光學零件工藝學

1、光學零件工藝學 光學零件的拋光工藝光學零件的拋光工藝第六章 拋 光 光學零件的拋光是獲得光學表面最主要的工序。其目的：一是去除精磨的破壞層，達到規(guī)定的表面質量要求，二是精修面形，達到圖紙要求的光圈和局部光圈，最后形成透明規(guī)則的表面。 光學零件的拋光工藝 玻璃拋光機理玻璃拋光機理光圈的識別光圈的識別古典法拋光工藝古典法拋光工藝高速拋光工藝高速拋光工藝玻璃拋光機理 玻璃拋光機理玻璃拋光機理 拋光是獲得光學表面的最主要工序。其拋光是獲得光學表面的最主要工序。其目的目的 消除精磨的破環(huán)層，達到規(guī)定的表面要求；經(jīng)消除精磨的破環(huán)層，達到規(guī)定的表面要求；經(jīng)修面形，達到圖紙要求的光圈數(shù)修面形，達到圖紙要求的光

2、圈數(shù)N N和局部誤差。和局部誤差。也就是在玻璃或其它光學材料上，產(chǎn)生規(guī)則的也就是在玻璃或其它光學材料上，產(chǎn)生規(guī)則的透明表面。透明表面。 拋光的本質是拋光的本質是機械機械、化學化學和和物理物理三種作用綜三種作用綜合的結果。合的結果。機械磨削 機械磨削機械磨削 拋光與研磨的本質是相同的，都是堅硬的磨料對拋光與研磨的本質是相同的，都是堅硬的磨料對玻璃表面進行微小切削作用的結果。由于拋光是用玻璃表面進行微小切削作用的結果。由于拋光是用較細的磨料，所以微小切削作用可以在分子范圍內(nèi)較細的磨料，所以微小切削作用可以在分子范圍內(nèi)進行，使玻璃表面凸出部分被切削掉，逐漸形成光進行，使玻璃表面凸出部分被切削掉，逐漸

3、形成光滑的表面。實驗根據(jù)是滑的表面。實驗根據(jù)是 拋光表面有起伏現(xiàn)象拋光表面有起伏現(xiàn)象 當磨料很細時，精磨也能將玻璃拋光當磨料很細時，精磨也能將玻璃拋光 拋光玻璃重量明顯減輕拋光玻璃重量明顯減輕 拋光效率與拋光劑顆粒大小有關系拋光效率與拋光劑顆粒大小有關系 拋光效率與速度、壓力有關系拋光效率與速度、壓力有關系表面流動理論 表面流動理論表面流動理論 玻璃表面由于摩擦和相對運動產(chǎn)生熱量，玻璃表面由于摩擦和相對運動產(chǎn)生熱量，致使表面產(chǎn)生塑性流動，使表面凸起將凹陷致使表面產(chǎn)生塑性流動，使表面凸起將凹陷填平。實驗根據(jù)是填平。實驗根據(jù)是 玻璃表面分子的流動而掩蓋了劃痕玻璃表面分子的流動而掩蓋了劃痕 拋拋去去

4、玻璃的重量與拋去玻璃的厚度不對應玻璃的重量與拋去玻璃的厚度不對應 軟化點高的玻璃，拋光效率低軟化點高的玻璃，拋光效率低化學作用 化學作用化學作用 拋光過程是水、拋光劑、拋光模和玻璃之間化拋光過程是水、拋光劑、拋光模和玻璃之間化學作用的結果?；瘜W作用主要是再玻璃表面發(fā)生學作用的結果。化學作用主要是再玻璃表面發(fā)生水解作用。實驗根據(jù)如下水解作用。實驗根據(jù)如下 水水對對玻璃的作用玻璃的作用 拋光模材料的化學作用拋光模材料的化學作用 拋光劑的化學作用拋光劑的化學作用 拋光液拋光液PHPH值的影響值的影響 添加劑的化學作用添加劑的化學作用 玻璃的化學作用玻璃的化學作用6-2 樣板檢驗原理 被檢驗光學表面相

