光学材料-光学加工流程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光学零件加工技术,概述,光学零件加工技术,光学零件加工技术,光学零件加工技术,光学零件（按形状分）,透镜：,棱镜：,光学零件加工技术,平面镜：,工艺条件,特殊零件加工,形状特殊、材料特殊,第一章 光学材料,一、光学材料的种类,光学玻璃：,光学晶体：,KDP,类型晶体,第一章 光学材料,光学塑料：,光学玻璃,:,是光学设计最常用的光学材料；,为满足光学设计对,多种光学常数,、,高度均匀性,、,高度透明性,及,化学稳定性,的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。,第一章 光学材料,（一）光学玻璃与普通玻璃的区别,:,折射率：,普通玻璃的组成：,SiO,2,+Na,2,O+CaO,光学玻璃的组成：,成分复杂,现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、铝等多种氧化物组成。,高度透明：,高度均匀性：,各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质一致,第一章 光学材料,（二）光学玻璃的种类,按主要组成成份分：,以,SiO,2,为主要成分的光学玻璃,称之为硅酸盐玻璃；占,95%,以,B,2,O,3,为主要成分的光学玻璃,称之为硼酸盐玻璃；,以,P,2,O,5,为主要成分的光学玻璃,称之为磷酸盐玻璃。,硅酸盐玻璃是制造透镜、棱镜等光学零件的主要材料。,二物质的玻璃态,物质按结构分晶体和非晶体。,玻璃态的特点：物质内部氧化物的元素以元素的离子状态存在，它们之间的,排列是没有规律的,，,无固化点,和,融化点,。,第一章 光学材料,玻璃态：,玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的无定形结构。又称过冷却液体。,三、玻璃的物理特性,各向同性：,指玻璃内部沿任何方向测得的物理性能（如折射率、热膨胀系数、硬度等）都是同值。,各向异性：沿任何方向测得的物理性能都是不同值。,介稳状态：,在一定条件下，物质可能处于相对稳定的状态，但不是能量最低储存状态，叫介稳状态。,说明玻璃有像晶体转化的趋势。,第一章 光学材料,玻璃从熔融状态向固态转化是连续可逆的。,玻璃无固化点和熔化点。,第一章 光学材料,四、玻璃的结构,(,一,),无规则网络学说认为：,1932,年 荷兰 查哈里阿生,1,、,内容：,玻璃的原子、离子、或原子团之间的结合，构成一个连续的网络体；,网络体呈现出很大的不规则性。,2,、一元体系玻璃特性（一元体系玻璃结构）：,例如：,SiO,2,晶体：石英晶体,玻璃：熔石英玻璃,第一章 光学材料,由一个硅原子和四个氧原子构成的硅氧四面体,SiO,4,。,熔石英玻璃和石英晶体的结构模型如下,石英晶体,熔石英玻璃,第一章 光学材料,化学结构式：,由于在熔石英玻璃结构中，只有,Si,0,键，且键力平衡，结合牢固。因此，熔石英玻璃具有较高的,软化温度,、,化学稳定性,、,机械强度高,以及,较低的热膨胀系数,等特性。,第一章 光学材料,3,、二元体系玻璃,Na,2,OSiO,2,化学结构式,第一章 光学材料,（二）“晶子”学说,1921,年 苏联 列别杰夫,内容：,玻璃由无数“晶子”组成；,所谓“晶子”不同于一般的“微晶”，而是带有点阵变形的有序排列区；,它们分散在无定形介质区；,从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者之间并无明显的界限。,强调：远程无序、近程有序。