第一讲 概述教材

第一讲概述第一章光学玻璃

光学玻璃是制造光学零件的主要光学材料。光学玻璃分无色光学玻璃和有色光学玻璃。无色光学玻璃又分为普通光学玻璃、耐辐射光学玻璃和激光玻璃。普通光学玻璃是制造一般用途的光学透镜、棱镜、分划板、度盘、光栅、刻尺的主要光学材料；而耐辐射光学玻璃具有抗辐射稳定性，用在具有

射线、X射线的场合；激光玻璃可以用在不同激光器的谐振腔中，作为产生激光的工作物质。而有色光学玻璃主要用来制造不同的光学滤光片。大多数的光学玻璃的主要组成成分是SiO2，属于硅酸盐玻璃。无色光学玻璃是制造光学零件的主要光学材料。在光学玻璃目录中，通常列出以下光学常数：1．D光或d光的折射率，以及其它若干谱线的折射率等

2．平均色散

3．阿贝常数

4．若干对谱线的部分色散

5．若干对谱线的相对色散

为了设计质量高的光学系统，需要很多种类的光学玻璃。光学玻璃中使用量最大的是无色光学玻璃。光学玻璃大体上可分为两大类：冕牌玻璃（以字母K表示，其中PbO的含量小于3％

）及火石玻璃（以字母F表示，其中PbO的含量大于3％

）。

冕牌玻璃(K)

火石玻璃(F)

折射率低(nd为1.50~1.55)

折射率高(nd为1.53~1.85)

色散系数大(vd为55~62)

色散系数小(vd为30~45)

性硬、质轻、透明度好

性较软、质较轻、稍带黄绿色冕牌玻璃与火石玻璃的差异

每一大类又分为许多种类，例如，轻冕（QK），冕（K），磷冕（PK），钡冕（BaF），重冕（ZK）,镧冕（LaK），冕火石(KF)，轻火石（QF），火石（F），钡火石（BaF），重钡火石（ZBaF），重火石（ZF），镧火石（LaF），特种火石（TF）等。每个各类的玻璃中又分为许多种牌号，例如冕玻璃分为K1,K2,……K12等。

一般来讲，冕牌玻璃为低折射率，低色散；火石玻璃为高折射率，高色散。光学玻璃的折射率和阿贝常数之间有一定规律，右图为我国光学玻璃曲线图。由图可知，大多数玻璃符合折射率高，色散也高的规律。这对高性能光学系统设计有一定限制。近年来已生产了许多高折射率低色散光学玻璃，如LaK,LaF等，使光学系统设计有很大的进步展。

光学玻璃曲线图

在光学玻璃目录中，除上述光学常数外，还列有一些标帜物理，化学性能的有关数据，如密度，热膨胀系数，化学稳定性等；此外，对光学均匀性，应力消除程度，玻璃中的气泡度，杂质，条纹等都有一定的标准和规定。

折射率与标准值的允许差值类别折射率nd允许差值类别折射率nd允许差值00±2×10-42±7×10-40±3×10-43±10×10-41±5×10-44±20×10-4（1）折射率nd，色散系数vd与标准数值的允许误差

光学玻璃的主要质量指标色散系数与标准值的允许差值类别色散系数vd允许差值类别色散系数vd允许差值00±0.2%2±0.7%0±0.3%3±0.9%1±0.5%4±1.5%同一批玻璃中折射率与色散系数的最大差值级别同一批玻璃中的最大差值折射率nd色散系数vdA0.5×10-40.15%B1×10-4C2×10-4D在所定类别内在所定类别内光学玻璃的光学均匀性是指同一块玻璃中各个部分折射率的渐变性差异。通过对成像质量(比如说分辨率)的影响来判断均匀性的好坏，如果玻璃的光学均匀性以分辨率的比值a/a0表示时，光学均匀性按表分为4类，表中a0和a分别代表玻璃未放入和放入后平行光管的分辨率。（2）光学均匀性无色光学玻璃光学均匀性的分类类别a／a0最大比值星

点

图11.0中央是一明亮的圆斑，外面是些同心的圆环，但不出现断裂、尾翘、畸角及扁圆变形等21.0中央是一个明亮的圆斑，外面是些变形的同心圆环，所有圆环趋向一致，大致保持圆形，两环之间的间隔大体相等，每个环的宽度允许有变化，但不应有断裂、尾翘、畸角等31.1——41.2——