5、對于參考光學表面的偏差稱面被檢驗光學表面相對于參考光學表面的偏差稱面形偏差形偏差 若兩者的面形（球面或平面）不一致，存在微小若兩者的面形（球面或平面）不一致，存在微小誤差時，就形成一個楔形空氣隙，類似一個薄膜，誤差時，就形成一個楔形空氣隙，類似一個薄膜，從而產(chǎn)生薄膜干涉現(xiàn)象。從而產(chǎn)生薄膜干涉現(xiàn)象。 若用單色光源，空氣隙呈環(huán)形對稱時，則產(chǎn)生明若用單色光源，空氣隙呈環(huán)形對稱時，則產(chǎn)生明暗相間的同心圓干涉環(huán)，用白光照射產(chǎn)生彩色圓暗相間的同心圓干涉環(huán)，用白光照射產(chǎn)生彩色圓環(huán)。這些圓環(huán)稱作光圈，又叫牛頓環(huán)。環(huán)。這些圓環(huán)稱作光圈，又叫牛頓環(huán)。 光學零件面形偏差是在圓形檢驗范圍內(nèi)，通過垂光學零件面形偏差是在

6、圓形檢驗范圍內(nèi)，通過垂直位置所觀察到的光圈數(shù)目、形狀、變化和顏色直位置所觀察到的光圈數(shù)目、形狀、變化和顏色來確定的，并且面形誤差用光圈數(shù)表示，所以，來確定的，并且面形誤差用光圈數(shù)表示，所以，樣板檢驗亦稱樣板檢驗亦稱“光圈檢驗光圈檢驗”。光圈的識別 光圈的識別光圈的識別 對光學零件的拋光一般要達到兩個對光學零件的拋光一般要達到兩個目的目的光學表面疵病符合規(guī)定的等級光學表面疵病符合規(guī)定的等級光學表面幾何形狀達到規(guī)定的要求光學表面幾何形狀達到規(guī)定的要求光學樣板檢驗原理光學樣板檢驗原理 光學零件的表面精度是與光學樣板比較而鑒光學零件的表面精度是與光學樣板比較而鑒別出來的。光學零件的面型精度包括別出來的

7、。光學零件的面型精度包括曲率半徑曲率半徑偏差偏差、像散偏差像散偏差和和局部偏差局部偏差三個內(nèi)容。三個內(nèi)容。圖6-3 光圈檢驗原理a-干涉現(xiàn)象；b-干涉原理； 1-樣板；2-工件（一）（一）光圈數(shù)光圈數(shù)N與空氣隙厚度與空氣隙厚度h的關系的關系 兩束光的光程差表達式為：式中， -與干涉條紋對應的空氣隙厚度； -折射角； -入射光的波長。當 時，產(chǎn)生第k級亮條紋。當 時，產(chǎn)生第k級暗條紋。 第k級和k1級亮條紋，所對應的空氣隙厚度為 和 ，由下式表示： 2cos2hihi2cos222hik2cos(21)22hikkh1kh/ 22 coskkkhi11(1)/22coskkkhi 則相鄰亮條紋空

8、氣隙厚度差近似為： 相鄰兩道光圈之間的空氣隙厚度，近似等于二分之一波長，即一道光圈相當空氣隙厚度為。則總的光圈數(shù)N與空氣總厚度 之間的關系為： 光圈，即干涉條紋的形狀是由空氣隙等厚層的軌跡決定的，即同一級干涉條紋對應的空氣隙厚度是相等的。利用干涉條紋的數(shù)量和不規(guī)則程度，可以判定球面的面形誤差。 12cos2kkhhhi /2hN （二）（二）光圈數(shù)光圈數(shù)N與曲率半徑偏差與曲率半徑偏差R的關系的關系 光學零件曲率半徑與工作樣板半徑之間的偏差，以干涉條光學零件曲率半徑與工作樣板半徑之間的偏差，以干涉條紋數(shù)，即光圈數(shù)紋數(shù)，即光圈數(shù)N表示。值不僅取決光圈數(shù)表示。值不僅取決光圈數(shù)N、零件與樣、零件與樣板

9、的接觸口徑板的接觸口徑D（在此口徑范圍內(nèi)顯示于涉環(huán)）干涉光的（在此口徑范圍內(nèi)顯示于涉環(huán)）干涉光的波長，還取決于樣板是沿邊緣接觸（低光圈），還是在中波長，還取決于樣板是沿邊緣接觸（低光圈），還是在中部接觸（高光圈）。部接觸（高光圈）。樣板與透鏡沿邊緣接觸情況樣板與透鏡沿邊緣接觸情況 22(2 )RND-透鏡曲率半徑222/222/8DNRDR -透鏡曲率半徑偏差 RR-直徑之半 D-零件與樣板接觸口徑 pN-光圈數(shù) -入射光波長 光圈數(shù)與半徑偏差的關系是：224DNRR（三）光圈半徑（三）光圈半徑 與波長與波長 的關系的關系 為第 級暗條紋所對應的空氣層厚度 為 級暗條紋對應的干涉條紋半徑， 為