,第一章 光学材料,1-2,无色光学玻璃,一、光学玻璃的组成,光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类：,一类氧化物是,能生成玻璃网络结构的氧化物,，,如,SiO,2,、,B2,O,3,、,P,2,O,5,等，属,AO,2,、,A,2,O,3,、,A,2,O,5,型氧化物，称之为玻璃形成体或玻璃网络体；,另一类氧化物，,不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网络结构中间，,如,Na,2,O,、,K,2,O,、,CaO,、,BaO,、,PbO,等，属于,A,2,O,、,AO,型氧化物，他们,称之为玻璃的网络外体。,第一章 光学材料,例如：,K,9,的成分,由,SiO,2,：,69.13%,；,B,2,O,3,：,10.75%,；,K,2,O,：,6.29%,；,Na,2,O,：,10.40%,；,As,2,O,3,：,0.36%,；,BaO,：,3.07%,。,加入氧化铝（,Al,2,O,3,），能提高光学玻璃的化学稳定性和机械强度；,加入氧化铅（,PbO,）和氧化钡（,BaO,），可增大光学玻璃折射率，但化学稳定性降低；,加入氧化钠（,NaCl,），使光学玻璃化学稳定性和机械性能变差，但可降低熔炼温度；等等。,第一章 光学材料,二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号）,大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌号的标志。,1,、分类划分界限：,按光学玻璃,折射率,和,阿贝数,的大小将其分为,冕牌玻璃,和,火石玻璃,两大类。,例如：德国规定,n,d,1.6,，,d,50,为冕牌类，其余则为火石类；日本规定,n,d,1.6,，,d,55,为冕牌类，其余则为火石类。,我国光学玻璃标准规定：将玻璃分为,2,大类,，用,K,代表冕牌玻璃,，,F,代表火石玻璃,。每一大类又进一步按,n,d,及,d,分为,18,个品种,。,第一章 光学材料,冕 牌 玻 璃（,8,个）：,火 石 玻 璃（,10,个）：,第一章 光学材料,2,、牌号：,ZF,9,（,1,99,）,其中,F,种类；,ZF,品种；,ZF,9,牌号,同一品种,玻璃，它的折射率大致相同相差不多。,三、无色光学玻璃的质量指标（七项）,（一）折射率、色散系数的允差及一致性,折射率：表示光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比。,n=C/V,（,n,d,、,n,F,、,n,c,）,色散系数：不同波长的光经过折射后，出射点不同。,用中部色散,n,F,-n,c,衡量,n,F,-n,C,n,d,-1,d=,第一章 光学材料,n,d,、,d,的允差（允许差值）,分,0,、,1,、,2,、,3,、,4,四类,例如：,K,9,：,n,d,=1.5163 0,类,K,9,的,n,d,：,1.5158,1.5168,n,d,、,d,的一致性,同一批玻璃中要控制,n,d,、,d,的差值不能过大。,分,A,、,B,、,C,、,D,四级,n,d,：,5x10,-4,7x10,-4,10 x10,-4,n,F,-n,c,：,5x10,-5,7x10,-5,10 x10,-5,n,d,：,5x10,-5,1x10,-4,2x10,-4,n,F,-n,c,：,1x10,-5,1x10,-5,1x10,-5,第一章 光学材料,例如：,K9,：,n,d,=1.5163 0,类,A,级时,n,d,的大小,0,类：,1.5158,1.5168 A,级：,1.51625,1.51635,0,类,A,级去它们交集。,选取时：,小批量生产时，高级照相机物镜和高倍的望远镜物镜可选用,n,d,为,1,3,类和,d,为,2,3,类玻璃。大批量生产时选用均为,1,2,类的玻璃。,对于望远镜的第二组分和光焦度不大的透镜、目镜、会聚光路上的棱镜，可用,n,d,和,d,均为,3,4,类玻璃。,保护玻璃、分划板、毛玻璃、反射镜聚光镜、场镜、平行光路中的棱镜级弯月透镜，对玻璃的,n,d,和,d,不做要求,。