非球面光学元件行业概述.docx

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非球面光学元件行业概述

非球面光学元件行业概述

　　第一节行业特性

　　一、行业定义

　　非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。

一般应用在光学系统中的透镜及反射镜，曲面型式多数为平面和球面，原因是这些简单型式的曲面加工、检验容易，但是用在某些高度精密成像系统有一定的限度。

虽然非球面的复杂曲面制造困难，但是在某些光学系统中依然是需要的。

采用非球面技术设计的光学系统，可消除球差、彗差、像散、场曲，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。

非球面光学与球面光学相比有很大的优势，非球面可以提高系统的相对口径比，扩大视场角，在提高光束质量的同时透镜数比球面构成的少，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，镜头的形状小型化、降低成本并有效的减轻仪器重量。

　　非球面光学元件是一种非常重要的光学元件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。

非球面光学元件可以获得球面光学元件无可比拟的良好的成像质量，非球面光学元件在军用和民用光电产品上的应用很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。

　　二、行业发展概况

　　随着光学事业不断发展以及光学仪器在各个领域的高要求、高精度应用，非球面光学设计由原来的单一型、低阶次逐渐向复合型、多阶次方向发展，为满足非球面加工、检验，新的加工技术、检验技术也在不断地完善。

　　目前，国内外非球面加工技术主要有：

计算机数控、单点金刚石车削技术、高精密数控抛光技术、光学玻璃透镜模压成型技术、光学塑料成型技术等；检测非球面光学系统的方法主要有：

干涉法、阴影法、激光束平移旋转法等。

　　在光学组件进展历程中，大概可以1980年为界，在这之前以使用球面光学组件为主，之后则开始进展到使用非球面光学组件，到了1990年以后，则开始使用精密的非球面光学组件与自由曲面光学组件。

现今对光学组件的要求愈趋于微小化、复杂化，且形状精度要求极高，自由曲面的应用领域愈来愈广，如何有效且快速地制作与检测自由曲光学组件已成为目前光学产业的重要课题。

　　1、国外非球面零件的超精密加工技术的现状

　　80年代以来，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：

　　计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的问题。

前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。

　　进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、形状、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削（SPDT）的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的。

另外，还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。

　　国外许多公司已将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60-3D、ULP-100A（H）都具有复合加工功能，这样可以使非球面零件的加工更加灵活。

　　2、我国非球面零件超精密加工技术的现状

　　我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室，比国外晚了一二十年。

传统的非球面光学元件加工主要是依赖加工者多年的研究和经验来完成，存在着加工效率低、加工周期长、工作质量难以控制、对加工者要求高等诸多缺点，难以满足现代科技的发展需求。

近年来，国内也开始了多种非球面光学元件加工技术的研究应用，主要有：

复制成型法、离子束抛光法，计算机控制光学表面成形法。

这些技术的研究应用基本上能够解决各种非球面光学元件的加工问题，同时加工效率和精度有了很大的提高。

　　工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨工业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。

　　三、产业链概述

　　1、在产业链中的位置

　　产业链是建立在产业内部分工和供需关系基础上的，以若干个企业为节点、产品为小节点纵横交织而成的网络状态系统。

还可以说是从一种或几种资源通过若干产业层次不断向下游产业转移直至到达消费者的路径。

　　产业链分为两种类型：

一种是垂直的供应链，另一种是横向的协作链。

垂直关系是产业链的主要结构，一般把垂直分工划分为产业上、中、下游关系，横向协作关系则是产业的服务与配套。

　　非球面光学元件在整个光学领域的产业链中处于中游零部件加工和制造行业，其上游属于原材料提供与材料加工行业，包括光学玻璃、光学塑料、光学晶体、研磨抛光、工控机行业、机械设计制造、光学辅料、镀膜及加工设备等，易受上游原材料价格变动的影响；下游属于元器件整合应用、终端产品制造行业，将光学元件应用到显微镜、分析仪器、光学检测、光衍射/干涉、光谱相关、光学安全、光反射/折射、望远镜、照相机、摄像机、舞台灯光、眼视光学、其他光学用品等仪器设备或相关领域中。

