第4章-粗磨精磨抛光

1、光学光学加工加工v第4章 光学零件的胶合光学加工 Optical Fabrication 课程公共邮箱：讲授：郎贤礼单位：仪器科学与光电工程学院(HFUT)LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20092v本节内容概概 述述1树脂胶合法树脂胶合法2光胶法光胶法3透镜胶合定心原理与方法透镜胶合定心原理与方法4 2课时LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20093v第4章 光学零件的胶合概述 为了使光学系统有很好的像质，物镜、目镜及其它系统均由两块或两块以上的透镜组成，棱镜和分划零件为了制造方便和起保护作用也采用组合方式。组合的方式包括常用的胶层胶合和分离式镜座(下图

2、)组合，特殊情况下还用光胶胶合。 组合的方式应保证光学 性能提高，有足够的强 度，对有机溶剂有足够 的安定性，不增加光的 损失，不产生表面变形， 并且易于拆开LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20094v4.1概述一. 胶层胶合与分离式镜座组合 胶层胶合方法与分离式镜座组合方法比较有如下特点： (1)胶层胶合法比分离式镜座的组合法虽然少了一个光学设计中的结构参数，但仍能满足复杂光学系统的成象质要求。 (2)减少表面的光能损失，分离式组合的空气与玻璃界面的反射损失达56，而胶层界面的反射损失只有0.1%。 (3)可以适当降低胶合面的表面精度，胶层起到补偿作用，可以简化复杂陵镜的

3、制造过程，先加工简单棱镜然后胶合成复杂棱镜。降低制造成本。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20095v3.1概述一. 胶层胶合与分离式镜座组合 (4)胶合透镜组或胶合棱镜组在装配与校正时易于对准中心 (5)胶合法还用于照相分划、镀膜表面与保护玻璃的组合。 因此，光学系统中广泛采刚胶合法，特别适用于直径为80120mm以下的透镜组合胶合透镜的质量主要决定于胶合材料的特性及胶合定中心的方法。 通过与分离式镜座组合的比较可以看出胶合的目的。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20096v3.1概述二.胶合的目的 1改善像质 如果把冕牌玻璃的凸透镜和火石玻璃的凹透镜

4、胶合在一起，就组成消色差的双胶合透镜。 2减少反射光能损失 胶合是减小透镜组光能损失 的有效方法之一。 3简化复杂零件的加工 4保护刻划面 为了保护刻度表面、 偏振片或晶体零件， 经常在零件上胶合一保护 玻璃。 如用如用K9和和F2玻璃制成的玻璃制成的双分离透镜组，反射面双分离透镜组，反射面光能损失分别为光能损失分别为4和和56，即使在表面镀上，即使在表面镀上氟化镁增透膜，仍有氟化镁增透膜，仍有15和和06的反射的反射光能损失。如果将双分光能损失。如果将双分离透镜用加拿大胶胶合离透镜用加拿大胶胶合成双胶合透镜，则胶合成双胶合透镜，则胶合面的反射光能损失可减面的反射光能损失可减少到少到01。LO

5、GO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20097v3.1概述 三.对胶合工艺的主要技术要求 (1)保证胶合透镜的中心误差。 (2)保证胶合棱镜的平行差和等厚差。 (3)排除胶合层的气泡。 (4)胶层要牢固。 (5)保证胶合件的面形精度。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20098v4.2 树脂胶合法 一.对光学胶粘剂的要求 光学胶粘剂，又称光学用胶。它是一种与光学玻璃光学性能相近，并具有良好的粘结性的高分子物质(天然的或人工合成的)。在光学仪器中，对光学胶粘剂的要求如下： (1)无色透明，在指定的光谱范围内，透过率90以上，并且固化后的折射率与被粘结零件的折射率相近