10、透鏡的曲率半徑。 滿足暗條紋條件為 = hrkhkkrkR222kkkrRhhkrkR2(21)22krkR（四）相鄰光圈的間隔（四）相鄰光圈的間隔 與干涉級的關系與干涉級的關系 當k0時 當k逐漸增大時， 愈來愈小,即 逐漸減小，以致眼睛無法分辨，k的極限可由物理光學得知 : 為人眼所能分辨的波長范圍,用白光照射平均波長 條1(1)kkrrrRkk rrR 1kk rk0.5 mmax5005010k 由此得出。用白光檢驗時，干涉條紋超過50條，就無法分辨了。將k50代入暗環(huán)光程差公式： 由此可知，用白光檢驗時，與k =50對應的最大空氣隙厚度不能超過12.5 ，否則就看不到光圈。2(21)

11、220.5 50/212.52hkkhm m二、光圈的識別與度量 低光圈低光圈: 用樣板檢驗工件時，如果兩者在邊緣接觸，用樣板檢驗工件時，如果兩者在邊緣接觸，當空氣隙縮小時，條紋從邊緣向中間移動，則稱當空氣隙縮小時，條紋從邊緣向中間移動，則稱低光圈低光圈 高光圈高光圈:用樣板檢驗工件時，如果兩者在中間接觸，用樣板檢驗工件時，如果兩者在中間接觸，當空氣隙縮小時，條紋從中心向邊緣移動，則稱當空氣隙縮小時，條紋從中心向邊緣移動，則稱高光圈高光圈 。 識別光圈高低常用方法有三種識別光圈高低常用方法有三種 ： 1. 周邊加壓法周邊加壓法 ：此方法適用于光圈：此方法適用于光圈N1的判的判斷。斷。 采用周邊

12、加壓法，識別光圈高低的原理是，采用周邊加壓法，識別光圈高低的原理是，將樣板置于零件上，兩者間存在空氣隙，在將樣板置于零件上，兩者間存在空氣隙，在樣板周邊加壓時，則使空氣隙由厚變薄，即樣板周邊加壓時，則使空氣隙由厚變薄，即空氣隙由大變小。這樣與對應的干涉條紋也空氣隙由大變小。這樣與對應的干涉條紋也隨之移動。對于低光圈，空氣隙隨之移動。對于低光圈，空氣隙,等厚層的移等厚層的移動方向是由邊緣移向中心，因此，與等厚層動方向是由邊緣移向中心，因此，與等厚層對應的干涉條紋也隨之從邊緣向中心移動。對應的干涉條紋也隨之從邊緣向中心移動。高光圈識別，正好與此相反。高光圈識別，正好與此相反。 2. 邊緣點力法：在

13、樣板邊緣某一點輕輕加壓，使其另一端浮起，則形成楔形空氣隙，從而產(chǎn)生干涉條紋。它是根據(jù)干涉條紋的彎曲方向和彎曲程度來識別和度量光圈的。如果工件為理想平面，用平面樣板（平晶）檢驗零件時，則呈現(xiàn)平直條紋，由于浮起程度不同，條紋數(shù)目也隨之增減 如果工件為高光圈 ，見圖：設樣板面為A、B、C、D，加工面為E、F、G、H。邊緣一點加壓后C和G點接觸，則兩面之間形成楔形空氣層，從而產(chǎn)生干涉條紋。如將干涉圖形向平面上投影，那么各帶條紋勢必彎向受力點，這是由與其對應的空氣隙等厚層的軌跡方向決定的，此彎曲程度與條紋間隔之比為光圈數(shù)。低光圈干涉條紋彎曲方向與上相反，它是背向受力點。這種方法適用于N1判斷，其精度可達

14、到 左右。 /10色序法 按光圈顏色的序列來識別光圈高低的方法，稱色序法。 在白光照射下觀測時，光圈形成色序，這是由于組成白光的各種色光，所對應的空氣隙（）不同所致。 低光圈：從中心到邊緣的顏色序列為“藍、紅、黃”等。 高光圈：從中心到邊緣的顏色序列為“黃、紅、藍”等。 色序法不僅適用N1時光圈高低的識別，而且也可用于N35mmR35mm的標準樣板的制造的標準樣板的制造標準樣板的制造R R35mm35mm的標準樣板的制造的標準樣板的制造 對于對于R R35mm35mm的標準樣板的標準樣板, ,為達到為達到A A級精度，凸樣級精度，凸樣板一般做成整球或超半球的形式。整球樣板的毛坯板一般做成整球或

