光學加工技術

第1章

光學加工技術《光學加工》OpticalFabrication課程公共郵箱：講授：郎賢禮(HFUT)本章內容光學材料1粗磨與精磨2拋光3光學零件的膠合41課時21.1光學材料一.玻璃的組成與結構(一)光學玻璃的組成光學玻璃與普通玻璃的主要區(qū)別：前者具有高度的透明性、物理及化學性質高度均勻性及特定和精確的光學常數一般來講玻璃的主要成分是二氧化硅(SiO2),又稱石英砂。通常熔煉玻璃都加入其它物質，以改善玻璃的性能和滿足光學需要。主要是氧化物。各種氧化物對玻璃性質的影響見表1-131.1.1玻璃的組成與結構各種氧化物對玻璃性質的影響各種氧化物對玻璃性質的影響表1-14├玻璃的物理特性(二)玻璃的物理特性玻璃除具有固體的機械性和光學性能外，還有以下物理特性：各向同性介穩(wěn)狀態(tài)熱力學不穩(wěn)定的狀態(tài)玻璃從熔融態(tài)向固態(tài)轉化是連續(xù)可逆的(三)玻璃的結構玻璃的結構理論涉及問題比較復雜，到目前為止尚不完善，但比較流行的是無規(guī)則網絡學說。5└玻璃的結構1932年荷蘭學者查哈里阿生，提出無規(guī)則網絡說。認為：玻璃的原子、離子或原子團的結合構成一個連續(xù)的網絡體，而網絡體呈現出很大的不規(guī)則性Na2O-SiO2玻璃結構在熔融石英玻璃中加入堿金屬氧化物(R2O)或堿土金屬氧化物(RO)，使硅氧四面體[SiO2]組成的網絡體斷裂。在某些四面體的空隙中，均勻但無序的分布著堿金屬和堿土金屬離子。61.1.2無色光學玻璃一.光學玻璃的分類與命名光學玻璃的品種繁多，其中絕大部分是無色光學玻璃，因此光學玻璃的分類及命名，主要指無色光學玻璃而言。光學玻璃的發(fā)展20世紀40年代前常用光學玻璃硅酸鹽系玻璃占光學玻璃80%20世紀40年代后新品種玻璃硼酸鹽.磷酸鹽系用作光學儀器