6、。 (2)在胶合时浸润性好，固化后收缩率小，零件不易变形。 (3)在胶合件使用温度范围内，耐冲击强度和耐冷热性能好。 (4)化学稳定性好，长期使用不变质。 (5)胶合工艺简单，对操作者无毒无害。 (6)拆胶容易，便于返修。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院20099v4.2 树脂胶合法 二.粘结剂的种类及性能 光学胶粘技术在光学仪器上的应用，已经有200多年的历史。1785年开始采用一种天然针叶状杉树的分泌物制成最早的光学用胶，这就是著名的加拿大胶。合成树脂的光学用胶相继问世。前苏联于1938年研制成功甲醇胶；美国在20世纪40年代研制了光学环氧胶；我国于20世纪70年代末期

7、研制了光学光敏胶。 目前，我国光学生产中，应用的胶粘剂主要分为四大类，下面分别予以介绍。 (一)天然冷杉树脂胶 冷杉树脂胶俗称热胶。它是由松柏科冷杉树植物分泌的树汁，经提纯精炼而成。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200910v二.粘结剂的种类及性能 二.粘结剂的种类及性能 冷杉树脂胶中，使用历史悠久，且性能较好的是天然的加拿大胶。优点优点：1.冷杉树脂胶具有良好的透光性和一定的粘结力； 2.折射率(n1.521.54)与K9玻璃相近，能长时间保持透明 3.凝固时体积收缩率较小，仅56，故胶合应力小； 4.使用简便，拆胶清洗容易，无毒无害。 因此，是使用最广泛的古老胶种，一

8、般用于胶合透镜、棱镜、滤光片、度盘、分划板等室内使用的仪器。缺点：缺点：1.冷杉树脂胶机械强度低。 2.它耐热、耐寒性能差(40+40)； 3.在近紫外区光谱有明显吸收，不能用于紫外光学零件的胶合。 冷杉树脂胶有固态纯冷杉树脂胶、改性冷杉树脂胶和液态冷杉树脂胶三种。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200911v二.粘结剂的种类及性能 (二)甲醇胶 甲醇胶，俗称冷胶甲醇胶，俗称冷胶，又名凤仙胶或卡丙诺胶。它是人工合成的有机化合物，单体学名是二甲基乙烯代乙炔基甲醇。甲醇胶几乎可以粘结各种材料。 甲醇胶原是前苏联于1938年研制成功的。我国在20世纪50年代引进使用，后来又做了一

9、些改进。它主要用于军用光学仪器中的透镜、棱镜和平面零件的胶合。 甲醇胶具有良好的透明度，其胶合强度、耐高低温性能都优于冷杉树脂胶。其缺点也较明显，固化后收缩率高达12，易引起零件变形，胶层抗老化性能差，配制工艺复杂，保存期短，拆胶困难。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200912v二.粘结剂的种类及性能 (三)光学环氧胶 用于光学零件胶合的环氧树脂胶粘剂，多数是粘度较小的低分子量的液态透明树脂。使用最多的是以双酚A型环氧树脂为主体，加入一定的稀释剂、增塑剂、增韧剂和填料等，先配成复合环氧树脂，使用时加入适量固化剂即可。 光学环氧胶色泽浅，粘度低，透明度好，折射率近似于玻璃。

10、特别是在胶结强度、收缩率(一般2)、耐高低温、耐水和化学稳定性等方面均优于冷杉树脂胶和甲醇胶，而且使用方便，室温即可固化。其主要缺点是拆胶困难拆胶困难，使用的固化剂对人体有一定影响。 由于环氧胶的缺点所致，目前环氧胶使用尚不普遍，仅适用在寒热潮湿等恶劣条件使用或特殊要求的光学零件的胶合，也可用作光学装配用胶。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200913v二.粘结剂的种类及性能 (四)光学光敏胶 光学光敏胶，又称紫外胶。在国外是20世纪70年代发展起来的一种光固化光学胶粘剂。我国是20世纪80年代初试制成功的。光敏胶主要是由光敏树脂(又称感光树脂)，加入交联剂、光敏剂、阻聚剂

