光学零件工艺学

1、光学零件工艺学第一页，共78页。第六章 抛 光 光学零件的抛光是获得光学表面最主要的工序。其目的：一是去除精磨的破坏层，达到规定的表面质量要求，二是精修面形，达到图纸要求的光圈和局部光圈，最后形成透明规则的表面。 第二页，共78页。光学零件的抛光工艺 玻璃抛光机理玻璃抛光机理光圈的识别光圈的识别古典法抛光工艺古典法抛光工艺高速抛光工艺高速抛光工艺第三页，共78页。玻璃抛光机理 玻璃抛光机理玻璃抛光机理 抛光是获得光学表面的最主要工序。其抛光是获得光学表面的最主要工序。其目的目的 消除消除精磨的破环层，达到规定的表面要求；经修面形，精磨的破环层，达到规定的表面要求；经修面形，达到图纸要求的光圈数

2、达到图纸要求的光圈数N N和局部误差。也就是在玻和局部误差。也就是在玻璃或其它光学材料上，产生规则的透明表面。璃或其它光学材料上，产生规则的透明表面。 抛光的本质是抛光的本质是机械机械、化学化学和和物理物理三种作用综合三种作用综合的结果。的结果。第四页，共78页。机械磨削 机械磨削机械磨削 抛光与研磨的本质是相同的，都是坚硬的磨料对玻抛光与研磨的本质是相同的，都是坚硬的磨料对玻璃表面进行微小切削作用的结果。由于抛光是用较细璃表面进行微小切削作用的结果。由于抛光是用较细的磨料，所以微小切削作用可以在分子范围内进行，的磨料，所以微小切削作用可以在分子范围内进行，使玻璃表面凸出部分被切削掉，逐渐形成

3、光滑的表面。使玻璃表面凸出部分被切削掉，逐渐形成光滑的表面。实验根据是实验根据是 抛光表面有起伏现象抛光表面有起伏现象 当磨料很细时，精磨也能将玻璃抛光当磨料很细时，精磨也能将玻璃抛光 抛光玻璃重量明显减轻抛光玻璃重量明显减轻 抛光效率与抛光剂颗粒大小有关系抛光效率与抛光剂颗粒大小有关系 抛光效率与速度、压力有关系抛光效率与速度、压力有关系第五页，共78页。表面流动理论 表面流动理论表面流动理论 玻璃表面由于摩擦和相对运动产生热量，致使表玻璃表面由于摩擦和相对运动产生热量，致使表面产生塑性流动，使表面凸起将凹陷填平。实验根面产生塑性流动，使表面凸起将凹陷填平。实验根据是据是 玻璃表面分子的流动

4、而掩盖了划痕玻璃表面分子的流动而掩盖了划痕 抛去玻璃的重量与抛去玻璃的厚度不对应抛去玻璃的重量与抛去玻璃的厚度不对应 软化点高的玻璃，抛光效率低软化点高的玻璃，抛光效率低第六页，共78页。化学作用 化学作用化学作用 抛光过程是水、抛光剂、抛光模和玻璃之间化学作用抛光过程是水、抛光剂、抛光模和玻璃之间化学作用的结果。化学作用主要是再玻璃表面发生水解作用。实验的结果。化学作用主要是再玻璃表面发生水解作用。实验根据如下根据如下 水对玻璃的作用水对玻璃的作用 抛光模材料的化学作用抛光模材料的化学作用 抛光剂的化学作用抛光剂的化学作用 抛光液抛光液PHPH值的影响值的影响 添加剂的化学作用添加剂的化学作

