光学加工技术

第1章

光学加工技术《光学加工》OpticalFabrication课程公共邮箱：讲授：郎贤礼(HFUT)本章内容光学材料1粗磨与精磨2抛光3光学零件的胶合41课时21.1光学材料一.玻璃的组成与结构(一)光学玻璃的组成光学玻璃与普通玻璃的主要区别：前者具有高度的透明性、物理及化学性质高度均匀性及特定和精确的光学常数一般来讲玻璃的主要成分是二氧化硅(SiO2),又称石英砂。通常熔炼玻璃都加入其它物质，以改善玻璃的性能和满足光学需要。主要是氧化物。各种氧化物对玻璃性质的影响见表1-131.1.1玻璃的组成与结构各种氧化物对玻璃性质的影响各种氧化物对玻璃性质的影响表1-14├玻璃的物理特性(二)玻璃的物理特性玻璃除具有固体的机械性和光学性能外，还有以下物理特性：各向同性介稳状态热力学不稳定的状态玻璃从熔融态向固态转化是连续可逆的(三)玻璃的结构玻璃的结构理论涉及问题比较复杂，到目前为止尚不完善，但比较流行的是无规则网络学说。5└玻璃的结构1932年荷兰学者查哈里阿生，提出无规则网络说。认为：玻璃的原子、离子或原子团的结合构成一个连续的网络体，而网络体呈现出很大的不规则性Na2O-SiO2玻璃结构在熔融石英玻璃中加入碱金属氧化物(R2O)或碱土金属氧化物(RO)，使硅氧四面体[SiO2]组成的网络体断裂。在某些四面体的空隙中，均匀但无序的分布着碱金属和碱土金属离子。61.1.2无色光学玻璃一.光学玻璃的分类与命名光学玻璃的品种繁多，其中绝大部分是无色光学玻璃，因此光学玻璃的分类及命名，主要指无色光学玻璃而言。光学玻璃的发展20世纪40年代前常用光学玻璃硅酸盐系玻璃占光学玻璃80%20世纪40年代后新品种玻璃硼酸盐.磷酸盐系用作光学仪器

