光学零件加工流程综述(完整版).ppt

光学零件加工技术 v概述 光学零件加工技术 光学零件加工技术 光学零件加工技术 v光学零件（按形状分） 透镜： 棱镜： 光学零件加工技术 平面镜： v工艺条件 v特殊零件加工 形状特殊、材料特殊 第一章 光学材料 v一、光学材料的种类 光学玻璃： 光学晶体： KDP类型晶体 第一章 光学材料 光学塑料： 光学玻璃: 是光学设计最常用的光学材料； 为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性 及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程 。 第一章 光学材料 （一）光学玻璃与普通玻璃的区别: 折射率： 普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO 光学玻璃的组成：成分复杂 现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一 种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、 铝等多种氧化物组成。 高度透明： 高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质 一致 第一章 光学材料 （二）光学玻璃的种类 按主要组成成份分： 以SiO2为主要成分的光学玻璃,称之为硅酸盐玻璃；占95% 以B2O3为主要成分的光学玻璃, 称之为硼酸盐玻璃； 以P2O5为主要成分的光学玻璃,称之为磷酸盐玻璃。 硅酸盐玻璃是制造透镜、棱镜等光学零件的主要材料。 v 二、物质的玻璃态 物质按结构分晶体和非晶体。 玻璃态的特点：物质内部氧化物的元素以元素的离子状态存 在，它们之间的排列是没有规律的，无固化点和融化点。 第一章 光学材料 玻璃态：玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的无定形结构 。 又称过冷却液体。 三、玻璃的物理特性 各向同性：指玻璃内部沿任何方向测得的物理性能（如折射 率、热膨胀系数、硬度等）都是同值。 各向异性：沿任何方向测得的物理性能都是不同值。 介稳状态：在一定条件下，物质可能处于相对稳定的状态， 但不是能量最低储存状态，叫介稳状态。 说明玻璃有像晶体转化的趋势。 第一章 光学材料 玻璃从熔融状态向固态转化是连续可逆的。 玻璃无固化点和熔化点。 第一章 光学材料 v四、玻璃的结构 (一)无规则网络学说认为： 1932年 荷兰 查哈里阿生 1、内容： 玻璃的原子、离子、或原子团之间的结合，构成一个连续的 网络体； 网络体呈现出很大的不规则性。 2、一元体系玻璃特性（一元体系玻璃结构）： 例如：SiO2 晶体：石英晶体 玻璃：熔石英玻璃 第一章 光学材料 由一个硅原子和四个氧原子构成的硅氧四面体SiO4。 熔石英玻璃和石英晶体的结构模型如下 石英晶体 熔石英玻璃 第一章 光学材料 化学结构式： 由于在熔石英玻璃结构中，只有Si0键，且键力平衡，结 合牢固。因此，熔石英玻璃具有较高的软化温度、化学稳定 性、机械强度高以及较低的热膨胀系数等特性。 第一章 光学材料 3、二元体系玻璃Na2OSiO2 化学结构式 第一章 光学材料 （二）“晶子”学说 1921年 苏联 列别杰夫 内容： 玻璃由无数“晶子”组成； 所谓“晶子”不同于一般的“微晶”，而是带有点阵变形的有序 排列区； 它们分散在无定形介质区； 从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者之间并无明 显的界限。 强调：远程无序、近程有序。 第一章 光学材料 v 1-2 无色光学玻璃 一、光学玻璃的组成 光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类： 一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3 、P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成 体或玻璃网络体； 另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网 络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于 A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。 第一章 光学材料 v例如：K9的成分 由 SiO2：69.13%；B2O3：10.75%；K2O：6.29%； Na2O：10.40%；As2O3：0.36%；BaO：3.07%。 加入氧化铝（Al2O3），能提高光学玻璃的化学稳定性和机 械强度； 加入氧化铅（PbO）和氧化钡（BaO），可增大光学玻璃折 射率，但化学稳定性降低； 加入氧化钠（ NaCl ），使光学玻璃化学稳定性和机械性能 变差，但可降低熔炼温度；等等。 第一章 光学材料 二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号） 大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌 号的标志。 