其中消费类产品受国际国内消费市场需求变化的影响，存在销售淡季和旺季，中游产业的生产和销售情况随之波动。

　　近年随着我国摄像手机、摄像机、DV、数码相机等消费产品的大量普及，以及产品更新率的快速提高，以此为代表的下游产业带动中上游产业发展，推动整个市场对光学元器件的需求，特别是非球面光学元件的需求。

　　2、相关行业简述

　　光学加工工业相关行业包括加工技术、加工设备、加工材料等几个主要方面。

　　在光学元件原材料方面，国内目前光学塑料生产能力虽然有较大发展，但产品结构不合理，只能生产普通品级产品，缺乏高附加值产品。

光学玻璃行业目前我国部分企业具有一定自主开发的能力，但光学玻璃行业部分核心技术和尖端技术方面仍处于劣势。

　　进入二十一世纪后，光电行业有较大发展和充实。

光电事业有了很大发展，研制出不少具有世界先进水平的产品。

产品虽然研制出来，但是投入批量生产却很难。

其主要原因是产品设计和工艺设计脱钩，配合不当。

在工艺上的研究还很浅，在光学加工方面还没有形成一个完整的工艺体系。

光学加工设备的数量不均衡是一个原因，而更重要的是很多设备加工效率低，精度差，有30%以上的设备上仿苏设备和国产设备，国产设备原型机多为日本和韩国设备，其中一部分设备根本没有投入生产。

而从现有的设备和检测仪器看，不能满足发展的需求。

近年来，很多光学厂进行了改造，但在光学加工技术引进和技术改造方面的项目还不多，同时，国有企业在这方面的投入很不够，没有一定的投资强度，就不可能形成强有力的生产基础，达到预期的产出目的。

　　第二节非球面光学元件行业所处生命周期

　　第三节非球面光学元件行业技术变革与产品革新

　　第二章非球面光学元件行业运行经济环境分析

　　第一节2010年中国宏观经济运行情况

　　一、2010年我国投资增长状况

　　二、2010年我国物价运行状况

　　三、2010年我国工业增长状况

　　四、2010年我国对外贸易发展状况

　　五、2010年我国消费增长状况

　　第二节2010年我国宏观经济发展趋势

　　第三节2010年非球面光学元件行业相关政策及影响

　　第三章非球面光学元件上游行业分析

　　第一节上游行业发展现状

　　1、上游原材料行业

　　光学塑料

　　光学塑料是工程塑料的一个重要分支，光学塑料大部分为热塑性塑料，常用的有：

聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸脂（PC）等。

　　国内目前PMMA生产能力虽然有较大发展，但产品结构不合理，只能生产普通品级产品，缺乏高附加值产品。

在品种和质量等方面不能满足市场要求，如国内需求量很大的挤出板材及轿车尾灯生产用模塑料等均需从国外进口。

　　与PS、PC、PVC等其它树脂材料相比，PMMA在某些性能上更胜一筹，随着我国各行业法规的日益健全，PMMA必将在更多应用领域呈现较强的竞争实力。

此外，特种有机玻璃制品如光学有机玻璃、防射线有机玻璃及光盘级有机玻璃等在我国尚属空白，有较大的开发和开展余地。

预计今后几年，国内PMMA消费量年均增长将保持在6%以上，到2012年，国内PMMA消费量将达20-22万吨。

　　PMMA目前于广泛被用于制造照相机、摄录一体机、投影机、光盘读出头以及军用火控和制导系统中的非球面透镜和反射镜，还用来制造菲涅尔透镜、微透镜数组、隐形眼镜、光纤、光盘基板等零件。

　　聚苯乙烯（PS）是一种热塑性树脂，PS具有非常好的几何稳定性、热稳定性、光学透过特性、电绝缘特性以及很微小的吸湿倾向，由于其价格低廉且易加工成型，因此得以广泛应用。