5、用 玻璃的化学作用玻璃的化学作用第七页，共78页。6-2 样板检验原理 被检验光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏被检验光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差差 若两者的面形（球面或平面）不一致，存在微小误若两者的面形（球面或平面）不一致，存在微小误差时，就形成一个楔形空气隙，类似一个薄膜，从差时，就形成一个楔形空气隙，类似一个薄膜，从而产生薄膜干涉现象。而产生薄膜干涉现象。 若用单色光源，空气隙呈环形对称时，则产生明暗若用单色光源，空气隙呈环形对称时，则产生明暗相间的同心圆干涉环，用白光照射产生彩色圆环。相间的同心圆干涉环，用白光照射产生彩色圆环。这些圆环称作光圈，又叫牛顿环。这些圆

6、环称作光圈，又叫牛顿环。 光学零件面形偏差是在圆形检验范围内，通过垂直位光学零件面形偏差是在圆形检验范围内，通过垂直位置所观察到的光圈数目、形状、变化和颜色来确定的，置所观察到的光圈数目、形状、变化和颜色来确定的，并且面形误差用光圈数表示，所以，样板检验亦称并且面形误差用光圈数表示，所以，样板检验亦称“光圈检验光圈检验”。第八页，共78页。光圈的识别 光圈的识别光圈的识别 对光学零件的抛光一般要达到两个对光学零件的抛光一般要达到两个目的目的光学表面疵病符合规定的等级光学表面疵病符合规定的等级光学表面几何形状达到规定的要求光学表面几何形状达到规定的要求光学样板检验原理光学样板检验原理 光学零件的

7、表面精度是与光学样板比较而鉴别光学零件的表面精度是与光学样板比较而鉴别出来的。光学零件的面型精度包括出来的。光学零件的面型精度包括曲率半径偏差曲率半径偏差、像散偏差像散偏差和和局部偏差局部偏差三个内容。三个内容。第九页，共78页。图6-3 光圈检验原理a-干涉现象；b-干涉原理； 1-样板；2-工件第十页，共78页。（一）（一）光圈数光圈数N与空气隙厚度与空气隙厚度h的关系的关系 两束光的光程差表达式为：式中， -与干涉条纹对应的空气隙厚度； -折射角； -入射光的波长。当 时，产生第k级亮条纹。当 时，产生第k级暗条纹。 第k级和k1级亮条纹，所对应的空气隙厚度为 和 ，由下式表示： 2co

8、s2hihi2cos222hik2cos(21)22hikkh1kh/ 22 coskkkhi11(1)/22coskkkhi第十一页，共78页。 则相邻亮条纹空气隙厚度差近似为： 相邻两道光圈之间的空气隙厚度，近似等于二分之一波长，即一道光圈相当空气隙厚度为。则总的光圈数N与空气总厚度 之间的关系为： 光圈，即干涉条纹的形状是由空气隙等厚层的轨迹决定的，即同一级干涉条纹对应的空气隙厚度是相等的。利用干涉条纹的数量和不规则程度，可以判定球面的面形误差。 12cos2kkhhhi /2hN 第十二页，共78页。（二）（二）光圈数光圈数N与曲率半径偏差与曲率半径偏差R的关系的关系光学零件曲率半径与

9、工作样板半径之间的偏差，以干涉条纹光学零件曲率半径与工作样板半径之间的偏差，以干涉条纹数，即光圈数数，即光圈数N表示。值不仅取决光圈数表示。值不仅取决光圈数N、零件与样板的接、零件与样板的接触口径触口径D（在此口径范围内显示于涉环）干涉光的波长，还取（在此口径范围内显示于涉环）干涉光的波长，还取决于样板是沿边缘接触（低光圈），还是在中部接触（高光决于样板是沿边缘接触（低光圈），还是在中部接触（高光圈）。圈）。样板与透镜沿边缘接触情况样板与透镜沿边缘接触情况 第十三页，共78页。22(2 )RND-透镜曲率半径222/222/8DNRDR -透镜曲率半径偏差 RR-直径之半 D-零件与样板接触口