光学玻璃在没有应力时是各向同性的，光学玻璃如果存在较大的内应力，就破坏了各向同性，从而产生双折射现象。所以，内应力的检测，通过双折射现象的观察来判断。一种是通过玻璃最长边中部，用单位长度上的光程差

(nm/cm)表示，简称中部应力双折射表示法；另一种是通过玻璃边缘5％直径或边长处，用单位厚度上最大光程差

max(nm/cm)表示，简称边缘应力双折射表示法。

（3）应力双折射

类别玻璃中部光程差

(nm/cm)12la426310类别玻璃边缘最大光程差

(nm/cm)S13S25S310S420中部应力双折射分类边缘应力双折射分类条纹是由于玻璃内部的化学成分不均匀所产生的局部缺陷，其折射率与主体不同，从而形成光的散射和异样折射。条纹度一般采用投影法进行检验，按规定分为00、0、1、2四类，并按检验观察方向，又分为A、B、C三级。A为三个方向观测，B为两个方向观测，C为一个方向观测。

（4）条纹度

条纹度分类类别光阑孔径/nm玻璃与投影屏间的距离／mm光阑与投影屏间的距离／mm在屏上的观测结果001650±302000±100无任何条纹影像02650±302000±100无任何条纹影像l3250±10750±30无任何条纹影像24250±10750±30每300cm3玻璃中允许有长度小于12mm的条纹影像10根，但彼此相距不得小于10mm玻璃中的气泡是玻璃在熔炼过程中，气体来不及逸出所致。玻璃中的气泡相当于细微的凹透镜，会引起光的散射和折射，因此需要控制。气泡度按所含最大气泡的直径分为0、1、2三类，并按每100cm3玻璃内允许含有的气泡总截面积（mm2）分为七级。对扁长气泡取最长轴和最短轴的算术平均值为直径，去计算气泡的截面积。光学零件的其他类似杂质作为气泡计算，但与气泡或其他类似杂质相连接的条纹不作气泡计算。

（5）气泡度

气泡度分级表级

别直径中

0.05mm气泡的总截面积／(mm2/100cm3)A00≥0.003—0.03A0>0.03—0.10A>0.10—0.25B>0.25—0.50C>0.50～1.00D>1.00—2.00E>2.00～4.00光学系统成像的亮度与玻璃的透明度成比例关系。光学玻璃对某一波长光线的透明度，以光吸收系数E表示。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。国家标准规定，玻璃的吸收系数分为00、0、1、2、3、4、5、6八类。

（6）光吸收系数

光吸收系数的分类类别光吸收系数的最大值类别光吸收系数的最大值000.00130.00800.00240.01010.00450.01520.00660.030第二章光学零件图1．光学零件图及其标注

光学零件加工的技术条件是通过光学零件图来表达的。在光学零件图中不仅反映出零件的几何形状、结构参数和公差，而且还包括对光学材料的质量要求、对光学零件加工精度和表面质量的要求。因此，光学零件图是选择光学材料、制定工艺规程和进行光学加工、检测的依据。中华人民共和国国家标准光学制图(GBl3323—91)规定了光学部件图和光学零件图必须标注的技术要求，并以专用表格在图纸右上角位置显著表示。

在光学制图中规定：光轴一般水平放置，用点划线表示，光线方向一般由左至右，零件先遇到光线的表面通常放在左边。光学零件图上对材料的要求，应按照对光学玻璃所介绍的质量指标，根据系统对零件的要求，分类别、级别进行标注。光学零件图上一般用图形和文字标明倒角要求，如果倒角尺寸小于2mm，可以不画出倒角图形，只需要在倒角处引出细实线，标注倒角尺寸或用文字说明透镜的球面曲率半径过大时，在光学零件图上其曲率允许夸大绘制，如果透镜的表面为平面时，应该在图上标注R

。如果是非球面透镜，在光学零件图上可以用球面绘制，但是应该注明“非球面”，并列出曲线的方程式，并标明方程式的系数。在光学部件图中，要标明图中零件彼此的相对位置，如果是胶合件，在图的右上角位置应列出“对胶合件的要求”专用表格。胶合件的部件图中必须用文字标注技术要求，说明胶合所用的胶和对胶合面的要求。2．光学零件的技术要求