　　近两年由于聚苯乙烯盈利能力疲软以及前景黯淡，已经促使全球生产商纷纷开展业务重组以降低成本。

在全球聚苯乙烯前景黯淡的大背景下，我国聚苯乙烯产业先天不足的问题仍然突出：

聚苯乙烯的质量和性能不能满足其重要应用领域电子、电器产品的需要。

国内知名电器生产商大多采用进口产品；装置规模小，生产成本高，缺乏竞争力；原料供应不足。

我国生产的苯乙烯，若全部用于生产聚苯乙烯，仅能满足其43%的生产需求。

诸多不利因素将给全球聚苯乙烯生产商以可趁之机，未来中国极有可能成为其产能输出的目标市场。

　　聚碳酸酯（PC）是一种新型热塑性工程塑料，具有突出的冲击性能、透明性、尺寸稳定性，优良的力学性能和电性能等。

　　近年来，国内聚碳酸酯消费市场迅猛发展，在过去十年国内聚碳酸酯消费量平均增长高达30%以上，在世界绝无仅有。

与国内聚碳酸酯消费市场迅速发展形成巨大反差的是，聚碳酸酯生产水平长期低下，装置规模小，生产技术落后，产品产量低、质量差，我国使用的聚碳酸酯主要从国外进口。

未来国内聚碳酸酯行业会有较大的变化。

一是产能会有较大的增长，二是需求继续保持高速增长。

国内聚碳酸酯2011年需求量在120万吨左右，预计2015年需求量将达到160万吨。

　　光学玻璃

　　由于我国光学产业起步较晚，技术相对落后，目前我国的光学企业还处于传统光学玻璃元件生产阶段，产品技术含量相对较低。

由于我国原材料、人力、能源等成本低，我国的中、低档光学玻璃元件在国际上具有竞争优势，是世界上最大的传统光学玻璃元件生产基地。

高档产品仍由日本、德国、英国等国的几家大公司生产，我国只有小批量生产。

　　在行业生产技术方面，与国外相比，我国目前整体技术水平属中等偏下，部分产品达到国际水平，在生产技术、产品质量的稳定性以及新产品开发等方面与国外还有一定差距。

　　虽然目前我国部分企业具有一定自主开发的能力，但光学玻璃行业部分核心技术和尖端技术方面仍处于劣势。

伴随着我国光学玻璃产品产业的快速发展，也显现出产品技术和性能方面同质化竞争、低水平重复投资等行业发展的结构性问题。

目前整个市场正处于混沌状态，不少企业竞争力弱、规模小、效率低、成本高，而一些大企业则引进现代化智能生产线，这种竞争的结果就是市场日趋规范，最终重新洗牌。

　　光学玻璃涉及复杂的工艺，尤其是玻璃成形体的制造装置，对技术水平要求很高。

企业采用先进工艺和技术，前期投入较大，生产周期较长，而且对职工素质要求很高（特别是技术开发人员和一线技术工人）。

如果要进入本行业高端领域，则需要有更强的技术实力。

因此，在研发技术、工艺技术和生产管理技术等方面都会对拟进入企业形成一定的技术门槛，行业外企业进入本行业有很大的风险和难度。

　　光学晶体

　　激光晶体材料是固体激光技术及产业的基础支撑材料，是激光技术发展的核基础。

在激光晶体材料方而，中国和美国是全球激光晶体的主要生产国。

美国的贰陆（II-VI公司）、诺斯洛普?

格鲁门公司等是大型激光晶体企业，加工技术和产品品质处于世界领先水平。

近年来，国内激光工业应用水平不断上升，有力地带动了激光晶体材料的需求，促进了激光产业的发展，我国激光晶体材料市场发展潜力巨大。

　　我国开展激光晶体研究的时间较早，研发基础较为扎实，人才储备较为充足。

目前，我国从事激光晶体材料基础研究的主要为专业科研院所、部分高校单位以及为实施军转民生产或为实施研究成果产业化生产而设立的少量生产企业，主要包括中科院下属的理化研究所、福建物质结构研究所、上海硅酸盐所、上海光机所、中国电子科技集团十一所等部属研究所、哈工大等研究机构等研究、生产企业。

这些单位在激光晶体材料和器件领域各具特色。

已培养了一批从事.光电子晶体材料和器件的科研人员，在关键技术方面也取得了一系列突破，如解决了大尺寸高效半异体泵浦的板条激光晶体的生长和加工技术；通过发展高效微片激光晶体材料、光胶、键合晶体及激光器件、改进相关的晶体质量等手段，实现了全固体激光的高效运转等。