1、分类划分界限： 按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石 玻璃两大类。 例如：德国规定nd1.6，d50为冕牌类，其余则为火石类 ；日本规定nd1.6，d55为冕牌类，其余则为火石类。 我国光学玻璃标准规定：将玻璃分为2大类，用K代表冕牌玻 璃，F代表火石玻璃。每一大类又进一步按nd及d分为18个 品种。 第一章 光学材料 v 冕 牌 玻 璃（8个）： 火 石 玻 璃（10个）： 第一章 光学材料 2、牌号：ZF9（199） 其中F种类；ZF品种；ZF9牌号 l同一品种玻璃，它的折射率大致相同相差不多。 三、无色光学玻璃的质量指标（七项） （一）折射率、色散系数的允差及一致性 折射率：表示光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播 速度之比。 n=C/V （nd、nF、nc） 色散系数：不同波长的光经过折射后，出射点不同。 用中部色散nF-nc衡量nF-nC nd-1 d= 第一章 光学材料 nd、d的允差（允许差值） 分 0 、 1 、 2 、 3 、 4 四类 u例如：K9： nd=1.5163 0类K9的nd： 1.51581.5168 nd、d的一致性 同一批玻璃中要控制nd、d的差值不能过大。 分 A 、 B 、 C 、 D 四级 nd： 5x10-4 7x10-410x10-4 nF-nc： 5x10-5 7x10-510x10-5 nd： 5x10-5 1x10-42x10-4 nF-nc： 1x10-5 1x10-51x10-5 第一章 光学材料 u例如：K9： nd=1.5163 0类A级时nd的大小 0类： 1.51581.5168 A级： 1.516251.51635 0类A级去它们交集。 选取时： 小批量生产时，高级照相机物镜和高倍的望远镜物镜可选用nd为13 类和d为23类玻璃。大批量生产时选用均为12类的玻璃。 对于望远镜的第二组分和光焦度不大的透镜、目镜、会聚光路上的棱镜 ，可用nd 和d均为34类玻璃。 保护玻璃、分划板、毛玻璃、反射镜、聚光镜、场镜、平行光路中的棱 镜级弯月透镜，对玻璃的nd 和d不做要求。 第一章 光学材料 （二）光学均匀性 1、定义：同一块玻璃中，各部分折射率变化的不均匀程度。 依据/0的比值，分 1 、 2 、 3 、 4 四类。 /0 1.0 、1.1 、1.2 、1.5 根据光学系统选择均匀性： 提高分辨率和高像质观察仪器的物镜，如高精度干涉仪、天文仪、测 地仪、准直仪和显微镜等应用光学均匀性第1类的玻璃。 制作精密的望远镜、瞄准镜、观察镜以及具有高分辨和高像质的复制 镜，用23类玻璃。 对普通的照相物镜，应使用第34类玻璃。 第一章 光学材料 对望远物镜的第二组分、广角物镜的弯月透镜、位置靠近像平面的光 学零件（场景、分划板、棱镜），均可采用第4类玻璃。 对于有一面为毛面的分化镜，均匀性不作规定；对于保护玻璃、棱镜 和滤光镜，其玻璃的均匀性要求可与其位置靠近的零件的均匀性要求相 同。 （三）应力双折射 按o光、e光通过每1cm厚的玻璃产生的光程差大小 分 1 、1a、 2 、 3 、 4 五类 nm/cm 2 、 6 、10 、20 、50 以毛坯光程差最大方向之最大部分测的为准。 第一章 光学材料 选取原则： 干涉仪和天文仪，只能使用双折射为第1类的玻璃。 对于高精度的望远镜、准直镜和复制显微镜的物镜以及反射镜，玻璃 的应力双折射应该是第23类。 照相物镜使用双折射第34类玻璃。 聚光镜、普通仪器的目镜、放大镜采用双折射第45类玻璃。 （四）光吸收系数 E E：表示白光通过1cm厚的玻璃所吸收的光通量与进入该玻璃 光通量之比。 E 0.015=1.5% 第一章 光学材料 分 00、0、1、2、3、4、5、6 八类。 选取原则： 凡是与空气临接面较多，玻璃内光程长度较短（2050mm）的复杂 系统，光的主要损失是反射。因此，这种系统中以及较薄的光学零件， 应采用46类玻璃。 玻璃内光程较长的零件（棱镜、天文和照相仪器的透镜）、光的透过 系数的降低主要是光的吸收造成的，因此这类零件应选用003类玻璃 。 （五）条纹度 按检验条件分 00、0、1、2四类； 按观察方向分A、B、C三级。 第一章 光学材料 选取原则： 对于具有极限分辨率和高像质的干涉仪、天文仪、平行光管以及显微 镜的物镜必须采用C级0类玻璃。 对于目镜、聚光镜、毛玻璃用的玻璃可选用条纹第2类的玻璃。 （六）气泡度 首先按所含最大气泡的直径分为 0、1、2三类； 并按每100立方厘米玻璃内允许含 有的气泡总截面积（平方毫米）分 为A00、A0、A、B、C、D、E七级。 第一章 光学材料 选取原则： 对于位置靠近或处于像平面上的零件，其材料不允许有气 泡，应使用第0类玻璃。 大倍率观察仪器的分划板、分度盘、平行光管、分辨率板 ，应采用0类和1类玻璃。 照相物镜、双筒望远镜和大地测量仪器的物镜，允许选用 2类D、E级玻璃材料。 在望远镜和大口径照像物镜中允许气泡度为E级。 第一章 光学材料 v 1-3 有色光学玻璃 第一章 光学材料 能选择地透过特定波长的光线； 1、作用: 透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线； 均匀地减弱白光的光谱等。 