11、等成分，在紫外光照射下进行交联固化而成的(单组分光敏胶)，或者初固化后，再经中温固化而成(双组分光敏胶)。 常用的光敏树脂有双酚A型环氧树脂和六氢邻苯二甲酸环氧树脂的丙烯酸酯类。优点：优点：具有粘结性能好、机械强度高、耐高低温性能好、收缩率小(26)、化学稳定性好、固化快等特点，是一种优质光学用胶。用于透镜、棱镜或其他透明光学零件的胶合LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200914v三.胶合工艺 三.胶合工艺 目前，国内使用的几种主要光学胶粘剂的胶合工艺大致如下： (一)天然冷杉树脂胶(热胶)的胶合工艺LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200915v三.胶合

12、工艺 (二)甲醇胶(冷胶)的胶合工艺 胶合前的准备与冷杉胶相同。工房温度要求(223)C，相对湿度为70以内。 冷胶和热胶的主要区别是，胶合前零件不加热或只加热到40C左右。零件滴胶排气后再放到30”水平电热板上加热到50-70 C，并保持1015min，进行初步聚合，然后在定心仪上校正中心。 将定心好的零件放在水平台上进行完全聚合。对直径50mm的零件，静止时时间不少于48h。 对于中心偏差低于005mm，并且直径lOmm、曲率半径小的零件，可采用常温聚合和自动校正中心的方法。 一般胶层厚度为0.070-0.015mm。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200916v三.胶

13、合工艺 (三)光学环氧胶的胶合工艺 环氧胶使用时，只能临时配制，不能久放。零件胶合后放在30”水平台上自动定心或用心心仪定中心。胶层聚合分两个阶段：第一阶段为常温聚合，一般为12h；第二阶段，常温聚合后再放入60-70C恒温箱中，保温14h以上，待至常温后取出，再刮去边缘多余的残胶。 (四)光敏胶的胶合工艺 胶合前的准备工作与冷杉胶胶合相同。滴胶排气和胶层厚度与甲醇胶相同。胶合好的透镜置于平台上，用白炽灯烘烤052h，使之具有适当粘度，然后定中心，接着用高压汞灯(或紫外灯)进行初固化。初固化的零件再放入烘箱内，在60rC下恒温6h，待冷却至室温取出送检。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与

14、光电工程学院200917v四.胶合件的脱胶及产生原因四.胶合件的脱胶及产生原因 胶合工艺本身并不复杂，但胶合不好会严重影响良品率。脱胶是造成废品的主要原因。常见脱胶现象： (一)橡树叶状或柏树叶状脱胶 (二)光带状脱胶 (三)点状或气泡状脱胶 (四)倒边处脱胶LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200918v四.胶合件的脱胶及产生原因四.胶合件的脱胶及产生原因 上述各种脱胶现象除与胶粘剂性质有关外，还与胶合工艺、装配工艺有关。产生原因大致如下： (1)胶合零件未擦净，在胶层中有灰尘或脏物残留。 (2)排气时空气未排尽，胶层内有气泡。 (3)胶层粘度和厚度控制不当，容易使胶层变形

15、，收缩大。 (4)定中心不熟练，反复推移胶合件，使胶的粘结力降低。 (5)初聚合温度过高，与定心承座温差太大，造成聚合脱胶。 (6)胶合后加热固化温度过高(超过75)，时间过长。 (7)有机溶剂浸入胶层。 (8)胶合件长期存放在潮湿空气中，也可造成慢性脱胶。 (9)胶过期失效等。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200919v五.胶合件的拆胶五.胶合件的拆胶 光学零件胶合后，如果不符合技术要求，则需要进行拆胶。常用的拆胶方法分为加热法、冷冻法、常温法和锤击法。 (一)加热法 加热法又分为直热法和间热法两种。 1直热法 直热法就是将零件置于电热板上或烘箱中，加热至所需温度即可拆