利用这一系列成果，已初步创立了具有我国特色并拥有自主知识产权的激光加工、医疗设备产业。

　　近年来，我国激光工业加工、激光医疗等激光应用行业迅猛发展，但与发达国家相比，仍有较大距离，如激光加工使用率较低，高档激光加工系统较少、激光微细加工设备缺口较大等，在一定程上影响了国产激光加工设备的市场销售，进而减缓了激光晶体在国内市场的需求量。

激光晶体元器件产品的产业化和标准化相对落后。

激光晶体材料行业虽然目前规模相对较小，但激光作为先进技术的代表，是我国产业升级换代的关键技术之一，因此激光晶体材料带动性很大，便可推动大产业的发展，是下游产业发展的关键支点，其行业特性决定了它与下游产业的协同性很高。

这一特性决定了激光晶体行业和下游产业之间完全能够建立一条逐步发展壮大的产业链，以多学科的协作共同促进研发和产业的发展。

　　2、研磨抛光行业

　　建国60余年特别是改革开放以来，我国的磨料磨具行业经历了一个从无到有飞速发展的过程。

目前行业的规模和产量都很可观，我国已经成为世界上磨料磨具生产和出口大国。

尽管如此，我们的高端产品却还严重依赖进口，形成了中低档产品泛滥而高端产品不足的矛盾现实。

“大而不强”已成为行业的普遍共识。

艰难起步于建国初期的我国磨料磨具行业，经历了曲折的发展道路，终于发展成为世界上磨料磨具大国。

几十年的发展成果固然可喜，但是却也积淀下了很多问题。

　　与国外同类行业相比，我国磨料磨具行业的不足之处非常明显。

首先，生产技术落后。

大部分企业采用的依然是传统的生产设备，生产工艺落后，生产效率极其低下，人力、物力浪费严重。

其次，管理方式陈旧。

很多企业并没有规范的管理制度，生产过程主要靠工人的自觉性，不注重对工人的培训，行业人才匮乏。

此外，还存在产品档次低下，不注重新产品的研发，技术封闭等严重问题。

这些问题看似庞杂，其实它们相互制约，而如果我们能着手解决好节能减排的问题，很多其他问题也会迎刃而解，因为节能减排涉及到生产技术的改进、管理理念的变革、产品质量的提升等很多方面，如果能在节能减排方面做好，其意义将十分深远。

　　3、工控机行业

　　目前我国工业控制计算机（包括工业控制计算机系统、分散型工业控制计算机系统、工业控制功能模块系列、自动测试系统和数控程控五大系列）技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工控机行业已经形成。

　　我国工控机系统的发展道路，大多是在引进成套设备的同时，也相继引进了各种工控机系统，并开始自己设计控制系统和装置，然后进行消化吸收，进行二次开发和应用。

也有一些厂家引进国外技术，与外商合作合资组装生产国外产品，并逐步实现国产化。

　　据电子部微型机信息网估计，目前我国工控机市场规模为95-127亿元，其中PLC的规模是15-17亿元，DCS系统规模15-20亿元，工业PC机及板卡25-30亿元，嵌入式计算机（含控制器）15-20亿元，机电设备数控系统35-45亿元。

工控机生产厂家中，生产PLC的占30.43%，DCS占17.39，FCS占8.7%，工业PC机占21.74%，其他（自动化仪表、模块）占21.74%。

　　4、机械设计制造行业

　　近年来，机械工业的技术水平提高很快，大型化、成套化、节能化、精密化和机械电子一体化，已成为机械产品的发展趋势。

经过五十年的发展，中国已建成产品门类比较齐全、生产科研体系比较完整的机床工具制造业，具有年产10多万台机床、2万台锻压设备、两亿件量刃具、10多万吨磨料以及相应的机床电器、附件的生产能力，为国内一些大型机械企业提供了成套设备。

机械工业已能提供1800种通用机床和相应的锻压设备、工具、磨料磨具等，品种和产量可满足各方面需要的90左右。

例如第二汽车制造厂的560多条机械加工生产线，共2万多台设备中，98%以上是国产的。