2、组成: 是在基本的无色光学玻璃成分中，加入少量着色剂而 成。 （一）离子着色选择吸收玻璃 着色剂在玻璃中呈离子状态，称离子着色选择吸收玻璃，简 称离子着色玻璃。 离子着色剂，通常采用金属钴、镍、钼、锰、铬、钛、铜的 氧化物。 第一章 光学材料 种类： 透紫外线玻璃（ZWB）、紫色玻璃（ZB）、青色（蓝色） 玻璃（QB）、绿色玻璃（LB）、透红外线玻璃（HWB）、 防护玻璃（FB）、透紫外线白色玻璃（BB等）。 （二）中性玻璃 特点：在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不 改变其光谱成分。 作用：主要是做中性滤光片、减光镜。 牌号：AB1，AB2，AB3，AB10等。 第一章 光学材料 （三）硒镉玻璃 着色剂是采用硒化镉和硫化镉，故称硒镉玻璃。 由于着色剂在玻璃中呈胶态，亦称胶态着色玻璃。 品种：红色（HB） 金色（JB） 橙色（CB） 1硒镉玻璃；2离子着色选择吸收玻璃； 3离子着色中性玻璃 第一章 光学材料 v 1-4 特种光学玻璃 （一）耐辐射光学玻璃 加入多价离子做抑制剂。二氧化铈（CeO2）就是抑制剂之一。 牌号：例如K609 。 Kn09 以K9玻璃为基底耐辐射能力为10伦琴，而且还保持K9 玻璃的光学常数和其它性质。 （二）防辐射光学玻璃 目前我国使用的防辐射玻璃是含铅、含钡量高、密度大的 ZF1、ZF6、ZF7玻璃。 第一章 光学材料 （三）透红外和透紫外玻璃 目前，国内外红外光学材料发展的重点是适用于13m、3 5m和814m波段的光学材料。 1、光学石英玻璃 含SiO2 99.9%，即可以透红外线，又能透过紫外线。 牌号：JGS1、JGS2、JGS3 。 光谱特性：0.24.7m。 2、铝酸钙玻璃 以CaO、Al2O3为主要成分 透过波长：11.5m。 牌号：HWC31。 第一章 光学材料 3、高硅氧玻璃 含SiO2达96%，其性能接近于石英玻璃。它的膨胀系数小， 软化温度高，化学稳定性好，熔制温度比石英玻璃低得多。 （四）石英玻璃 1优良的光谱特性，在0.24.7m光谱范围内。 2耐高温、热膨胀系数小，它的熔化温度在1713以上，软 化温度是158010。 3化学稳定性好，耐碱性差。 4机械性能高。 （五）光学功能材料 激光、电光、声光、磁光等光学功能材料。 第一章 光学材料 v 1-5 微晶玻璃 一、结构 介于玻璃与晶体之间玻璃陶瓷，按Li2O-Al2O3-SiO2做系 统的玻璃。 在玻璃内部各处形成晶核； 经历两个阶段： 形成晶核的玻璃在晶体生长过程中逐渐转 变为陶瓷。 微晶玻璃与普通玻璃的区别主要是具有结晶的结构，而与陶 瓷的主要区别是，它的结晶结构要比陶瓷细得多。 第一章 光学材料 二、微晶玻璃的性能 1、热膨胀系数小 温度160范围内，热膨胀系数均很小，室温膨胀系数接近于零。 2、强度大 微晶玻璃比普通压延玻璃的强度高八倍。 3、硬度高，比重小 硬度比熔石英玻璃高，比重小，约为2.442.62，比铝还轻。 4、稳定性极高 它比目前使用的其它反射镜材料都好。 三、应用 平晶、标准米尺、大型反射镜、激光制导陀螺等。 第一章 光学材料 v 1-6 光学晶体 一、概念 晶体是具有格子结构的固体。 定义：晶体的结构与玻璃不同，即构成晶体内部的质点（原子 和离子），是以点阵的形式在三度空间作有规律的、重 复的排列，构成所谓的格子结构。 格子结构： 空间格子中的点，称为结点；结点在直线上的排列称为行列 ；结点在平面上的分布称为面网；在三度空间中, 空间格子 的最小单位称为平行六面体。 第一章 光学材料 实际晶体的最小单位称为晶胞。 组成晶体多面体外形的平面称为晶面；两个晶面相交而成的 直线称为晶棱；三条晶棱会聚的点称为角顶。晶胞三个棱的 方向称为晶轴。 晶体分为三大晶族，七大晶系，光学晶体多属中级和高级晶 族的晶体，如石英晶体是属中级晶族中的六方晶系；萤石是 高级晶族，属立方晶系。 二、晶体的基本性质 （一）均匀性 晶体内部质点性质和排列方式 都是相同的。 第一章 光学材料 （二）各向异性 晶体内部不同方向上质点性质不同，排列方式也不同所引起的 。 （三）对称性 晶体光轴为对称轴 单轴 （四）自范性（自限性） 晶体具有自发地形成封闭集合多面体外形的性质。 （五）最小内能行及稳定性 第一章 光学材料 三、光学性质 （一）双折射 与晶体结构对称程度有关。 （二）旋光性 当平面偏振波沿光轴方向传播时，偏振面旋转一定角度的现象 。 （三）吸收性和多色性 吸收性：各项异性。 多色性：除等轴晶体外，同一晶体的不同方向上呈现出不同的 颜色。 第一章 光学材料 四、力学性质 （一）解理 解理性：指晶体在外界定向机械力的作用下， 按着一定的方向分裂成光滑平面的能力。 解理面：因解理而成的平面。 断口：依一定方向破裂而成的凹凸不平的表面。 （二）硬度 硬度：表示物体对外来机械侵入所表现的抵抗能力。测定方法 不同，硬度的标准也不同。对晶体最常用的是莫氏硬度 。 第一章 光学材料 磷灰石： 正长石： 滑石： 第一章 光学材料 旧莫氏硬度：（10种） 滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉 、刚玉、金刚石。 