第二章光学零件加工技术

光学零件加工技术

薛常喜

光电工程学院光学零件的技术条件是制定工艺规程、选择光学材料和进行光学加工的依据，它反映了光学系统的设计要求并保证光学系统设计的质量指标，因此必须在加工中予以达到。光学零件的技术条件应包括对光学材料的质量要求和对光学零件加工精度和表面质量的要求，通常用表格的形式填写在光学零件图的左上角第二章光学零件的技术条件光学零件图是加工与验收该零件的依据，内容（技术条件：表格；零件形状尺寸：图形）一.光学零件图反映该零件的几何形状、结构参数和公差（一）透镜零件尺寸有；1.表面曲率半径和曲率中心位置R1=218.33，R2=16.362.透镜的中心厚度d=1.08±0.073.外圆直径，有效孔径D0=14.72，4.倒角的位置、角度、宽度（二）棱镜的参数有：1.棱镜各面间的夹角；2.棱镜厚度、高度3.倒角（边）的位置角度宽度

光学零件的技术条件第一节光学零件图

二.光学零件图注明对光学玻璃的要求，对光学零件的技术条件、表面粗糙度、表面处理及其他技术条件技术条件：①对材料要求；②对零件要求表面粗糙度：3.2其余工作表面R2，辅助表面一般为相当于p249表Ⅲ——1表面处理：除漆增透膜F82——真空蒸镀单层MgF2光学零件的技术条件第一节光学零件图

（一）对玻璃的要求。根据光学零件对光学玻璃的要求，在零件图上应标明玻璃质量指标的类别和级别。无色光学玻璃按国家标准(GB903—65)规定的质量指标标注，有色光学玻璃参照部标(WJ277—65)标注。对无色光学玻璃应标明下列指标：应注明玻璃质量指标的类别、级别（72页）、折射率、中部色散与标准值允差。同一批玻璃中折射率、中部色散的一致性（数字表示类别，字母表示级别）1.nD2.D=nF-nC

3.光学均匀性4.应力双折射5.光吸收系数6.条纹度7.气泡度光学零件的技术条件第一节光学零件图

（二）对零件的要求对玻璃的要求（即对上述各质量指标的确定），可根据光学零件的用途、精度来选择。光学零件的技术条件第一节光学零件图

表2—1光学玻璃的质量要求8E3C1C3C2B4C3C3C气泡度2C1A1C1C1B1C1C1C条纹度53443544光吸收系数43333333应力双折射53444432光学均匀性3D3D3D3C3D2C1B△nF-nC3D3D3D3D3C3D2C1B△nD2ω＜5002ω＞500一般精度中精度高精度不在光路中的零件棱镜分划板目镜物镜技术指标光学零件的技术条件第一节光学零件图

在光学设计中，为了保证光学系统的成象质量和其他特定要求，除规定了对玻璃材料要求外，还需要对零件加工后的质量提出一些技术要求。

透镜：光圈数N，局部光圈△N，中心偏C，样板精度△R，表面疵病等级B，气泡度q

棱镜：除N、△N、B、q外，还有光学平行差θⅠ，θⅡ；角度误差；两相同角度差δ450，尖塔差π，双象差S，有效孔径D0，平行平面的平行度公差。光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求一、光学表面的面形质量精度1.圈数N和局部光圈数△N

在加工过程小，通常都是用精度较高的光学样板来检验零件的形状误差（干涉条纹数），即光圈数N。此时光学零件的表面形状误差包括两部分：一是光学样板本身的误差；二是零件表面与样板表面之间存在的误差。后者用零件表面与样板表面的空气隙产生的干涉条纹数来表示。光圈N表示整个表面形状的误差，表示表面形状的局部误差。局部不规则程度用△N表示1N=0.25μm，1μm=4N

零件制造误差由于样板与零件表面曲率半径不同，从而二者之间存在空气层。一束光入射在二表面，反射形成二束光→产生干涉→条纹数（光圈数N）。一般△N=（0.1～0.5）N，（1/10～1/2）N。光圈数N，△N是根据零件在光学系统中作用，在设计时确定零件种类，p37表4-2光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求表2—2N与的选用△N

1.0～5.05～15场镜、滤光镜分划板0.3～0.53～53～53～6物镜转象透镜目镜望远系统

0.05～0.20.1～1.00.1～0.50.5～12～51～5物镜滤光镜照相系统投影系统0.1～0.50.3～0.50.05～0.11～22～40.1～0.4棱镜a反射面b折射面c屋脊面反射镜0.1～0.50.5～0.11～33～5物镜目镜显微镜和精密仪器

△NN△NN

表面误差零件性质仪器类型表面误差零件性质仪器类型光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求2.标准样板精度等级△R

光学零件表面曲率半径正确与否是用光学样板来检验的，因而样板本身的制造精度也直接影响到零件的检验与加工精度。光学样板的曲率半径与理论值的误差分为A、B两级，P129表7-14，样板精度用△R表示。一般NG（工作样板）比N（零件）高3～5倍如R1=16.36，△R=A，表半径允差为±2μm，16.36±0.002，R=16.362～16.358当R＞35，R1=218.33时允差用对称尺寸的百分数表示△R/R=0.03%，△R=218.33×0.03%光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求表2—3标准样板的精度等级表2—4标准样板的光圈要求0.05R/10000.050.035.03.01.0B0.03R/10000.030.022.01.00.5AR公称尺寸的百分数△R/μm允差（±）＞1000～40000＞350～1000＞35～350＞10～350＞5～100.5～5球面标准样板曲率半径R/mm精度等级曲率半径R/mm0.5～750＞750～40000∞精度等级ABABABN△N0.51.00.20.50.050.100.1光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求二、加工表面的表面质量1、表面疵病等级B（只对抛光后的表面）（对抛光后表面其他工序，B=V五级，另有规定）表面疵病指光学零件加工过程中产生的麻点，划痕、开口气泡，破边等。①表面疵病会产生散射光，使象面衬底降低，影响观测效果；②位于象面附近的零件，其表面疵病会扰乱视场，影响观察、读数、甚至错判目标。③表面疵病的存在会使光学零件容易长霉生雾。④表面疵病也影响整个光学仪器的美观，故在加工中严格控制。光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求（1）表面疵病分级