90年代后紫外和红外玻璃氟化物硫、硒化合物氧化物玻璃非氧化物玻璃7├光学玻璃的分类与命名分类方法光学玻璃按色散系数(阿贝数)的大小分为冕牌及火石玻璃。大致分界线为色散系数v=50。如德国规定：n<1.6,v>50为冕牌类，其余为火石类。我国的光学玻璃标准规定有K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大类又可进一步细分，第一品种在n-v图中占一定的区域。冕牌玻璃及火石玻璃下，按折射率的高低分成小类从低到高有“轻”、“重”之分，分别用”Q””Z”表示；特殊色散性能的玻璃用T表示。8└光学玻璃nd-vd领域图光学玻璃nd-vd领域图图1-6无色光学玻璃的类型和化学组成表1-29二.无色光学玻璃的质量指标二.无色光学玻璃的质量指标为满足光学系统的成像要求，对光学玻璃的质量要求有:(一)折射率、色散系数的允差我国标准规定主折射率是指光学玻璃对钠光d（波长0.5786μm）的折射率，用nd表示。此外常用的还有对F谱线(波长0.4861μm的蓝光)的折射率用nF表示;对C谱线(波长0.6563μm的红光)的折射率用nC表示。色散表示光学玻璃对不同的光具有不同的折射率。色散大小用F谱线和C谱线之差表示，即nF－nC，称作中部色散。通常度量光学玻璃的色散程度用色散系数(又称阿贝数)vd:10└无色光学玻璃的质量指标(二)光学均匀性光学均匀性是指同一块玻璃中，各部分的折射率变化的不均匀程度。(三）应力双折射理想的玻璃是各向同性的。但严格来讲，由于玻璃在熔炼降温过程中，内部温度总比外部高，难以均衡，产生应力。从而使玻璃具有各向异性的性质。光线能过时会产生双折射像。(四)光吸收系数光学玻璃对某波长光线的透明度，以光吸收系数E来表示(E表示白光通过1cm厚的玻璃所的光能量与进入该玻璃光能量之比)。一般通过提高玻璃原材料的纯度，严格控制熔炼过程中混入着色性杂质来实现。(五)条纹度和气泡度11三.无色玻璃的物理化学性质三.无色玻璃的物理化学性质(一)耐潮稳定性(二)耐酸稳定性(三)折射率温度系数(四)热膨胀系数和转变温度(五)导热系数(六)杨氏模量、剪切模量和泊松比(七)努普硬度121.1.3光学塑料一.光学塑料的性能和组成塑料的主要成分是高分子聚合物-树脂。其性质也主要由树脂决定，但在树脂中的增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂等对改善塑料的性能起着重要的作用。按其性质可分为两类：热塑性塑料指反复加热仍有可塑性的塑料。光学塑料大部分是热塑性塑料PMMA(有机玻璃)、聚苯乙烯等热塑性塑料指由加热固化的合成树脂制成的塑料。加热初期具有可塑性，继续加热则伴随化学变化而变硬。再加热也不再软化不再具有可塑性。CR39、环氧光学塑料光学塑料分类13├常用光学塑料常用光学塑料常用光学塑料1234聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA、王冕塑料)高透过率92%,n=1.492质轻、价廉、易加工耐冲击，但易划伤应用广泛占整个光学塑料的90%相机取景器彩电、投影电视菲涅耳透镜光盘和光纤军事应用聚苯乙烯(火石塑料)高透过率90%,n=1.591质轻、价廉、易加工自由着色、无毒无味强度小，耐热低，应用广泛:透镜、光栅光盘、光纤仪表外壳，灯罩和装饰环氧树脂以环氧树脂为主体制成塑料。烯丙基二甘醇碳酸酯(CR39)抗冲击、耐腐蚀耐磨性好但收缩率大，价格昂贵广泛应用于树脂镜片制作14├光学塑料的主要优缺点二.光学塑料的主要优缺点优点相对密度小耐冲击强度高透红外、紫外性能好耐温度骤变能力强易成型成本低例：0.558cm口径子弹打不穿0.3cm厚的聚碳酸酯塑料板可采用注射/浇铸/热压/车削等加工方法，不必精磨抛光；特殊光学零件加工如非球面；成本仅为玻璃零件1/10-1/3015└光学塑料的主要优缺点缺点热膨胀系数高，吸水性大耐磨性差光学常数选择范围有限热膨胀系数是玻璃的10倍，加上吸湿性大。故光学塑料不能制作高精度光学零件光学塑料品种少，光学常数选择范围有限。其折射率在1.47～1.60,阿贝数30～57.满足不了光学设计的要求，限制其应用。161.2粗磨与精磨前言把光学零件毛坯加工成透明光学表面需要三大基本工序——粗磨、精磨和抛光粗磨是将块料或型料毛坯加工成一定几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的工序。现在普遍采用金刚石磨具铣削加工技术。精磨的目的是保证工件达到抛光前所需要的面形精度、尺寸精度和表面粗糙度。方法分为散粒磨料精磨和金刚石精磨，后者又称高速精磨，能实现自动化和流水线加工。171.2.1粗磨一.研磨的本质(一)散粒磨料的研磨散粒磨料研磨，指用磨料加水配的悬浮液对玻璃进行研磨加工。散粒磨料研磨分布在磨盘1和工件2之间的磨料颗粒3,借助磨盘与工件的相对运动，首先使玻璃表面形成交错的裂纹，然后磨料继续流动，再加上水渗入裂纹的水解作用，加剧了玻璃的破碎18├散粒磨料研磨产生划痕原因个别颗粒长时间粘固在磨具上磨粒不均匀造成。通常磨粒最大尺寸和最小尺寸比为2:1.研磨过程的化学作用，主要是水参与了玻璃表层的水解反应，在裂纹中形成硅酸凝胶膜，其膨胀使裂缝加深变宽，促进了玻璃碎屑的脱落。由此可见，研磨的过程主要是尖硬的磨料颗粒对玻璃表面破坏的过程。水解的也起了一定的作用，但是次要的。19