新莫氏硬度：（15种） 滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、熔融石英、 石英、黄玉、石榴石、碳化锆、刚玉、碳化硅、碳化硼、金 刚石。 五、晶体的溶解度 晶体的溶解度表示在一定的温度下，该晶体在100g水中所能 溶解的克数。 第一章 光学材料 六、分类及应用 （一）按晶体的用途分类 1、紫外、红外晶体 有石英（SiO2）、萤石（CaF2）、氟化锂（LiF）、岩盐（ NaCl）、硅（Si）、锗（Ge）等。 石英： 第一章 光学材料 萤石晶体： 岩盐： 第一章 光学材料 2、偏振晶体 常用的偏振晶体有方解石（CaCO3）、石英和硝酸钠（硝石 ）等。 方解石： 第一章 光学材料 3、复消色差晶体 利用晶体特殊的色散特性制造复消色差物镜，如萤石与玻璃 组合制成复消色差系统，可以消除球差和二级光谱。 4、激光晶体 可用作固体激光器的工作物质，如红宝石、氟化钙和钇铝石 榴石等。 刚玉： 石榴石： 第一章 光学材料 （二）按硬度和工艺方法分类 1、硬质晶体 硬质晶体的硬度比玻璃高。玻璃的莫氏硬度 约为6，石英晶体、红宝石、钇铝石榴石等， 莫氏硬度在79之间。 2软质晶体 大部分光学晶体均属软质晶体，莫氏硬度为 24。常用的软质晶体有萤石和方解石等。 3水溶性晶体 水溶性晶体的种类很多，例如氯化钠、氯化 钾和ADP（磷酸氰氨）、KDP （磷酸氰钾） 等。 第一章 光学材料 v 1-7 光学塑料 一、光学塑料的组成及种类 （一）组成 在树脂中添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂等。塑料的 基本性质，主要取决于树脂的性质，添加剂对改善塑料的性 能起着重要作用。 第一章 光学材料 （二）分类 光学塑料按其性质分为：热塑性塑料：是线性分子链结构。 热固性塑料：是网状分子链结构。 1、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 高度透明，对可见光的透过率高达92%，并能透过73%的紫 外光。它的折射率为1.492，与冕牌玻璃相近，故称王冕塑 料。 缺点：表面硬度低、易划伤。 优点：冲击强度高、不易碎、质轻、价格低、已成型。 成型方法：浇注成型法、注射成型法、机械加工成型法、热 成型法。 第一章 光学材料 2、聚苯乙烯 它的折射率为1.591。与火石玻璃相近，故称火石塑料。 缺点：强度低，耐热性差。 优点： 自由着色、无臭无味无毒、吸湿性小。 3、烯丙基二甘醇碳酸脂 （CR39） 是目前使用的唯一的热固性光学塑料，通常采用浇铸成型。 缺点：收缩率大、价格贵。 优点：耐磨、抗冲击、抗化学腐蚀性强。 4、苯乙烯丙烯酸酯共聚物 70%的苯乙烯和30%的丙烯酸酯的共聚物。 可调其2者的成 份，成份不同折射率不同。 第一章 光学材料 二、光学塑料的优缺点 优点： 1比重小 光学塑料的比重在0.83-1.4之间，而光学玻璃为2.5-4.7。 2耐冲击强度高 3透红外、紫外性能好 4耐温度骤变能力强 5易成型、成本低 缺点： 1热膨胀系数高，吸水性大 2硬度低、易划伤 3光学常数选择范围有限 4耐溶剂性能差 第二章 光学零件加工的技术要求 v 2-1 光学零件及零件图 一、光学零件种类 1、透镜 第二章 光学零件加工的技术要求 2、棱镜： 3、平面镜：分划板、度盘、码盘 第二章 光学零件加工的技术要求 表面作用： 工作表面：有效表面，它用于光的透射、反射、改变光束方 向或会聚光线等方面。 辅助表面：用于连接、支撑和固定的，又称装夹或安装表面 。 自由表面：用于零件的夹紧或在完成零件基本加工后，为限 制零件的形状和尺寸，去掉多余材料得到的表面 。 二、光学零件图 在光学零件图中要反映以下内容： 反映出零件的几何形状、结构参数和公差； 反映出对光学材料的质量要求； 反映出对光学零件加工精度和表面质量的要求。 第二章 光学零件加工的技术要求 第二章 光学零件加工的技术要求 第二章 光学零件加工的技术要求 第二章 光学零件加工的技术要求 1、反映零件的几何形状、结构的主要尺寸 （1）透镜 表面曲率半径R；曲率中心位置；透镜的中心厚度d； 边缘厚度t；透镜外圆直径D；有效孔径D0； 倒角的位置、角度和宽度等。 （倒角分工艺性倒角和装配性倒角） o1o2 第二章 光学零件加工的技术要求 （2）棱镜 棱镜各面间的夹角； 棱镜的厚度和高度； 倒角和成形截面的位置、角度 和宽度等。 2、对光学材料质量指标和光学零件加工的要求 （1）光学材料质量指标 7项 第二章 光学零件加工的技术要求 （2）光学零件加工要求 透镜 光圈数N；局部光圈数N； 中心偏差C；样板精度R； 表面疵病等级B；光学零件的气泡度q 。 棱镜 N、N、B、q；光学平行差、； 角度误差；两相同角度差值（如45）；尖塔差； 平行平面的平行度公差；屋脊棱镜的双象差；有效孔径。 第二章 光学零件加工的技术要求 3、其它技术要求 如镀膜、刻划及某些面的粗糙度要求等。 增透膜 外反光膜 内反光膜 分光膜 滤光膜 防水膜 保护膜 光热膜 感光膜 第二章 光学零件加工的技术要求 v 2-2 光学玻璃的要求 一、对折射率和色散系数的要求 五类四级 二、对光学均匀性的要求 四类 三、对应力双折射的要求 五类 四、对光吸收的要求 八类 五、对条纹度的要求 四类3级 六、对气泡度的要求 三类7级 第二章 光学零件加工的技术要求 v 2-3 对光学零件的要求 一、对光学样板的要求 （R） 光学样板半径所允许的半径偏差R， 根据其大小分为A、B两级。