣磨机等等技术也极大地提升了生产力。

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图 23 铸造玻璃使用的模具(塑料)
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图 24 铸造出来后的镜片(塑料)
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图 25 球面铣磨
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图 26 光学抛光

即使现在发展了更多先进的研磨抛光技术,但是一般精度的光学镜片的研磨抛光方法,基本上和之前没有很大的差异。更加精密的加工方式需要对加工机制的理解以及配套上同等精度的检测手段。对于低精度的光学冷加工来说,目前依旧采用的是和之前差不多的牛顿环的方式,只需要生产一批高精度的样板玻璃,就可以批量、简单地进行检测,同时也不需要工人具备一定的光学知识。

图片来源于网络。

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