10、径 pN-光圈数 -入射光波长 光圈数与半径偏差的关系是：224DNRR第十四页，共78页。（三）光圈半径（三）光圈半径 与波长与波长 的关系的关系 为第 级暗条纹所对应的空气层厚度 为 级暗条纹对应的干涉条纹半径， 为透镜的曲率半径。 满足暗条纹条件为 = hrkhkkrkR222kkkrRhhkrkR2(21)22krkR第十五页，共78页。（四）相邻光圈的间隔（四）相邻光圈的间隔 与干涉级的关系与干涉级的关系 当k0时 当k逐渐增大时， 愈来愈小,即 逐渐减小，以致眼睛无法分辨，k的极限可由物理光学得知 : 为人眼所能分辨的波长范围,用白光照射平均波长 条1(1)kkrrrRkk rrR

11、 1kk rk0.5 mmax5005010k第十六页，共78页。 由此得出。用白光检验时，干涉条纹超过50条，就无法分辨了。将k50代入暗环光程差公式： 由此可知，用白光检验时，与k =50对应的最大空气隙厚度不能超过12.5 ，否则就看不到光圈。2(21)220.5 50/212.52hkkhm m第十七页，共78页。二、光圈的识别与度量 低光圈低光圈: 用样板检验工件时，如果两者在边缘接触，用样板检验工件时，如果两者在边缘接触，当空气隙缩小时，条纹从边缘向中间移动，则称低当空气隙缩小时，条纹从边缘向中间移动，则称低光圈光圈 高光圈高光圈:用样板检验工件时，如果两者在中间接触，用样板检验工

12、件时，如果两者在中间接触，当空气隙缩小时，条纹从中心向边缘移动，则称高当空气隙缩小时，条纹从中心向边缘移动，则称高光圈光圈 。 第十八页，共78页。识别光圈高低常用方法有三种识别光圈高低常用方法有三种 ： 1. 周边加压法周边加压法 ：此方法适用于光圈：此方法适用于光圈N1的判的判断。断。 采用周边加压法，识别光圈高低的原理是，采用周边加压法，识别光圈高低的原理是，将样板置于零件上，两者间存在空气隙，在将样板置于零件上，两者间存在空气隙，在样板周边加压时，则使空气隙由厚变薄，即样板周边加压时，则使空气隙由厚变薄，即空气隙由大变小。这样与对应的干涉条纹也空气隙由大变小。这样与对应的干涉条纹也随之

13、移动。对于低光圈，空气隙随之移动。对于低光圈，空气隙,等厚层的移等厚层的移动方向是由边缘移向中心，因此，与等厚层动方向是由边缘移向中心，因此，与等厚层对应的干涉条纹也随之从边缘向中心移动。对应的干涉条纹也随之从边缘向中心移动。高光圈识别，正好与此相反。高光圈识别，正好与此相反。 第十九页，共78页。第二十页，共78页。2. 边缘点力法：在样板边缘某一点轻轻加压，使其另一端浮起，则形成楔形空气隙，从而产生干涉条纹。它是根据干涉条纹的弯曲方向和弯曲程度来识别和度量光圈的。如果工件为理想平面，用平面样板（平晶）检验零件时，则呈现平直条纹，由于浮起程度不同，条纹数目也随之增减 第二十一页，共78页。如

14、果工件为高光圈 ，见图：设样板面为A、B、C、D，加工面为E、F、G、H。边缘一点加压后C和G点接触，则两面之间形成楔形空气层，从而产生干涉条纹。如将干涉图形向平面上投影，那么各带条纹势必弯向受力点，这是由与其对应的空气隙等厚层的轨迹方向决定的，此弯曲程度与条纹间隔之比为光圈数。低光圈干涉条纹弯曲方向与上相反，它是背向受力点。这种方法适用于N1判断，其精度可达到 左右。 /10第二十二页，共78页。第二十三页，共78页。色序法 按光圈颜色的序列来识别光圈高低的方法，称色序法。 在白光照射下观测时，光圈形成色序，这是由于组成白光的各种色光，所对应的空气隙（）不同所致。 低光圈：从中心到边缘的颜色