它不仅能 检查R的大小，还能检查R的变化。 第二章 光学零件加工的技术要求 二、对光圈数N和局部光圈N的要求 零件表面与样板表面之间存在的偏差， 用两表面间空气隙所产生的干涉条纹 数N和N表示。 N表示整个表面的面形偏差； N表示零件表面的局部偏差。 N1=3，N1=0.3 N2=2，N2=0.2 第二章 光学零件加工的技术要求 光学零件种类 光学表面的允许误差 光圈数N局部光圈N表面疵病等级B 物 镜 瞄准和天文仪 望远镜 航空摄影机 照相机 1-3 3-5 1-3 3-5 0.2-0.3 0.3 0.1-0.5 0.3-0.5 - - - 显微镜 低于10倍 10-40倍 高于40倍 2-3 1-2 0.5-1.0 0.2-0.5 0.1-0.2 0.05-0.10 接目镜、放大镜3-50.5-0.8- 棱 镜 反射面 折射面 0.5-1.0 2-4 0.1-0.3 0.5-1.0 - - 光栅盘和分划板 保护玻璃物镜前滤光镜 目镜前或后的滤光镜 中等精度的反射镜 5-10 3-5 5-10 0.5-1.5 1.0-2.0 0.3-0.5 0.8-2.0 0.1-0.3 1-10-1-30 - - 第二章 光学零件加工的技术要求 三、对透镜中心偏差的要求 C 1、定义：指透镜外圆的几何轴与光轴在曲率中心处的偏离量 ，用C表示。中心偏差会使轴上象点产生慧差、象散等象差 。 第二章 光学零件加工的技术要求 四、对透镜的厚度公差和空气间隙的要求 厚度公差的最小单位 0.01。空气间隙 第二章 光学零件加工的技术要求 五、对表面疵病的要求 光学零件的表面疵病，系指抛光后的光学表面存在的麻点、 划痕、开口气泡和破边等，用符号B表示。 六、对光学零件气泡度的要求 标注方法有三种： 1、只规定气泡大小，不限数量。 如q =0.01，表示整个表面只允许直径小于0.01mm的气泡， 数量不限。 第二章 光学零件加工的技术要求 2、分区限制气泡的大小与数量 如q =(2)0+(10)0.013+0.025。 小于2mm：不允许有气泡； 210mm：d10mm，单面余量为0.200.25mm。 4、定心磨边边余量 最少0.6mm，最多3.0mm。 六、光学零件毛坯尺寸的计计算 双凸透镜： 双凹透镜： 弯月透镜： 第三章 光学零件的毛坯生产 块料毛坯（小批量） 毛坯是光学零件的初型： 型料毛坯（大批量） 棒料毛坯 v 3-1 块料毛坯生产 块料毛坯是用玻璃块加工而成的毛坯。 主要加工工序有：锯切、整平、划割、 滚圆、开球面。 一、锯锯切 玻璃的切割主要采用金刚石锯料机。 第三章 光学零件的毛坯生产 按其进给机构的特点，可分为重锤进给、丝杠进给和液压进 给三种。 （一）重锤进给 重锤进给又称弹性进给。锯料机的重锤进给机构工作原理如图 。 （二）丝杠进给 丝杠进给又称刚性进给。机构工作原理如图。 第三章 光学零件的毛坯生产 （三）液压进给 介于弹性进给和刚性进给之间。液压进给机构传动平稳，适 合精密下料。锯切的线性尺寸精度可达0.05mm，角度精度 可达5。 常用的金刚石锯片有外圆锯料机上用的烧结金刚石锯片（如 左图）和内圆切割机上用的电镀金刚石锯片（如右图）两种 。 第三章 光学零件的毛坯生产 二、整平 整平是把锯切后的坏料不平整的表面磨平，并修磨厚度和两 面的平行度，或修磨角度等。 整平的方法： 散粒磨料研磨和金刚石磨轮铣磨两种。 三、划割 常采用金刚石玻璃刀（或滚刀）进行 划割加工。 第三章 光学零件的毛坯生产 四、滚圆滚圆 圆形零件的毛坯，整平后胶成长条进行磨外圆，称作滚圆。 常用方法有：在平磨盘上用散粒磨料滚圆。 在外圆磨床上用砂轮磨外圆。 五、开球面 透镜毛坯的开球面，是将滚圆后的毛坯磨成 球面，使其达到零件粗磨完工后的曲率半径 和中心厚度的要求，所以开球面亦称粗磨。 开球面有两种方法: 散粒磨料研磨法 金刚石磨轮铣磨 第三章 光学零件的毛坯生产 球面曲率半径的检验: 金属弧形样板检验 贴置模检查擦贴度 厚度: 用千分尺测量； 表面粗糙度: 用肉眼观察，无砂眼和擦痕即可。 第三章 光学零件的毛坯生产 v 3-2 型料毛坯的生产 光学玻璃零件的型料毛坯加工方法有：热压成型、浇铸成型 等多种方法。 热压成型毛坯的主要工艺过程包括：备料、加热、压制成型 、退火。 一、备备料 通过计算重量、下料、修选、滚磨等工序，制成热压成型的 坯料。 二、加热热拍型 加热是使坯料升温到塑性变形温度，以便软化成型。 第三章 光学零件的毛坯生产 三、压压制成型 料软化拍型后，即可送到压力机上的 压模内压制成型。根据毛坯直径大小不 同，压制时间一般在0.53s之间。 四、退火 退火的目的：为了消除玻璃在热压成型过程中产生的内应力和 光学常数的不均匀性。 退火可分为粗退火和精密退火两个阶段。 第三章 光学零件的毛坯生产 1、粗退火 粗退火是为了防止刚脱模的压型毛坯因急冷而变形炸裂。 粗退火的方式有两种：电炉退火和草灰退火。 2.精密退火 目的：使同一批玻璃的每块毛坯，达到光学常数的高度一致性 。 第三章 光学零件的毛坯生产 v 3-3 棒料毛坯的生产 一、棒料的成型 二、用棒料生产产毛坯 用棒料生产毛坯的一般工艺过程为：切割、开球面。 