,第一章 光学材料,（二）光学均匀性,1,、,定义,：同一块玻璃中，各部分折射率变化的不均匀程度。,依据,/,0,的比值，分,1,、,2,、,3,、,4,四类。,/,0,1.0,、,1.1,、,1.2,、,1.5,根据光学系统选择均匀性：,提高分辨率和高像质观察仪器的物镜，如高精度干涉仪、天文仪、测地仪、准直仪和显微镜等应用光学均匀性第,1,类的玻璃。,制作精密的望远镜、瞄准镜、观察镜以及具有高分辨和高像质的复制镜，用,2,3,类玻璃。,对普通的照相物镜，应使用第,3,4,类玻璃。,第一章 光学材料,对望远物镜的第二组分、广角物镜的弯月透镜、位置靠近像平面的光学零件（场景、分划板、棱镜），均可采用第,4,类玻璃。,对于有一面为毛面的分化镜，均匀性不作规定；对于保护玻璃、棱镜和滤光镜，其玻璃的均匀性要求可与其位置靠近的零件的均匀性要求相同。,（三）应力双折射,按,o,光、,e,光通过每,1cm,厚的玻璃产生的光程差大小,分,1,、,1a,、,2,、,3,、,4,五类,nm/cm 2,、,6,、,10,、,20,、,50,以毛坯光程差最大方向之最大部分测的为准。,第一章 光学材料,选取原则：,干涉仪和天文仪，只能使用双折射为第,1,类的玻璃。,对于高精度的望远镜、准直镜和复制显微镜的物镜以及反射镜，玻璃的应力双折射应该是第,2,3,类。,照相物镜使用双折射第,3,4,类玻璃。,聚光镜、普通仪器的目镜、放大镜采用双折射第,4,5,类玻璃。,（四）光吸收系数,E,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。,E0.015=1.5%,第一章 光学材料,分,00,、,0,、,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,八类。,选取原则：,凡是与空气临接面较多，玻璃内光程长度较短（,20,50mm,）的复杂系统，光的主要损失是反射。因此，这种系统中以及较薄的光学零件，应采用,4,6,类玻璃。,玻璃内光程较长的零件（棱镜、天文和照相仪器的透镜）、光的透过系数的降低主要是光的吸收造成的，因此这类零件应选用,00,3,类玻璃。,（五）条纹度,按检验条件分,00,、,0,、,1,、,2,四类；,按观察方向分,A,、,B,、,C,三级。,第一章 光学材料,选取原则：,对于具有极限分辨率和高像质的干涉仪、天文仪、平行光管以及显微镜的物镜必须采用,C,级,0,类玻璃。,对于目镜、聚光镜、毛玻璃用的玻璃可选用条纹第,2,类的玻璃。,（六）气泡度,首先按所含最大气泡的直径分为,0,、,1,、,2,三类；,并按每,100,立方厘米玻璃内允许含,有的气泡总截面积（平方毫米）分,为,A,00,、,A,0,、,A,、,B,、,C,、,D,、,E,七级。,第一章 光学材料,选取原则：,对于位置靠近或处于像平面上的零件，其材料不允许有气泡，应使用第,0,类玻璃。,大倍率观察仪器的分划板、分度盘、平行光管、分辨率板，应采用,0,类和,1,类玻璃。,照相物镜、双筒望远镜和大地测量仪器的物镜，允许选用,2,类,D,、,E,级玻璃材料。,在望远镜和大口径照像物镜中允许气泡度为,E,级。,第一章 光学材料,1-3,有色光学玻璃,第一章 光学材料,能选择地透过特定波长的光线；,1,、,作用,:,透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线；,均匀地减弱白光的光谱等。,2,、,组成,:,是在基本的无色光学玻璃成分中，加入少量着色剂而 成。,（一）离子着色选择吸收玻璃,着色剂在玻璃中呈离子状态，称离子着色选择吸收玻璃，简称离子着色玻璃。,离子着色剂，通常采用金属钴、镍、钼、锰、铬、钛、铜的氧化物。,第一章 光学材料,种类：,透紫外线玻璃（,ZWB,）、紫色玻璃（,ZB,）、青色（蓝色）玻璃（,QB,）、绿色玻璃（,LB,）、透红外线玻璃（,HWB,）、防护玻璃（,FB,）、透紫外线白色玻璃（,BB,等）。