├固着磨料的研磨(一)散粒磨料的研磨散粒磨料研磨，指用磨料加水配的悬浮液对玻璃进行研磨加工。固着磨料研磨即铣削加工，是采用固着磨料的金刚石磨具研磨玻璃，它与金属的加工类似。磨具的主要运动是旋转运动20├散粒磨料研磨产生划痕原因个别颗粒长时间粘固在磨具上磨粒不均匀造成。通常磨粒最大尺寸和最小尺寸比为2:1.研磨过程的化学作用，主要是水参与了玻璃表层的水解反应，在裂纹中形成硅酸凝胶膜，其膨胀使裂缝加深变宽，促进了玻璃碎屑的脱落。由此可见，研磨的过程主要是尖硬的磨料颗粒对玻璃表面破坏的过程。水解的也起了一定的作用，但是次要的。21├固着磨料的研磨(二)固着磨料的研磨铣削加工，是采用固着磨料的金刚石磨具研磨玻璃，与金属的加工类似。在磨具表面上固着的金刚石颗粒，类似车刀。铣削加工中，磨具与工件的相对运动产生的切削力R可分解为水平分力Fk和垂直分力Fn.在Fn的作用下磨粒深入玻璃的深处，形成互相交错的锥形裂纹。Fk是水平切削力。固着磨料研磨22固着磨料的研磨在光学加工技术中，采用固着的金刚石磨具磨削玻璃，是提高生产率最有效的方法。原因：固着的磨粒像无数把车刀。固着的磨粒只作用于玻璃表面，不参与相互磨碎。磨粒受力大切削速度高，达15-25m/s在采用较大的粒度的磨料时，可用小的进给量，则表面会形成小的微观不平度。由于上述优点，加上人造金刚石的普及，金刚石固着磨具不完成用于研磨辅助表面和粗加工，而且还广泛应用于高速精磨中，并开始用微细的磨粒抛光玻璃。铣磨比散粒研磨的砂面要细。例：当磨轮粒度为60~80#时，其铣磨表面的27~53um，相当于180～240散粒研磨的砂面23二.铣削加工原理二.铣削加工原理在铣磨机上，采用金刚石磨具加工玻璃的工序，称作粗磨的铣削加工，又称范成法加工。所谓范成法是利用磨轮刃口轨迹包络面形成球面的方法。(一)球面铣削原理如图所示，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，并且两轴的夹角为α，磨具绕自身高速旋转，工件绕自身低速转动，这种运动的轨迹就形成球面。球面半径的大小与两轴的夹角α有关。当磨具选定后，中径Dm的端面圆弧半径r为定值，调节不同的α角，即可加工不同曲率半径R的球面。R与α的关系如下：24１.几何原理在铣削加工时，磨轮端面在工件表面上某一瞬间的切削轨迹是一个圆，此圆与工件轴的倾斜α角，所以称为斜截圆。25垂直于直线ＯＸ并通过Ａ点的平面将球切割，其切口形成一个圆，相当于斜截圆。斜截圆与OX轴的交点为O’,圆半径r0,r0相当于磨轮中的Dm之半即：令A,B,C,D是斜截圆上的点，那么Ｒ相当于工件的半径，同时ABCD也是以Ｏ为球心，Ｒ为半径球上的圆。角AOX＝α（两轴夹角），则262.斜截圆的轨迹方程在右图中，坐标原点O为工件轴与磨轮轴的交点(即Ｏ为工件表面的曲率中心)，OZ为工件轴线，ＯＡ＝Ｒ，OZ’为磨轮轴线，o’为斜截圆的中心。在X’Y’Z’坐标系中斜截圆方程为

a设M为斜截圆上的一点，Ｍ点在XYZ坐标系中是坐标为(X,Y,Z),在X’Y’Z’坐标系坐标为(X’,Y’,Z’),将Ｍ点(X’,Y’,Z’)转换到XYZ坐标系中，根据坐标变换关系27

b将b代入a中，化简得到说明斜截圆上任意一点的轨迹是球面，即铣削加工的运动轨迹是球面。28*(二)球面铣削原理平面铣削加工的目的，是获得具有一定平面度或平行度要求的平面零件。29光学加工课程简介先进光学制造技术先进光学制造技术是为适应现代高科技发展的需要而兴起的超精密加工技术。已经发展为用数学模型描述工艺过程先、以计算机数字控制为主导的可确定性加工。应该说，光学制造技术几个世纪以来与光学科学一起历经了长期的探索，取得了持续有效的发展和进步。30(三)铣槽及磨圆弧原理为了便于安装固定或减轻质量等原因，往往进行铣槽及磨圆弧等加工。31光学加工课程简介内涵：传统加工方法不易突破的精度极限微细尺寸加工特殊形状零件加工特点：多学科交叉超精密化定量化与重复性本课程除介绍传统的光学加工技术外，将介绍部分具有代表性的先进光学制造技术。32光学制造技术发展11760-1949年资源经济时代手工作业与经典机械21950-1979能源经济时代电气自动化和刚性生产方式31980至今信息化时代机电一机化，智能化和集成化先进光学制造技术发展迅速发展历史33光学制造技术发展发展方向大型及微型空间光学，天文、航天、激光聚变等等涉及大尺寸光学元件的制造；微小光学的发展为光学技术的发展带来革命性突破，实现光学系统微型化、阵列化和集成化。长波与短波激光与红外技术；微电子X射线光刻刚性与柔性化大规模生产的光学制造技术；高精度单件小批高技术生产的柔性化、便捷化与智能化技术13234光学制造技术发展发展动力高技术的牵引市场需求推动现代战争推动123空间光学激光聚变强激光光纤通信传统光学元件需求现代光学工业市场需求间谍卫星精确制导夜战能力35光学制造技术发展放置图片36本课程内容提要超光滑表面加工技术4变折射率光