第三章 光学零件的毛坯生产 棒料的切割可采用如下方法： 1、内圆切割法 2、单锯片多棒切割法 第三章 光学零件的毛坯生产 3、排锯切割法 第四章 光学零件的粗磨 目的: 是将块料或型料毛坯加工成具有一定几何形状、尺寸精 度和表面粗糙度的工序。 粗磨的方式：散粒磨料加工法 固着磨料加工法 v 4-1 散粒磨料粗磨 散粒磨料粗磨是指用金刚砂和水搅拌而成 的磨料在磨盘对玻璃工件进行的粗加工。 一、加工原理 仿型法 第四章 光学零件的粗磨 1、粗磨球模形状：磨凸面零件用凹球磨 磨凹面零件用凸球磨 2、粗磨工序 粗磨球面一般要用从粗到细三道磨料加工。 第一道磨料粒度的选择要根据加工工件弧高大小而定。 单件弧高大于1mm时，第一道磨料粒度粗于180#； 单件弧高在0.41mm时，选用180磨料； 单件弧高小于0.4mm时，选用240#或280#磨料。 第二道、第三道粗磨磨料力度选择比第一道磨料粒度要依次 减小1、2个粒度号。粗磨完后表面粗糙度要求达1.6m，相 当于W40或W28磨料加工的表面。 第四章 光学零件的粗磨 注意：磨凸面用凹球模，磨凹球面用凸球模。 粗磨用球模的材料多为铸铁。 三道磨料不同，三道球模曲率半径也不一样。 3、粗磨检验 在粗磨过程中应随时检查偏心量和厚度公差。 第四章 光学零件的粗磨 检验：检验点 对凸球面 检验环 对凹球面 凸球面零件：第一道砂完后，中心留24mm圆台。 第二道砂完后，检验 点被磨去自身直径的1/22/3 。 第三道砂完后，检验 点消失，查看擦贴度是否达1/22/3 。 凹球面零件：第一道砂完后，检验环宽度大于1mm。 第二道砂完后，检验环宽 度大于0.3mm。 第三道砂完后，检验环 消失，查看擦贴度是否达1/22/3 。 第四章 光学零件的粗磨 二、散粒磨料研磨机理 主要是尖硬的磨料颗粒对玻璃表 面的机械破碎去除过程，水解作 用是次要的。 注意：在加工过程中，首先起作用是粒度较大的磨料颗粒， 大致占所加磨料的15%左右 璃被去除的同时，磨盘表面也会有微量的磨损， 研磨中水的作用，一是均匀分布磨料的作用；二是冷 却作用；三是水解作用。 第四章 光学零件的粗磨 v 4-2 球面铣削加工 铣削加工，又称范成法加工。所谓范成法是利用磨轮刃口轨 迹包络面成型球面的方法。是一种固着磨料加工方法。 第四章 光学零件的粗磨 一、球面铣铣削原理 条件：金刚石磨轮刃口通过工件顶点。 磨轮轴线和工件轴线相交于O点。 两轴夹角为。 磨轮绕自身轴高速旋转，工件绕自身轴低速转动。 第四章 光学零件的粗磨 二、磨削机理 概括地讲，磨削是一种脆性材料的多刀刃切削去除过程。 当在金刚石棱尖施加一定的压力，并沿玻璃滑动时，玻璃表 面将被破坏，出现一个具有一定宽度和一定开裂角的划痕， 同时在划痕下面有一深入玻璃表面内部的裂纹。 第四章 光学零件的粗磨 v 4-3 球面铣削加工 一、磨料 （一）种类类 主要的天然磨料有：金刚石、刚玉（Al2O3）和金刚砂等。 常用的人造磨料有：人造金刚石、人造刚玉、碳化硼（B4C） 、 人造碳化硅（SiC）等。 在粗磨及精磨中，使用最多、效率最高的磨料是碳化硅。其莫氏硬度为 9.59.75。 （二）粒度 磨料的粒度是指其颗粒的大小。 分为筛选法和水选法。 筛选法：粒度号用一英寸长度上有多少个筛孔数来命名的。 如60粒度，是指一英寸长度上有60个筛孔，依次类推。 第四章 光学零件的粗磨 水选法： 其粒度号表示磨料的实际尺寸。 如W20，表示该号微粉的颗粒上限尺寸为20m。 二、磨具 （一）金刚刚石磨具特征标标志 （1）磨料种类：人造金刚石磨料，标志为JR， 天然金刚石磨料，标志为JT。 （2）粒度：常用80W5。 （3）硬度：常用Z（中），ZY（中硬），Y（硬）。 （4）浓度：常用25%，50%，70%，100%。 （5）结合剂：有树脂结合剂（S），青铜结合剂（Q）， 陶瓷结合剂（A），电镀结合剂（D）。 第四章 光学零件的粗磨 （6）形状：有平行轮（P）、薄片轮（PB）、杯形轮（B）、碗形一号 轮（BW1）、碗形二号轮（BW2）、蝶形一号轮（D1）、 蝶形二号轮（D2）、单面凹轮（PDA）、双面凹轮 （PSA）、简形轮（NP，NH）、切割轮（PBG）等。 （7）外径：代号D （8）厚度：代号H （9）孔径：代号d （10）金刚石层环厚：代号b （11）金刚石层层厚：代号h （12）金刚石角度：代号 第四章 光学零件的粗磨 （二）金刚刚石磨具特性参数的选择选择 1、粒度 金刚石磨具的粒度对磨削效率和表面粗糙度的影响正好相反。 一般铣削用的磨具粒度，范围在80120。 2、结合剂 目前，国内外使用四类结合剂。耐磨性由弱到强的顺序为： 树脂结合剂；陶瓷结合剂；金属结合剂；电镀结合剂。 3、硬度 磨轮的硬度是指磨具表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度 。 第四章 光学零件的粗磨 4、浓度 浓度：是指在磨具金刚石层内每立方厘米的体积内含有金刚石 的重量。规定每立方厘米中含有4.4克拉金刚石作为 100%浓度。 v 4-4 铣磨加工中的工艺参数的选择 一、磨头转头转 速 磨头转速是由机床性能决定的。 CG2.0、CG-W100S、CG-W30S、LOH厂的RF1、RF2。 磨轮边缘线速度又称磨削速度，其速度在1235m/s，磨削 效果较好。 第四章 光学零件的粗磨 二、工件转转速 工件线速度实际上是进给速度. 一般选150250mm/min较 为合理。 