15、超半球的形式。整球樣板的毛坯可以熱壓成球形；也可以是正方形毛坯，再磨成八可以熱壓成球形；也可以是正方形毛坯，再磨成八角坯后進行滾圓。然后再根據(jù)圓球制造凹凸樣板。角坯后進行滾圓。然后再根據(jù)圓球制造凹凸樣板。面形的規(guī)則性是通過凹凸樣板的對磨來保證。面形的規(guī)則性是通過凹凸樣板的對磨來保證。標準樣板的制造R35mmR35mm的標準樣板的制造的標準樣板的制造 當制作當制作R35mmR35mm的標準樣板或的標準樣板或R35mmR35mm的凹標準樣的凹標準樣板是，先將樣板做成弧形，再用球徑儀測量直徑板是，先將樣板做成弧形，再用球徑儀測量直徑R R。樣板毛坯粗磨成型后，將非測量面拋光，再樣板毛坯粗磨成型后，將

16、非測量面拋光，再在凸樣板的平面上粘上一個小平模，凹樣板平面在凸樣板的平面上粘上一個小平模，凹樣板平面上粘一個環(huán)形平模，進行對磨來修正曲率半徑，上粘一個環(huán)形平模，進行對磨來修正曲率半徑，保證面形。保證面形。超光滑表面光學零件的拋光工藝 超光滑表面光學零件的拋光工藝超光滑表面光學零件的拋光工藝 超光滑表面是指粗糙度的均方根偏差小于超光滑表面是指粗糙度的均方根偏差小于0.5nm0.5nm的表面。的表面。 現(xiàn)代光學技術對光學零件的表面的要求越來越現(xiàn)代光學技術對光學零件的表面的要求越來越高，其主要是由于高，其主要是由于 高能量激光器的發(fā)展和應用，要求諧振腔反射表面高能量激光器的發(fā)展和應用，要求諧振腔反射

17、表面非常光滑。非常光滑。 隨著光學儀器的適用波段范圍向紫外和隨著光學儀器的適用波段范圍向紫外和X X光的延伸，光的延伸，對光學表面粗糙度的要求也就越來越高。對光學表面粗糙度的要求也就越來越高。 制造光電儀器時，要求被加工表面具有物理的完整制造光電儀器時，要求被加工表面具有物理的完整性。性。水中拋光 水中拋光水中拋光 水中拋光又稱水中拋光又稱BFPBFP法拋光，它是將工件和拋光模法拋光，它是將工件和拋光模都浸在水中，在低速低壓下進行拋光。都浸在水中，在低速低壓下進行拋光。特特 點點 由于工件和拋光模均浸在水中，所以拋光時產(chǎn)生的由于工件和拋光模均浸在水中，所以拋光時產(chǎn)生的熱量可以及時的分散到拋光液

18、中，因而工件和拋光模熱量可以及時的分散到拋光液中，因而工件和拋光模的熱變形極小。的熱變形極小。 拋光時采用非常細的拋光劑、很小的壓力和速度，拋光時采用非常細的拋光劑、很小的壓力和速度，在拋光的最后階段還可用稀釋的拋光液或清水拋光。在拋光的最后階段還可用稀釋的拋光液或清水拋光。 不僅適用于玻璃，還適用于晶體的拋光，可以使得不僅適用于玻璃，還適用于晶體的拋光，可以使得工件表面粗糙度的均方根偏差很小。工件表面粗糙度的均方根偏差很小。離子拋光 離子拋光離子拋光 將惰性氣體電離成為離子，再對離子進行加速，將惰性氣體電離成為離子，再對離子進行加速，然后撞擊放在真空室中的工件表面，從其表面將材然后撞擊放在真空室中的工件表面，從其表面將材料以原子量級予以去除，從而形成很好的拋光表面。料以原子量級予以去除，從而形成很好的拋光表面。特特 點點 由于去除材料的基本本單位是原子，所以可以獲得由于去除材料的基本本單位是原子，所以可以獲得很高的加工精度很高的加工精度。 適用范圍廣，可加工多種材料。適用范圍廣，可加工多種材料。 由于離子只是和表面原子發(fā)生能量交換，因此是不由于離子只是和表面原子