16、胶。各种胶粘剂采用直热法的加热规范见表。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200920v五.胶合件的拆胶 2间接加热法 (二)冷冻法LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200921v五.胶合件的拆胶 (三)常温法 常温法是用溶剂浸泡拆胶件使之脱胶。 几种胶粘剂常温浸泡溶剂配方见表84。 (四)锤击拆胶 此法是借助冲击力使胶合件脱开。因此，工艺设备简单，残胶易清洗，能保持零件的粗糙度，但若操作者不熟练容易损坏零件。故一般只适用于胶接面积不大的、且便于锤击的零件。 综上所述，四种拆胶方法使用最多的是加热法和常温浸泡法。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工

17、程学院200922v4.3 光胶法一.光胶原理 (一)分子引力理论 光胶法亦称光胶接触法。它是依靠分子间的吸引力，使两个光学零件的抛光表面紧密贴合在一起。 分子间的作用力可用下式表示： 式中：F分子间作用力； 系数，均为正数； r分子间的距离； s，t随物质而异的常数，通常s=915，t=47。 式中右边第一项表示斥力，第二项表示引力。r=r0为时平衡状态， rr0,st，F随r的增加而急剧减小。stFrrLOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200923v4.3 光胶法一.光胶原理 (一)分子引力理论 在一般情况下，当r=10-10m时，表现出引力，也就是两光胶表面之间的距离在

18、O.0010O0001um范围内，才能显示出分子引力作用。这就要求光胶表面的误差为 显然，加工出这样高精度的抛光表面是很难的，即使加工出来，也难于检验。即使周围介质温度的微小变化而使零件变形的量，要比这个误差的数量级大10倍。 据国外文献报道，抛光表面可加工到200的精度，目前我国可加工到30。 尽管加工精度达不到光胶表面的面形要求，但光胶却是可行的。0.0011()/20.25250hN光圈LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200924v一.光胶原理一.光胶原理 (二)光胶原理 从上述理论分析可知，光胶表面的面形精度要求非常高，但实际上，只要光胶面的相对面形误差N12光圈时

19、，即可进行光胶。其原因是，分子引力并不是在整个光胶表面上起作用，它只是一个统计的物理现象，即分子引力是在两表面微观的波峰与波峰，或波谷与波谷之间起作用，也就是犬牙交错式的结合。由于波峰与波谷都是小而密集的，因此产生分子引力的统计面积相当大，足以使两个表面光胶起来。 另外，零件受外力作用或受外界条件变化的影响时，总要发生微小变形，这也有利于光胶。光胶时，胶合件是低光圈配对，通常外缘先加压，则该部位先胶上，在胶与未胶的界面附近由于分子引力作用，未胶合部位易达到分子引力范围，则胶合面逐渐增大，直到全部胶上。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200925v二.各种因素对光胶的影响二.

20、各种因素对光胶的影响 光胶虽然是可行的，但也并不是轻而易举的。影响光胶的因素很多，下面主要分析温度变化和零件表面清洁度对光胶的影响。 (一)温度影响 玻璃是不良导体，当周围介质温度变化时，玻璃内 部各处温度不均，热膨胀将引起零件变形，影响光胶的 进行。 l零件内部形成温度梯度 的变形 当零件两表面存在温 度梯度位时，将引起面形误差 LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200926v二.各种因素对光胶的影响 光面的温度高于背面，即图83中，零件左侧温度较右侧高，产生面形误差： 式中：D零件口径； d零件厚度； 线膨胀系数。 X的存在，使抛光零件在下盘前后的光圈不一致。胶合前必须检