三、铣铣磨深度 铣磨深度是指工件转动一周的吃刀量。 四、冷却液 1、作用 冷却液具有冷却、润滑和清洗作用。 2、种类 水溶性冷却液、乳化液冷却液、油性冷却液。 第四章 光学零件的粗磨 v 4-5 铣削球面几何形状精度分析 铣磨球面的几何形状误差，包括球面曲率半径误差和厚度误差 。 一、影响球面曲率半径精度的误误差 （一）角度调调整误误差和磨轮轮刃口尺寸误误差 （1）d0(即比理论值大)，则曲率半径R减小；反之则反。 （2）d一定时，愈小（即R愈大），dR愈大。 （3）磨轮r误差dr对曲率半径的影响是：对凸球面，r增大（刃口变钝），R 减小；对凹球面，r增大，|R|增大； （4）磨轮中径Dm的误差dDm对曲率半径误差的影响是dDm0,则|R|增大 。 （5）当d、dr和dDm为一定时，越大，dR越小。 第四章 光学零件的粗磨 （二）中心调调整误误差的影响 中心调整误差是指经过角度调整之后，磨轮端面刃口并未正 好处于工件表面中心，而存在一定的偏离差。 外包 内包 第四章 光学零件的粗磨 （三）磨轮轴轮轴 与工件轴轴共面调调整误误差 铣磨机使用时，一般不作磨轮轴与工件 轴共面误差的调整，而由机床装校保证。 如果存在磨轮轴与工件轴的共面误差h， 球面方程将变为高次曲线的回转面。 （四）磨轮轴轮轴 和工件轴轴径向跳动动的影响 径向跳动的影响，将使工件表面产生非球面误差。 磨轮轴与工件轴径向跳动允差在0.0050.01mm范围内，对 球面半径精度影响不大。 第四章 光学零件的粗磨 二、影响透镜镜中心厚度误误差的因素 （一）磨轮轴轮轴 和工件轴轴轴轴 向跳动动的影响 一般铣磨机两轴的轴向跳动量均为0.005mm。因此，轴向跳 动影响的最大误差是0.01mm。 （二）夹夹具精度对对透镜镜中心厚度的影响 主要是由于夹具制造误差和对夹具使用不当造成的。 v 4-6 铣磨球面产生的表面疵病 铣磨球面产生的表面疵病常见的有： 菊花纹（细密振纹）、宽疏菊花纹、麻点、擦贴圈有缺口（或 中间环带脱空）和球面偏心等。 第四章 光学零件的粗磨 一、菊花纹纹和宽宽疏菊花纹纹 （一）菊花纹纹 产生原因：是磨头误差与振动影响造成的， 磨头预紧 力的大小对菊花纹也有一定影响。 判断内包与外包： （二）宽宽疏菊花纹纹 产生原因：工件主轴的轴向窜动。 第四章 光学零件的粗磨 二、麻点 产生原因：磨轮线速度选择不当，进刀速度 与工件转速配合不好。 三、几何形状的疵病 （一）擦贴环带贴环带 有缺口 产生原因：光刀时间不够或者密封圈过厚。 检验检验 方法： 金属样板卡工件被加工表面 擦贴度法 简易球径仪测失高检查被加工表面 第四章 光学零件的粗磨 （二）擦贴环带贴环带 脱空 产生原因：机床工件主轴轴线 与磨头轴线 不相交。 一般两轴线不相交允差0.03mm。 （三）球面偏心 产生原因：夹具定位面的偏心。 第四章 光学零件的粗磨 作业： 1、绘图说明凹球面铣削成型原理，推导计算角公式 。 2、双凸透镜，外径20mm，R=24.21mm，d=8mm， 磨轮外径23mm，内径15mm，r=2mm，求？ 第五章 光学零件的精磨 目的：减小零件表面的凹凸层深度，并提高其均匀性； 进一步改善零件表面的面形精度及有关尺寸精度，以 满足抛光对零件表面结构和形状的要求。 方法：散粒磨料精磨、固着磨料精磨。 v 5-1 散粒磨料精磨 第五章 光学零件的精磨 光学零件的精磨一般用两道砂，即用两种粒度不同的磨料。 若第一道砂的磨料粒度为为W28，第二道砂的磨料粒度则为则为 W14。 有些特殊零件需要三道或四道砂，磨料粒度可选用W28、W14 、W10、W7等。 精磨工艺因素主要包括如下几点： 精磨模与镜盘的相对尺寸； 顶针的摆幅； 顶针的前后伸缩量； 主轴转数与顶针摆 速。 第五章 光学零件的精磨 v 5-2 金刚石高速精磨 一、金刚刚石高速精磨磨具 金刚石高速精磨磨具是采用金刚石 精磨片，按一定的排列方式，用胶 粘结在磨具基体上，并通过修磨而 成。 第五章 光学零件的精磨 （一）球面金刚刚石精磨模的形式 无论是凸精磨模还是凹精磨模。均由 精磨片、粘结剂结剂 和磨具基体构成。 （二）球面金刚刚石精磨模的曲率半径 取被加工球面抛光完工后的曲率半径名义尺寸。并按精磨后 的光圈比抛光完工后的光圈低几道光圈来修磨曲率半径。 一 般高速精磨预留35N，散粒磨料精磨预留510N。 凸球面：RcmRtmRjm1Rjm2Rpm 凹球面：Rcm3）需对抛光面做好防腐 蚀保护。 第五章 光学零件的精磨 （三）光胶上盘盘 将光胶工具擦净后放到垫板上，再将 擦净的棱镜光胶面贴到工具光胶面上， 这时出现清晰的干涉条纹，轻轻挤压 去 光胶面的空气，条纹即消失，就形成光 胶。再将光胶工具光胶到垫板上，最后 再所有的光胶面缝隙处涂保护漆即可。 优优点：能得到较高的角度精度。 缺点：要求光胶工具精度高。对表面疵病要求高的棱镜，其光 胶面有一定的局限性；光胶盘不宜受到剧烈震动和温度 骤变。 第五章 光学零件的精磨 （四）靠体上盘盘 以靠体的角度精度和平行度来保证 工件的精度。实际上，光胶上盘也是 靠体上盘的一种。将工件胶到靠体上， 然后将靠体固定到平模上。 优优点：加工精度高；对抛光面不易腐蚀；不需单件手工修整角 度；有些工件胶上靠体后，只需翻动靠体就可连续加工 多个面。 缺点：靠体精度要求高，制造困难。 第五章 光学零件的精磨 v 5-6 影响精磨的工艺因素 一、散粒磨料加工 （一）摆摆幅的大小 摆幅就是上模摆动的幅度。