15、序列为“蓝、红、黄”等。 高光圈：从中心到边缘的颜色序列为“黄、红、蓝”等。 色序法不仅适用N1时光圈高低的识别，而且也可用于N35mmR35mm的标准样板的制造的标准样板的制造第七十二页，共78页。标准样板的制造R R35mm35mm的标准样板的制造的标准样板的制造 对于对于R R35mm35mm的标准样板的标准样板, ,为达到为达到A A级精度，凸样板级精度，凸样板一般做成整球或超半球的形式。整球样板的毛坯可以一般做成整球或超半球的形式。整球样板的毛坯可以热压成球形；也可以是正方形毛坯，再磨成八角坯后热压成球形；也可以是正方形毛坯，再磨成八角坯后进行滚圆。然后再根据圆球制造凹凸样板。面形的

16、规进行滚圆。然后再根据圆球制造凹凸样板。面形的规则性是通过凹凸样板的对磨来保证。则性是通过凹凸样板的对磨来保证。第七十三页，共78页。标准样板的制造R35mmR35mm的标准样板的制造的标准样板的制造 当制作当制作R35mmR35mm的标准样板或的标准样板或R35mmR35mm的凹标准样的凹标准样板是，先将样板做成弧形，再用球径仪测量直径板是，先将样板做成弧形，再用球径仪测量直径R R。样板毛坯粗磨成型后，将非测量面抛光，再在凸样板毛坯粗磨成型后，将非测量面抛光，再在凸样板的平面上粘上一个小平模，凹样板平面上粘样板的平面上粘上一个小平模，凹样板平面上粘一个环形平模，进行对磨来修正曲率半径，保证

17、一个环形平模，进行对磨来修正曲率半径，保证面形。面形。第七十四页，共78页。超光滑表面光学零件的抛光工艺 超光滑表面光学零件的抛光工艺超光滑表面光学零件的抛光工艺 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的的表面。表面。 现代光学技术对光学零件的表面的要求越来越高，其主现代光学技术对光学零件的表面的要求越来越高，其主要是由于要是由于 高能量激光器的发展和应用，要求谐振腔反射表面非高能量激光器的发展和应用，要求谐振腔反射表面非常光滑。常光滑。 随着光学仪器的适用波段范围向紫外和随着光学仪器的适用波段范围向紫外和X X光的延伸，对光的延伸，对光学

18、表面粗糙度的要求也就越来越高。光学表面粗糙度的要求也就越来越高。 制造光电仪器时，要求被加工表面具有物理的完整性。制造光电仪器时，要求被加工表面具有物理的完整性。第七十五页，共78页。水中抛光 水中抛光水中抛光 水中抛光又称水中抛光又称BFPBFP法抛光，它是将工件和抛光模都浸法抛光，它是将工件和抛光模都浸在水中，在低速低压下进行抛光。在水中，在低速低压下进行抛光。特特 点点 由于工件和抛光模均浸在水中，所以抛光时产生的由于工件和抛光模均浸在水中，所以抛光时产生的热量可以及时的分散到抛光液中，因而工件和抛光模的热量可以及时的分散到抛光液中，因而工件和抛光模的热变形极小。热变形极小。 抛光时采用非常细的抛光剂、很小的压力和速度，在抛光的抛光时采用非常细的抛光剂、很小的压力和速度，在抛光的最后阶段还可用稀释的抛光液或清水抛光。最后阶段还可用稀释的抛光液或清水抛光。 不仅适用于玻璃，还适用于晶体的抛光，可以使得工件不仅适用于玻璃，还适用于晶体的抛光，可以使得工件表面粗糙度的均方根偏差很小。表面粗糙度的均方根偏差很小。第七十六页，共78页。离子抛光 离子抛光离子抛光 将惰性气体电离成为离子，再对离子进行加速，然后撞将惰性气体电离成为离子，再对离子进行加速，然后撞击放