,（二）中性玻璃,特点：,在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不改变其光谱成分。,作用：,主要是做中性滤光片、减光镜。,牌号：,AB,1,，,AB,2,，,AB,3,，,AB,10,等。,第一章 光学材料,（三）硒镉玻璃,着色剂是采用硒化镉和硫化镉，故称硒镉玻璃。,由于着色剂在玻璃中呈胶态，亦称胶态着色玻璃。,品种：红色（,HB,）,金色（,JB,）,橙色（,CB,）,1,硒镉玻璃；,2,离子着色选择吸收玻璃；,3,离子着色中性玻璃,第一章 光学材料,1-4,特种光学玻璃,（一）耐辐射光学玻璃,加入多价离子做抑制剂。二氧化铈（,CeO,2,）就是抑制剂之一。,牌号：,例如,K,609,。,K,n09,以,K,9,玻璃为基底耐辐射能力为,10,伦琴，而且还保持,K9,玻璃的光学常数和其它性质。,（二）防辐射光学玻璃,目前我国使用的防辐射玻璃是含铅、含钡量高、密度大的,ZF,1,、,ZF,6,、,ZF,7,玻璃。,第一章 光学材料,（三）透红外和透紫外玻璃,目前，国内外红外光学材料发展的重点是适用于,1,3,m,、,3,5,m,和,8,14,m,波段的光学材料。,1,、光学石英玻璃,含,SiO,2,99.9%,，即可以透红外线，又能透过紫外线。,牌号：,JGS,1,、,JGS,2,、,JGS,3,。,光谱特性：,0.2,4.7,m,。,2,、铝酸钙玻璃,以,CaO,、,Al,2,O,3,为主要成分,透过波长：,1,1.5,m,。,牌号：,HWC31,。,第一章 光学材料,3,、高硅氧玻璃,含,SiO,2,达,96%,，其性能接近于石英玻璃。它的膨胀系数小，软化温度高，化学稳定性好，熔制温度比石英玻璃低得多。,（四）石英玻璃,1,优良的光谱特性，在,0.2,47,m,光谱范围内。,2,耐高温、热膨胀系数小，它的熔化温度在,1713,以上，软化温度是,158010,。,3,化学稳定性好，耐碱性差。,4,机械性能高。,（五）光学功能材料,激光、电光、声光、磁光等光学功能材料。,第一章 光学材料,1-5,微晶玻璃,一、结构,介于玻璃与晶体之间,玻璃陶瓷,，按,Li,2,O-Al,2,O,3,-SiO,2,做系统的玻璃。,在玻璃内部各处形成晶核；,经历两个阶段：形成晶核的玻璃在晶体生长过程中逐渐转,变为陶瓷。,微晶玻璃与普通玻璃的区别主要是,具有结晶的结构,，而与陶瓷的主要区别是，它的结晶结构要比陶瓷细得多。,第一章 光学材料,二、微晶玻璃的性能,1,、热膨胀系数小,温度,160,范围内，热膨胀系数均很小，室温膨胀系数接近于零。,2,、强度大,微晶玻璃比普通压延玻璃的强度高八倍。,3,、硬度高，比重小,硬度比熔石英玻璃高，比重小，约为,2.44,2.62,，比铝还轻。,4,、稳定性极高,它比目前使用的其它反射镜材料都好。,三、应用,平晶、标准米尺、大型反射镜、激光制导陀螺等。,第一章 光学材料,1-6,光学晶体,一、概念,晶体是具有格子结构的固体。,定义,：,晶体的结构与玻璃不同，即构成晶体内部的质点（原子,和离子），是以点阵的形式在三度空间作有规律的、重,复的排列，构成所谓的,格子结构。,格子结构：,空间格子中的点，称为,结点,；结点在直线上的排列称为,行列,；结点在平面上的分布称为,面网,；在三度空间中,空间格子的最小单位称为,平行六面体,。,第一章 光学材料,实际晶体的最小单位称为,晶胞,。,组成晶体多面体外形的平面称为,晶面,；两个晶面相交而成的直线称为,晶棱,；三条晶棱会聚的点称为,角顶,。晶胞三个棱的方向称为,晶轴,。,晶体分为三大晶族，七大晶系，光学晶体多属中级和高级晶族的晶体，如石英晶体是属中级晶族中的六方晶系；萤石是高级晶族，属立方晶系。,二、晶体的基本性质,（一）均匀性,晶体内部质点性质和排列方式,都是相同的。,第一章 光学材料,（二）各向异性,晶体内部不同方向上质点性质不同，排列方式也不同所引起的。