21、查光圈，并且要求光胶在恒温条件下进行，以免零件受热不均，造成光胶困难。 另外，在胶合观察光圈时，零件外圆和非胶合面与手接触机会多，其温度比胶合面高，从而使零件产生x，的面形误差。 显然X与X1的变化趋势是相似的，只是变形量不同。在胶合时， X1是不可避免的，但要尽量减小它。2DX8dt LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200927v二.各种因素对光胶的影响 2周围介质温度变化时产生的变形 当周围介质温度高于两光胶件温度时，则产生低光圈的变化趋势，光胶件中间易开胶，如图84(a)所示。 当周围介质温度低于两光胶件温度时，则产生高光圈的变化趋势，如图84(b)所示。这种情况易造

22、成边缘开胶。这就是为什么光胶件耐急冷比耐急热性能差的原因。耐急冷性能差，虽然是光胶件的缺点， 但可以利用这一特性，排除气泡 或打开不合格的零件，并且不使 表面有所损坏。 由上述分析可知，光胶件应光胶件应尽量避免高光圈和塌边。尽量避免高光圈和塌边。( (二二) )表面清洁度对光胶的影响表面清洁度对光胶的影响LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200928v三.光胶工艺三.光胶工艺 采用光胶法结合零件，一般工艺过程和注意事项如下： (一)光圈配对和选择厚度 对于光胶面直径60mm的大透镜，光圈要求： (1)用样板检验光圈时，N1，N02。 (2)正负透镜互检光圈时， N0.5， N

23、O.1，并且要求胶合面为低光圈。 (3)表面疵病一般不低于级。 (4)选配成对的光胶件，厚度应满足公式要求。 (二)恒温放置 光胶件应在201下恒温放置2-3h，以使内部温度均匀。 零件光胶前不应存放过久，一般不超过两天，特别是对化学稳定性差的零件，加工完毕，应立即进行光胶。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200929v三.光胶工艺三.光胶工艺 (三)擦拭 清擦光胶面时，先擦凹透镜，擦净后用玻璃罩罩上，再擦凸透镜，用毛刷掸去胶合面灰尘，将正负透镜对合在一起。当两光胶面刚接触时，若表面较光滑，而且干涉条纹均匀地移动，并逐渐变粗，此时说明光胶面吻合较好。 (四)定中心 光胶面吻

24、合后，移入专用承座内，在定心仪上校正中心。校好后，在透镜某一边缘上轻轻加压，以形成一个空气楔，使空气向外挤压(不要使正负透镜发生相对位移)逐渐扩大胶合面，直至全部胶上，光胶后再检查中心。 对于中心偏差要求较低的零件，可用平台自动校正中心。因此要求磨边时，直径尺寸应尽量一致。 有些精度要求较高的棱镜、平面镜等，其光胶过程与透镜光胶大体相同，但光胶时应注意保证角度及平行度要求。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200930v四、对光胶法的评价四、对光胶法的评价 (一)光胶法的优点 由于光胶是靠两零件表面间的分子引力使得零件结合的，因此，光胶法的优点很多。 1 1机械强度高机械强度

25、高 光胶法的机械强度是树脂胶合法无法比拟的。 2 2光学性能好光学性能好 由于光胶件无胶层，不仅保证了零件的光学性能，而且也避免了胶层对光波的吸收，减少。 3 3耐温性强耐温性强 对于光胶件，在t=(50土10)的条件下，恒温2.5h，光胶层无变化。 4 4性能稳定性能稳定 用树脂胶胶合的零件，长时间使用后，胶层会变质，影响仪器性能，但光胶件一般可使用几十年。 5 5光胶变形小光胶变形小LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院200931v四、对光胶法的评价四、对光胶法的评价 (二)光胶法的缺点 (1)光胶面的面形精度要求高，增加了加工成本。 (2)对环境的温度、湿度和清洁度要求高。 (3)光胶面接触光滑，定中心较困难。 (4)光胶件耐急冷性能差。 (三)光胶法的适用范围 (1)大口径零件胶合。 (2)高温条件下工作的仪器。 (3)零件较多的光学系统。 (4)短波波段工作的仪器。LOGO仪器科学与光电工程学院仪器科学与光电工程学院2