a）根据光学零件表面允存疵病的尺寸和数量，共分10级。（a）0～I—30级适用于位于光学系统象平面上及其附近的光学零件其允许疵病尺寸和数量见表2—5。Ⅱ—VII级适用于不位于光学系统象平面上的光学零件其允许疵病的尺寸和数量见表2—6。b）零件表面疵病的尺寸及数量虽未超过表2—6中的规定，但发现有疵病密集在一起的现象时，还须补充测定表2—7各级所规定之限定区内疵病的尺寸及数量。

c）在规定检验条件下，直径小于表2—6中各级下限规定之麻点和宽度小于表2—6中各级下限规定之擦痕，若能明显分开，则不考核，若不能明显分开，则按表2—6考核。光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求d）开口气泡和破点，均当作麻点看待，长圆形麻点的直径以此麻点最大轴线和最小轴线长度的算术平均值来计算。e）擦痕宽度和长度的算术平均值如没有超过该零件表面允许之最大麻点直径时，则按麻点进行考核。f）破边大于0.5mm时应磨毛，进入有效孔径部分的破边应按麻点进行考核。e）凡发展性的疵病均不允许存在。零件表面有效孔径以外疵病，若不影响零件在镜框中的牢固性和密封性，则不予考核。光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求表2—5表面疵病等级的选择光束孔径Dn/mm疵病等级使用范围0～0.5Ⅰ—10（当等值目镜焦距为10～15mm）位于光学系统成象面或距成象很近的零件表面Ⅰ—20（当等值目镜焦距为＞15～25mm）Ⅰ—30（当等值目镜焦距为＞25mm）0.5～2Ⅱ位于光学系统成象面附近的零件表面＞2～5Ⅲ＞5～15Ⅳ＞15～25Ⅴ距离光学系统成象面或很远的零件表面＞25～50Ⅵ＞50Ⅶ光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求2、表面粗糙度光学零件表面粗糙度指整个加工表面的微观不平度，即表面凸凹层的平均高度。抛光表面常为Rz0.028，Rz0.1；粗糙度粗时易产生光的散射影响象质。光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求三.透镜的中心误差X’

透镜的中心偏差C：透镜外圆的几何轴与光轴在曲率中心的偏离量，用C表示指透镜的面倾角α：即球面曲率中心与球面顶点的连线相对于基准轴所成的夹角C=αRR为球面曲率半径透镜的中心误差X可影响象质，使轴上象点产生慧差，象散等。为了保证成象质量。在设计时，根据用途必须提出对中心误差的要求，在加工时必须达到。其选择见P38表4—3p30光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求四.角度误差1.平行平板的平行度θ（楔角）平行平板的平行误差使平面产生一个楔角，引起色差，慧差等象差。该楔角公差按用途不同，依P38表4-4选择光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求2.反射棱镜的角度误差光线从反射棱镜的入射面垂直入射，在出射前对出射面法线的偏差，或将反射棱镜展开成等效平板时，平行玻璃板的平行差称为光学平行差。反射棱镜的角度误差通常用第一光学平行差θⅠ，第二光学平行差θⅡ表示①第一光学平行差θⅠ——反射棱镜展开等效平行平板后，在入射光轴截面内的偏差。②第二光学平行差θⅡ——在等效平行板内与入射光轴截面相垂直的平面内的偏差。

光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求光学平行差与棱镜几何误差有关，对于入射光轴截面与出射光轴截而共面的单个棱镜。第一光学平行差是由反射棱镜在光轴截面上的角度误差引起的；第二光学平行差是由反射棱镜的位置误差引起的(棱的位置误差称为棱差)。对于复杂的棱镜，可以分解为两个以上的简单棱镜来处理。在直角反射棱镜，在对零件要求一栏中通常注明θⅠ，θⅡ；如θⅠ=10’θⅡ=7’③也有注明为，其中θⅠ=，即两个450角实际值之差。而=θⅡ/1.4（折射率），直角棱与所对弦面之间夹角称为尖塔角或棱差。对于不同的反射棱镜，角度误差，尖塔差与第一、二平行差θⅠ，θⅡ有不同的对应关系。控制θⅠ，θⅡ，实际上是保证角度误差和棱差光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求3.屋脊棱镜的双向差S平行光入射到屋脊棱镜，由于屋脊角（900）的误差，出射光成为相互间有一夹角的两束光，因而在成象面上形成双象。该夹角称为双象差，用S表示,n—折射率，δ——屋脊角误差，β—入射光与屋脊棱法线的夹角当入射光垂直屋脊棱，β=0，图2.1屋脊棱镜的双象差光学零件的技术条件第二节对光学零件的要求五.光学零件的气泡度q有些光学零件除了对玻璃材料的气泡度提出要求外，对完工后的零件也应给予气泡度的要求，限制一定面积内所允许气泡的总面积。如q=φ0.5/φ10，表示在零件工作区内，任意以10mm画圆的圆面积内，气泡总面积不大于以0.5为直径的圆面积。标注方法：①只限制气泡大小，不限制数量