被加工的光学表面和标注的理论表面总会存在偏差，表面形状公差就是对这种偏差的限制，表面形状公差常常简称面形公差。面形公差用光圈数N和局部光圈数△N两个参数表示。光圈数N是指用工作样板检验光学表面时，在有效孔径内的牛顿环数目，通常称为光圈数。如果被检验表面是平面，则光圈数N就表示被检表面不是理想的平面，而是半径非常大的球面，因此，从这点来看，无论球面和平面，光圈数N都是表示实际表面和理想表面在面形上的规则误差，也就是它们在整体上偏离理想半径的程度。

（1）表面形状公差

△N称为局部光圈数，它表示被检光学零件面形局部偏离标准球面或平面的程度。通常把局部光圈数分成两种，一种是像散偏差，它是被检光学表面在两个相互垂直方向上光圈数允许最大差值，以△1N表示；第二种是局部偏差，它表示相对于平滑干涉条纹的不规则程度的允许最大值，以△2N表示；如果标注时不区分这两种局部光圈数，则表示这两种局部光圈均应同样要求。设计时，N和△N间应当协调，一般取△N为N的0.1~0.2。

光学零件面形精度等级分类精度等级N△N高精度0.1~1.00.05~0.2中精度1.0~5.00.2~0.5一般精度5.0~100.5~1.0表面粗糙度是指加工表面上的较小间距的峰谷所组成的微观几何形状特征。它反映了零件表面的加工质量。峰、谷越小，其表面越光滑，反之，表面越粗糙。表面粗糙度国家标准(GB／T1031—1995)规定，评定表面粗糙度的主要参数从轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廊最大高度Ry等三个参数中选取。标注时，对抛光表面，通常选择微观不平度十点高度Rz，在图纸的右上角用其余Rz0.05来标注所有的抛光表面。

（2）表面粗糙度

光学加工工序能达到的表面粗糙度国标符号旧国标符号Ra/gmRＸ/gmＬ/mm零件表面加工方法▽4>10~20>40-808

粗加工表面用金刚石铣刀和锯片、金刚砂、粒度由60号—150号的磨料或由30号—80号砂轮加工▽5>2.5~5>10-202.5零件粗磨后的毛面；大型棱镜、平面镜、保护玻璃的侧表面与倒角；直径大于18mm和配合不高于4级精度的透镜、滤光镜、分划板、保护玻璃及其他零件的圆柱表面和倒角用粒度240—W28的磨料或由100号~180号的砂轮加工；用金刚石铣刀和锯片细加工▽7>1.25~2.5>6.3~100.8零件精磨后的表面；中等尺寸的棱镜、平面镜、保护玻璃的侧表面和倒角用粒度为W28—W14的磨料或由180号—240号的砂轮加工▽8>0.63~1.25>3.2~6.30.8零件精磨后的毛面；透镜和分划板的圆柱面；毛玻璃表面用粒度为W14—WI0的磨料或由240号—280号的砂轮加工▽9>0.32~0.63>1.6~3.20.8零件精磨后的表面；3级精度以上配合的精确定中心透镜的圆柱面用粒度为Wl0—W7的磨料或由280号—320号的砂轮加工▽13>0.01~0.02>0.05~0.10.08平面镜、保护镜的抛光面及其他不在光学系统中的零件的工作面用抛光粉在柏油或其他抛光模上抛光▽14≤0.0l≤0.050.08透镜分划板、棱镜、反射镜等光学零件的抛光面用抛光粉在柏油或其他抛光模上抛光表面疵病是对光学零件表面粗糙度在高标准要求下的特殊补充。它是光学零件在加工过程中或之后，因为不适当的处置而在光学表面的有效孔径内产生的局部瑕疵，它主要的形式是擦痕、麻点、开口气泡、破点及破边，而开口气泡和破点可以视为麻点，所以表面疵病主要是标注擦痕、麻点及破边。光学零件表面疵病在图纸上用字母“B”表示。

（3）表面疵病

中心公差是透镜的基准轴和光轴之间的偏差。其定义是：光学表面定心顶点处的法线对基准轴的偏离量，而定心顶点就是该光学表面和基准轴的交点，这个偏离量以角量来表示，并称为面倾角，以希腊字母“