摆幅越大，上模的中部与下模 的边缘磨削较多。因此摆幅大小应合适。 对于平模，上模摆动的距离为下模直径的0.450.65范围内； 对于球模，上模摆动的角度为下模张角2的0.40.55范围内 。 第五章 光学零件的精磨 （二）顶针顶针 的前后伸缩缩 上模中心与下模中心的偏离；偏离越大，上模的中部和下模 的边缘磨削较多。 对于平面，偏离量可取摆幅大小的00.1，对于球面为00.4 。 （三）主轴转轴转 速与上模摆摆速之比 就是主轴转速与偏心轮转速之比。主轴转速越大，下模边 缘磨削越大；偏心轮转的越快，上模与下模中心部分磨的 越快。 对于平面为，主轴转速为摆幅的0.40.8倍； 对于球面为，主轴转速为摆幅的12.5倍。 第五章 光学零件的精磨 （四）注意事项项 磨料粒度要均匀，它是精度质量的关键之一； 每次加磨料时，要均匀散开，不宜成团的添加； 磨料悬浮液不应太稀或太稠，否则易划出划痕； 每次更换磨料时，工件及镜盘应 刷洗干净，机器台面也应 擦拭干净； 精磨完毕，应用放大镜检查 表面有无粗砂眼或划痕； 应经常检查精磨面的曲率半径或平面度，发现变 化较大时 ，应及时修整模具。 第五章 光学零件的精磨 （五）常见见疵病及产产生原因 第五章 光学零件的精磨 二、高速金刚刚石磨具加工 （一）机床主轴转轴转 速 玻璃的磨削量与机床主轴的转速成正比。 （二）镜盘压镜盘压 力 玻璃的磨削量与镜盘的压力成正比。 （三）加工时间时间 的影响 玻璃的磨削量与加工时间成正比。 （四）工件初始表面粗糙度 工件初始表面粗糙度影响高速精磨的精度，粗糙度越大，玻 璃的磨削量越大，精磨后的粗糙度越大。 第五章 光学零件的精磨 （五）光圈匹配 光圈匹配指被加工镜盘的曲率半径与最后完工的曲率半径之 间的差别；一般情况，镜盘的要比完工的光圈低34个光圈 。 （六）金刚刚石精磨片的覆盖比 覆盖比与磨削量成反比，对于大球面，覆盖比取小些，对于 小球面，覆盖比取大些。 第五章 光学零件的精磨 （七）常见见疵病及产产生原因 第五章 光学零件的精磨 第六章 光学零件的抛光 目的：去除精磨的破坏层，达到规定的表面疵病等级要求； 精修面形，达到图纸要求的光圈和局部光圈数，形成 光滑透明的表面。 抛光方法：古典抛光法、高速抛光法、计算机数控抛光法。 本章的学习习重点：（1）抛光机理； （2）光圈识别； （3）准球心高速抛光工艺； （4）抛光模层材料与抛光剂； （5）抛光液的PH值控制。 难难点：（1）抛光机理；（2）光圈识别； （3）抛光液的PH值控制。 第六章 光学零件的抛光 v 6-1 抛光机理 大致可以归纳为 三种理论： 机械去除理论论、化学作用理论论、热热的表面流动动理论论。 一、机械去除理论论 认为认为 ：抛光是研磨的继续，抛光与研磨的本质是相同的， 都 是尖硬的磨料颗粒对玻璃表面进行微小切削作用的结 果。 由于抛光是用较细颗 粒的抛光剂，所以微小切削作 用 可以在分子范围内进行。由于抛光模与工件表面相互 吻 合，抛光时切向力特别大，因此使玻璃表面的凹凸结 构 被切削掉，逐渐形成光滑的表面。 第六章 光学零件的抛光 机械去除理论的主要实验依据： （一）与研磨一样，零件抛光后重量明显减轻。 通过实验测得，被抛掉的玻璃颗粒尺寸平均为11.2nm。 （二）抛光表面有起伏层和机械划痕 用氧化铈抛光时，零件表面凹凸层厚度为3090nm。用氧 化铁抛光，凹凸层厚度为2090nm。 （三）抛光剂的粒度和硬度对抛光速率有重要影响 实验表明，抛光粉粒度在一定范围内，粒度愈大，抛光速率 愈高。 第六章 光学零件的抛光 （四）抛光速率与压力、相对速度成线性关系 （五）磨料也能用作抛光剂 磨料很细而且加工压力很小时，也能作为抛光剂。如碳化硼 （B4C）和刚玉（Al2O3）,本属磨料，但其粒度直径为0.5m 左右时，也能用于玻璃抛光。 二、化学作用理论 认为认为 ：抛光过程是在玻璃表层、抛光剂、抛光模和水的作用 下，发生错综复杂的化学过程。主要是玻璃表面发生 的 水解过程，是水解生成物硅酸凝胶薄膜不断生成和 不断刮除的过程。 第六章 光学零件的抛光 化学作用理论的实验依据如下： （一）水与玻璃的作用 1. 水的作用 用纯乙二醇代替水，抛光速率低，含水量增加，抛光速率增大 。 2玻璃的水解反应 Na2SiO3 + 2H2O = H2SiO3 + 2NaOH （二）抛光液PH值的影响 理论分析和实验结果表明：大多数光学玻璃时不耐碱的；至于 耐酸的程度，则视光学玻璃的牌号不同而异。 大多数光学玻璃，在弱酸性(PH=5.56.5)抛光液中抛光，具 有较高的速率和表面质量。 第六章 光学零件的抛光 （三）添加剂对抛光的影响 添加剂包括加速剂、稳定剂、消泡剂等。 u结果表明：硝酸锌是一种比较有效的添加剂。在氧化铈抛光 液中，加入5%的硝酸锌（对氧化铈的重量比），使火石玻 璃抛光速率提高一倍多，钡冕玻璃也提高近一倍。 （四）抛光剂的作用 在抛光过程中抛光剂基本上以两种作用参与抛光。 u其一是以抛光剂颗粒的坚硬特性，在模具和机床的作用下， 对玻璃表面的硅胶层进行微小的切削，使玻璃露出新表面， 进而继续水解； u其二是以抛光剂颗粒表面的吸附特征，使硅胶层以分子级程 度被抛光剂吸附而剥落。 第六章 光学零件的抛光 （五）抛光模的作用 u光学零件抛光时，抛光模层不仅起着承载抛光粉的作用，用 时也起一定的化学作用。 u抛光柏油中含有树脂酸，其官