,（三）对称性,晶体光轴为对称轴,单轴,（四）自范性（自限性）,晶体具有自发地形成封闭集合多面体外形的性质。,（五）最小内能行及稳定性,第一章 光学材料,三、光学性质,（一）双折射,与晶体结构对称程度有关。,（二）旋光性,当平面偏振波沿光轴方向传播时，偏振面旋转一定角度的现象。,（三）吸收性和多色性,吸收性：各项异性。,多色性：除等轴晶体外，同一晶体的不同方向上呈现出不同的,颜色。,第一章 光学材料,四、力学性质,（一）解理,解理性,：指晶体在外界定向机械力的作用下，,按着一定的方向分裂成光滑平面的能力。,解理面：因解理而成的平面。,断口：依一定方向破裂而成的凹凸不平的表面。,（二）硬度,硬度,：表示物体对外来机械侵入所表现的抵抗能力。测定方法,不同，硬度的标准也不同。对晶体最常用的是莫氏硬度。,第一章 光学材料,磷灰石：,正长石：滑石：,第一章 光学材料,旧莫氏硬度：（,1,0,种）,滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。,新莫氏硬度,：（,15,种）,滑石、石膏、,方解石,、,萤石,、磷灰石、正长石、熔融石英、,石英,、黄玉、,石榴石,、碳化锆、,刚玉,、,碳化硅,、,碳化硼,、,金刚石,。,五、晶体的溶解度,晶体的溶解度表示在一定的温度下，该晶体在,100g,水中所能溶解的克数。,第一章 光学材料,六、分类及应用,（一）按晶体的用途分类,1,、紫外、红外晶体,有石英（,SiO,2,）、萤石（,CaF,2,）、氟化锂（,LiF,）、岩盐（,NaCl,）、硅（,Si,）、锗（,Ge,）等。,石英：,第一章 光学材料,萤石晶体：,岩盐：,第一章 光学材料,2,、偏振晶体,常用的偏振晶体有方解石（,CaCO,3,）、石英和硝酸钠（硝石）等。,方解石：,第一章 光学材料,3,、复消色差晶体,利用晶体特殊的色散特性制造复消色差物镜，如萤石与玻璃组合制成复消色差系统，可以消除球差和二级光谱。,4,、激光晶体,可用作固体激光器的工作物质，如红宝石、氟化钙和钇铝石榴石等。,刚玉：石榴石：,第一章 光学材料,（二）按硬度和工艺方法分类,1,、硬质晶体,硬质晶体的硬度比玻璃高。玻璃的莫氏硬度约为,6,，石英晶体、红宝石、钇铝石榴石等，莫氏硬度在,7,9,之间。,2,软质晶体,大部分光学晶体均属软质晶体，莫氏硬度为,2,4,。常用的软质晶体有萤石和方解石等。,3,水溶性晶体,水溶性晶体的种类很多，例如氯化钠、氯化钾和,ADP,（磷酸氰氨）、,KDP,（磷酸氰钾）等。,第一章 光学材料,1-7,光学塑料,一、光学塑料的组成及种类,（一）组成,在树脂中添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂等。塑料的基本性质，主要取决于树脂的性质，添加剂对改善塑料的性能起着重要作用。,第一章 光学材料,（二）分类,光学塑料按其性质分为：热塑性塑料：是线性分子链结构。,热固性塑料：是网状分子链结构。,1,、聚甲基丙烯酸甲酯（,PMMA,）,高度透明，对可见光的透过率高达,92%,，并能透过,73%,的紫外光。它的折射率为,1.492,，与冕牌玻璃相近，故称,王冕塑料,。,缺点,：表面硬度低、易划伤。,优点,：冲击强度高、不易碎、质轻、价格低、已成型。,成型方法,：浇注成型法、注射成型法、机械加工成型法、热成型法。,第一章 光学材料,2,、聚苯乙烯,它的折射率为,1.591,。与火石玻璃相近，故称火石塑料。,缺点：强度低，耐热性差。,优点：自由着色、无臭无味无毒、吸湿性小。,3,、烯丙基二甘醇碳酸脂（,CR39,）,是目前使用的唯一的热固性光学塑料，通常采用浇铸成型。,缺点收缩率大、价格贵。,优点：耐磨、抗冲击、抗化学腐蚀性强。,4,、苯乙烯,丙烯酸酯共聚物,70%,的苯乙烯和,30%,的丙烯酸酯的共聚物。可调其,2,者的成份，成份不同折射率不同。,第一章 光学材料,二、光学塑料的优缺点,优点：,1,比重小,光学塑料的比重在,0.83-1.4,之间，而光学玻璃为,2.5-4.7,。