90年代后紫外和紅外玻璃氟化物硫、硒化合物氧化物玻璃非氧化物玻璃7├光學玻璃的分類與命名分類方法光學玻璃按色散系數(阿貝數)的大小分為冕牌及火石玻璃。大致分界線為色散系數v=50。如德國規(guī)定：n<1.6,v>50為冕牌類，其余為火石類。我國的光學玻璃標準規(guī)定有K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大類又可進一步細分，第一品種在n-v圖中占一定的區(qū)域。冕牌玻璃及火石玻璃下，按折射率的高低分成小類從低到高有“輕”、“重”之分，分別用”Q””Z”表示；特殊色散性能的玻璃用T表示。8└光學玻璃nd-vd領域圖光學玻璃nd-vd領域圖圖1-6無色光學玻璃的類型和化學組成表1-29二.無色光學玻璃的質量指標二.無色光學玻璃的質量指標為滿足光學系統的成像要求，對光學玻璃的質量要求有:(一)折射率、色散系數的允差我國標準規(guī)定主折射率是指光學玻璃對鈉光d（波長0.5786μm）的折射率，用nd表示。此外常用的還有對F譜線(波長0.4861μm的藍光)的折射率用nF表示;對C譜線(波長0.6563μm的紅光)的折射率用nC表示。色散表示光學玻璃對不同的光具有不同的折射率。色散大小用F譜線和C譜線之差表示，即nF－nC，稱作中部色散。通常度量光學玻璃的色散程度用色散系數(又稱阿貝數)vd:10└無色光學玻璃的質量指標(二)光學均勻性光學均勻性是指同一塊玻璃中，各部分的折射率變化的不均勻程度。(三）應力雙折射理想的玻璃是各向同性的。但嚴格來講，由于玻璃在熔煉降溫過程中，內部溫度總比外部高，難以均衡，產生應力。從而使玻璃具有各向異性的性質。光線能過時會產生雙折射像。(四)光吸收系數光學玻璃對某波長光線的透明度，以光吸收系數E來表示(E表示白光通過1cm厚的玻璃所的光能量與進入該玻璃光能量之比)。一般通過提高玻璃原材料的純度，嚴格控制熔煉過程中混入著色性雜質來實現。(五)條紋度和氣泡度11三.無色玻璃的物理化學性質三.無色玻璃的物理化學性質(一)耐潮穩(wěn)定性(二)耐酸穩(wěn)定性(三)折射率溫度系數(四)熱膨脹系數和轉變溫度(五)導熱系數(六)楊氏模量、剪切模量和泊松比(七)努普硬度121.1.3光學塑料一.光學塑料的性能和組成塑料的主要成分是高分子聚合物-樹脂。其性質也主要由樹脂決定，但在樹脂中的增強劑、增塑劑、穩(wěn)定劑和潤滑劑等對改善塑料的性能起著重要的作用。按其性質可分為兩類：熱塑性塑料指反復加熱仍有可塑性的塑料。光學塑料大部分是熱塑性塑料PMMA(有機玻璃)、聚苯乙烯等熱塑性塑料指由加熱固化的合成樹脂制成的塑料。加熱初期具有可塑性，繼續(xù)加熱則伴隨化學變化而變硬。再加熱也不再軟化不再具有可塑性。CR39、環(huán)氧光學塑料光學塑料分類13├常用光學塑料常用光學塑料常用光學塑料1234聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA、王冕塑料)高透過率92%,n=1.492質輕、價廉、易加工耐沖擊，但易劃傷應用廣泛占整個光學塑料的90%相機取景器彩電、投影電視菲涅耳透鏡光盤和光纖軍事應用聚苯乙烯(火石塑料)高透過率90%,n=1.591質輕、價廉、易加工自由著色、無毒無味強度小，耐熱低，應用廣泛:透鏡、光柵光盤、光纖儀表外殼，燈罩和裝飾環(huán)氧樹脂以環(huán)氧樹脂為主體制成塑料。烯丙基二甘醇碳酸酯(CR39)抗沖擊、耐腐蝕耐磨性好但收縮率大，價格昂貴廣泛應用于樹脂鏡片制作14├光學塑料的主要優(yōu)缺點二.光學塑料的主要優(yōu)缺點優(yōu)點相對密度小耐沖擊強度高透紅外、紫外性能好耐溫度驟變能力強易成型成本低例：0.558cm口徑子彈打不穿0.3cm厚的聚碳酸酯塑料板可采用注射/澆鑄/熱壓/車削等加工方法，不必精磨拋光；特殊光學零件加工如非球面；成本僅為玻璃零件1/10-1/3015└光學塑料的主要優(yōu)缺點缺點熱膨脹系數高，吸水性大耐磨性差光學常數選擇范圍有限熱膨脹系數是玻璃的10倍，加上吸濕性大。故光學塑料不能制作高精度光學零件光學塑料品種少，光學常數選擇范圍有限。其折射率在1.47～1.60,阿貝數30～57.滿足不了光學設計的要求，限制其應用。161.2粗磨與精磨前言把光學零件毛坯加工成透明光學表面需要三大基本工序——粗磨、精磨和拋光粗磨是將塊料或型料毛坯加工成一定幾何形狀、尺寸精度和表面粗糙度的工序?，F在普遍采用金剛石磨具銑削加工技術。精磨的目的是保證工件達到拋光前所需要的面形精度、尺寸精度和表面粗糙度。方法分為散粒磨料精磨和金剛石精磨，后者又稱高速精磨，能實現自動化和流水線加工。171.2.1粗磨一.研磨的本質(一)散粒磨料的研磨散粒磨料研磨，指用磨料加水配的懸浮液對玻璃進行研磨加工。散粒磨料研磨分布在磨盤1和工件2之間的磨料顆粒3,借助磨盤與工件的相對運動，首先使玻璃表面形成交錯的裂紋，然后磨料繼續(xù)流動，再加上水滲入裂紋的水解作用，加劇了玻璃的破碎18├散粒磨料研磨產生劃痕原因個別顆粒長時間粘固在磨具上磨粒不均勻造成。通常磨粒最大尺寸和最小尺寸比為2:1.研磨過程的化學作用，主要是水參與了玻璃表層的水解反應，在裂紋中形成硅酸凝膠膜，其膨脹使裂縫加深變寬，促進了玻璃碎屑的脫落。由此可見，研磨的過程主要是尖硬的磨料顆粒對玻璃表面破壞的過程。水解的也起了一定的作用，但是次要的。19

