光学零件工艺学

1、光学零件工艺学 光学零件的抛光工艺光学零件的抛光工艺第六章 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。 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 消除精磨的破环层，达到规定的表面要求；经消除精磨的破环层，达到规定的表面要求；经修面形，达到图纸要求的光圈数修面形，达到图纸要求的光

2、圈数N N和局部误差。和局部误差。也就是在玻璃或其它光学材料上，产生规则的也就是在玻璃或其它光学材料上，产生规则的透明表面。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三种作用综合的结果。合的结果。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。由于抛光是用玻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较细的磨料，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，逐渐形成光进行，使玻璃表面凸出部分被切削掉，逐渐

3、形成光滑的表面。实验根据是滑的表面。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，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，使表面凸起将凹陷致使表面产生塑性流动，使表面凸起将凹陷填平。实验根据是填平。实验根据是 玻璃表面分子的流动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

4、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。实验根据如下水解作用。实验根据如下 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用 玻璃的化学作用玻璃的化学作用6-2 样板检验原理 被检验光学表面相

5、对于参考光学表面的偏差称面被检验光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差形偏差 若两者的面形（球面或平面）不一致，存在微小若两者的面形（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，误差时，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。从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暗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。环。这些圆环称作光圈，又叫牛顿环。 光学零件面形偏差是在圆形检验范围内，通过垂光学零件面形偏差是在

6、圆形检验范围内，通过垂直位置所观察到的光圈数目、形状、变化和颜色直位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，来确定的，并且面形误差用光圈数表示，所以，样板检验亦称样板检验亦称“光圈检验光圈检验”。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 光学零件的表面精度是与光学样板比较而鉴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别出来的

7、。光学零件的面型精度包括曲率半径曲率半径偏差偏差、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。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（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： 2cos2hihi2cos222hik2cos(21)22hikkh1kh/ 22 coskkkhi11(1)/22coskkkhi 则相邻亮条纹空

8、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 （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工作样板半径之间的偏差，以干涉条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，即光圈数纹数，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、零件与样板

9、的接触口径板的接触口径D（在此口径范围内显示于涉环）干涉光的（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（高光圈）。部接触（高光圈）。样板与透镜沿边缘接触情况样板与透镜沿边缘接触情况 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-零件与样板接触口径 pN-光圈数 -入射光波长 光圈数与半径偏差的关系是：224DNRR（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

10、透镜的曲率半径。 满足暗条纹条件为 = hrkhkkrkR222kkkrRhhkrkR2(21)22krkR（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 1kk rk0.5 mmax5005010k 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)

11、220.5 50/212.52hkkhm m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，则称当空气隙缩小时，条纹从边缘向中间移动，则称低光圈低光圈 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，则称当空气隙缩小时，条纹从中心向边缘移动，则称高光圈高光圈 。 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

12、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。 2. 边缘点力法：在

13、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 如果工件为高光圈 ，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

14、到 左右。 /10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。整球样板的毛坯板一般做成整球或

15、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，再磨成八可以热压成球形；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。角坯后进行滚圆。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。面形的规则性是通过凹凸样板的对磨来保证。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时，先将样板做成弧形，再用球径仪测量直径板时，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。样板毛坯粗磨成型后，

16、将非测量面抛光，再在凸样板的平面上粘上一个小平模，凹样板平面在凸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，上粘一个环形平模，进行对磨来修正曲率半径，保证面形。保证面形。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的表面。的表面。 现代光学技术对光学零件的表面的要求越来越现代光学技术对光学零件的表面的要求越来越高，其主要是由于高，其主要是由于 高能量激光器的发展和应用，要求谐振腔反射表面高能量激光器的发展和应用，要求谐振腔反

17、射表面非常光滑。非常光滑。 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，光的延伸，对光学表面粗糙度的要求也就越来越高。对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制造光电仪器时，要求被加工表面具有物理的完整性。性。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。都浸在水中，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

18、液中，因而工件和抛光模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。的热变形极小。 抛光时采用非常细的抛光剂、很小的压力和速度，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。在抛光的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。工件表面粗糙度的均方根偏差很小。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，将惰性气体电离成为离子，再对离子进行加速，然后撞击放在真空室中的工件表面，从其表面将材然后撞击放在真空室中的工件表面，从其表面将材料以原子量级予以去除，从而形成很好的抛光表面。料以原子量级予以去除，从而形成很好的抛光表面。特特 点点 由于去除材料的基本本单位是原子，所以可以获得由于去除材料的基本本单位是原子，所以可以获得很高的加工精度很高的加工精度。 适用范围广，可加工多种材料。适用范围广，可加工多种材料。 由于离子只是和表面原子发生能量交换，因此是不由于离子只是和表面原子发