”代表。如图2-1所示。

（4）中心公差

透镜中心公差的定义在制造球面光学零件时，零件表面曲率半径正确与否，是通过球面样板来检验的，光学样板所允许的偏差△R，对被检零件的面形精度有直接影响，样板本身的制造精度△R和零件光圈数N就决定了零件曲率半径的精度。标准样板分为A、B两级，对曲率半径的公差要求严格的透镜，△R应选择A级。

（5）标准样板等级△R

标准样板精度等级△R精度等级标准样板曲率半径R/mm0.5~5>5~10>10~35>35~350>350~1000>1000~40000允许误差(可正可负)相对名义尺寸误差1％A0.51.02.00.020.030.03R/1000B1.03.05.00.030.050.05R/1000第三章光学加工安全操作知识

光学加工由于精度高，加工对象特殊，必须在专门的光学车间内进行。因此，除了遵守一般的机械加工规则外，还必须遵守光学加工所特有的安全操作要求。一、光学车间的特点在光学零件加工过程中，大多数工序对温度、湿度、尘埃、振动、光照等环境因素是敏感的，特别是高精度零件和特殊零件的加工尤其如此。因此，光学车间都是封闭型，并要求恒温、恒湿、限制空气流动、人工采光、防尘。

1．温度对光学工艺的影响恒温是光学车间一个明显特点之一。这里包括恒温温度及波动范围两个问题。光学车间各工作场所由于要求不同，对恒温温度及其波动范围的要求是各不相同的。(1)温度对抛光效率与质量的影响由于抛光过程中存在的化学作用随温度升高而加剧，因而升温会提高抛光效率。但由于古典工艺中采用的抛光模制模用胶、粘结胶等主要由松香和沥青按一定配比制成，一定的配比只在一定的温度下使用。而且它们对温度的变化较为敏感，温度过低，抛光模具与零件吻合性不好；温度过高，抛光模具抛光工作面变形。这两者都将使加工零件的面形精度难以保证，具体表现在光圈难以控制和修改。实践得出，抛光间的温度一般应控制在22℃±2℃为宜。(2)胶合对室温的要求胶合中以光胶工艺对室温要求最高，一般应控制在20℃士1℃，而其它胶合工艺，其室温大多控制在18℃～25℃左右。(3)真空镀膜对室温的要求真空镀膜的室温一般控制在18℃～25℃，室温过高不利于机械泵油和电机散热；过低，不利于扩散泵油汽化。(4)刻划对室温的要求制造分划图案的机械刻划车间对室温要求很高，特别是精密刻划，如光栅刻划工艺要求极高的恒温精度，其温差必须控制在±0.02℃以内。温度的波动使刻划机各部分具有不同的伸缩系数，将直接影响分度精度。(5)检验对室温的要求温度的波动直接影响检验精度。一方面因为精密光学仪器对温度的波动很敏感；另一方面，被检零件不恒温时，检具和零件间有温差会直接影响读数精度。所以，检验室必须恒温，并且也应控制在22℃士2℃范围内。

2．湿度对光学工艺的影响在光学零件加工过程中，凡要求恒温或空调的地方，均因控制湿度所需。因为，水份蒸发速度直接影响湿度恒定状态。湿度过低，易起灰尘，零件表面清擦时也易产生静电而吸附灰尘，影响其光洁度。特殊零件如晶体零件的加工以及光胶工艺等，对湿度的要求尤为严格。光学加工过程中室内湿度一般应控制在60％左右。

3．防尘由于光学零件对表面质量即表面光洁度和表面疵病有极高的要求，所以光学车间对防尘问题也特别突出。灰尘在抛光时会使零件表面产生道子、划疵、亮丝；在镀膜时，会使膜层出现针孔、斑点、灰雾；在刻划时会引起刻线位置误差，断线等。灰尘来源主要有：①外间空气带入；②由工作人员衣物上落下，粒径一般在1~5μm左右，直径小于10μm的灰尘，往往不能依靠自重降落，而长时间悬浮于空气中，影响产品质量；③不洁净的材料、辅料、夹具等带入；④生产过程中产生的灰尘。光学车间的净化条件，若按室内含尘的重量浓度要求，应控制在毫克/米3的数量级。对胶合室则更严，一般以颗粒浓度要求，应控制在粒