├固著磨料的研磨(一)散粒磨料的研磨散粒磨料研磨，指用磨料加水配的懸浮液對玻璃進行研磨加工。固著磨料研磨即銑削加工，是采用固著磨料的金剛石磨具研磨玻璃，它與金屬的加工類似。磨具的主要運動是旋轉運動20├散粒磨料研磨產生劃痕原因個別顆粒長時間粘固在磨具上磨粒不均勻造成。通常磨粒最大尺寸和最小尺寸比為2:1.研磨過程的化學作用，主要是水參與了玻璃表層的水解反應，在裂紋中形成硅酸凝膠膜，其膨脹使裂縫加深變寬，促進了玻璃碎屑的脫落。由此可見，研磨的過程主要是尖硬的磨料顆粒對玻璃表面破壞的過程。水解的也起了一定的作用，但是次要的。21├固著磨料的研磨(二)固著磨料的研磨銑削加工，是采用固著磨料的金剛石磨具研磨玻璃，與金屬的加工類似。在磨具表面上固著的金剛石顆粒，類似車刀。銑削加工中，磨具與工件的相對運動產生的切削力R可分解為水平分力Fk和垂直分力Fn.在Fn的作用下磨粒深入玻璃的深處，形成互相交錯的錐形裂紋。Fk是水平切削力。固著磨料研磨22固著磨料的研磨在光學加工技術中，采用固著的金剛石磨具磨削玻璃，是提高生產率最有效的方法。原因：固著的磨粒像無數把車刀。固著的磨粒只作用于玻璃表面，不參與相互磨碎。磨粒受力大切削速度高，達15-25m/s在采用較大的粒度的磨料時，可用小的進給量，則表面會形成小的微觀不平度。由于上述優(yōu)點，加上人造金剛石的普及，金剛石固著磨具不完成用于研磨輔助表面和粗加工，而且還廣泛應用于高速精磨中，并開始用微細的磨粒拋光玻璃。銑磨比散粒研磨的砂面要細。例：當磨輪粒度為60~80#時，其銑磨表面的27~53um，相當于180～240散粒研磨的砂面23二.銑削加工原理二.銑削加工原理在銑磨機上，采用金剛石磨具加工玻璃的工序，稱作粗磨的銑削加工，又稱范成法加工。所謂范成法是利用磨輪刃口軌跡包絡面形成球面的方法。(一)球面銑削原理如圖所示，金剛石磨輪刃口通過工件頂點，磨輪軸線和工件軸線相交于O點，并且兩軸的夾角為α，磨具繞自身高速旋轉，工件繞自身低速轉動，這種運動的軌跡就形成球面。球面半徑的大小與兩軸的夾角α有關。當磨具選定后，中徑Dm的端面圓弧半徑r為定值，調節(jié)不同的α角，即可加工不同曲率半徑R的球面。R與α的關系如下：24１.幾何原理在銑削加工時，磨輪端面在工件表面上某一瞬間的切削軌跡是一個圓，此圓與工件軸的傾斜α角，所以稱為斜截圓。25垂直于直線ＯＸ并通過Ａ點的平面將球切割，其切口形成一個圓，相當于斜截圓。斜截圓與OX軸的交點為O’,圓半徑r0,r0相當于磨輪中的Dm之半即：令A,B,C,D是斜截圓上的點，那么Ｒ相當于工件的半徑，同時ABCD也是以Ｏ為球心，Ｒ為半徑球上的圓。角AOX＝α（兩軸夾角），則262.斜截圓的軌跡方程在右圖中，坐標原點O為工件軸與磨輪軸的交點(即Ｏ為工件表面的曲率中心)，OZ為工件軸線，ＯＡ＝Ｒ，OZ’為磨輪軸線，o’為斜截圓的中心。在X’Y’Z’坐標系中斜截圓方程為

a設M為斜截圓上的一點，Ｍ點在XYZ坐標系中是坐標為(X,Y,Z),在X’Y’Z’坐標系坐標為(X’,Y’,Z’),將Ｍ點(X’,Y’,Z’)轉換到XYZ坐標系中，根據坐標變換關系27

b將b代入a中，化簡得到說明斜截圓上任意一點的軌跡是球面，即銑削加工的運動軌跡是球面。28*(二)球面銑削原理平面銑削加工的目的，是獲得具有一定平面度或平行度要求的平面零件。29光學加工課程簡介先進光學制造技術先進光學制造技術是為適應現代高科技發(fā)展的需要而興起的超精密加工技術。已經發(fā)展為用數學模型描述工藝過程先、以計算機數字控制為主導的可確定性加工。應該說，光學制造技術幾個世紀以來與光學科學一起歷經了長期的探索，取得了持續(xù)有效的發(fā)展和進步。30(三)銑槽及磨圓弧原理為了便于安裝固定或減輕質量等原因，往往進行銑槽及磨圓弧等加工。31光學加工課程簡介內涵：傳統加工方法不易突破的精度極限微細尺寸加工特殊形狀零件加工特點：多學科交叉超精密化定量化與重復性本課程除介紹傳統的光學加工技術外，將介紹部分具有代表性的先進光學制造技術。32光學制造技術發(fā)展11760-1949年資源經濟時代手工作業(yè)與經典機械21950-1979能源經濟時代電氣自動化和剛性生產方式31980至今信息化時代機電一機化，智能化和集成化先進光學制造技術發(fā)展迅速發(fā)展歷史33光學制造技術發(fā)展發(fā)展方向大型及微型空間光學，天文、航天、激光聚變等等涉及大尺寸光學元件的制造；微小光學的發(fā)展為光學技術的發(fā)展帶來革命性突破，實現光學系統微型化、陣列化和集成化。長波與短波激光與紅外技術；微電子X射線光刻剛性與柔性化大規(guī)模生產的光學制造技術；高精度單件小批高技術生產的柔性化、便捷化與智能化技術13234光學制造技術發(fā)展發(fā)展動力高技術的牽引市場需求推動現代戰(zhàn)爭推動123空間光學激光聚變強激光光纖通信傳統光學元件需求現代光學工業(yè)市場需求間諜衛(wèi)星精確制導夜戰(zhàn)能力35光學制造技術發(fā)展放置圖片36本課程內容提要超光滑表面加工技術4變折射率光