,2,耐冲击强度高,3,透红外、紫外性能好,4,耐温度骤变能力强,5,易成型、成本低,缺点：,1,热膨胀系数高，吸水性大,2,硬度低、易划伤,3,光学常数选择范围有限,4,耐溶剂性能差,第二章 光学零件加工的技术要求,2-1,光学零件及零件图,一、光学零件种类,1,、透镜,第二章 光学零件加工的技术要求,2,、棱镜：,3,、平面镜：,分划板、度盘、码盘,第二章 光学零件加工的技术要求,表面作用：,工作表面：有效表面，它用于光的透射、反射、改变光束方,向或会聚光线等方面。,辅助表面：用于连接、支撑和固定的，又称装夹或安装表面。,自由表面：用于零件的夹紧或在完成零件基本加工后，为限,制零件的形状和尺寸，去掉多余材料得到的表面。,二、光学零件图,在光学零件图中要反映以下内容：,反映出零件的几何形状、结构参数和公差；,反映出对光学材料的质量要求；,反映出对光学零件加工精度和表面质量的要求。,第二章 光学零件加工的技术要求,第二章 光学零件加工的技术要求,第二章 光学零件加工的技术要求,第二章 光学零件加工的技术要求,1,、反映零件的几何形状、结构的主要尺寸,（,1,）透镜,表面曲率半径,R,；曲率中心位置；透镜的中心厚度,d,；,边缘厚度,t,；透镜外圆直径,D,；有效孔径,D,0,；,倒角的位置、角度和宽度等。（倒角分工艺性倒角和装配性倒角）,o,1,o,2,第二章 光学零件加工的技术要求,（,2,）棱镜,棱镜各面间的夹角；,棱镜的厚度和高度；,倒角和成形截面的位置、角度,和宽度等。,2,、对光学材料质量指标和光学零件加工的要求,（,1,）光学材料质量指标,7,项,第二章 光学零件加工的技术要求,（,2,）光学零件加工要求,透镜,光圈数,N,；局部光圈数,N,；,中心偏差,C,；样板精度,R,；,表面疵病等级,B,；光学零件的气泡度,q,。,棱镜,N,、,N,、,B,、,q,；光学平行差,、,；,角度误差；两相同角度差值（如,45,）；尖塔差,；,平行平面的平行度公差；屋脊棱镜的双象差；有效孔径。,第二章 光学零件加工的技术要求,3,、其它技术要求,如镀膜、刻划及某些面的粗糙度要求等。,增透膜 外反光膜 内反光膜,分光膜 滤光膜 防水膜,保护膜 光热膜 感光膜,第二章 光学零件加工的技术要求,2-2,光学玻璃的要求,一、对折射率和色散系数的要求,五类四级,二、对光学均匀性的要求,四类,三、对应力双折射的要求,五类,四、对光吸收的要求,八类,五、对条纹度的要求,四类,3,级,六、对气泡度的要求,三类,7,级,第二章 光学零件加工的技术要求,2-3,对光学零件的要求,一、对光学样板的要求（,R,）,光学样板半径所允许的半径偏差,R,，,根据其大小分为,A,、,B,两级。它不仅能,检查,R,的大小，还能检查,R,的变化。,第二章 光学零件加工的技术要求,二、对光圈数,N,和局部光圈,N,的要求,零件表面与样板表面之间存在的偏差，,用两表面间空气隙所产生的干涉条纹,数,N,和,N,表示。,N,表示整个表面的面形偏差；,N,表示零件表面的局部偏差。,N,1,=,3,，,N,1,=,0.3,N,2,=,2,，,N,2,=,0.2,第二章 光学零件加工的技术要求,光学零件种类,光学表面的允许误差,光圈数,N,局部光圈,N,表面疵病等级,B,物,镜,瞄准和天文仪,望远镜,航空摄影机,照相机,1-3,3-5,1-3,3-5,0.2-0.3,0.3,0.1-0.5,0.3-0.5,-,-,-,显微镜,低于,10,倍,10-40,倍,高于,40,倍,2-3,1-2,0.5-1.0,0.2-0.5,0.1-0.2,0.05-0.10,接目镜、放大镜,3-5,0.5-0.8,-,棱,镜,反射面,折射面,0.5-1.0,2-4,0.1-0.3,0.5-1.0,-,-,光栅盘和分划板,保护玻璃物镜前滤光镜,目镜前或后的滤光镜,中等精度的反射镜,5-10,3-55-10,0.5-1.5,1.0-2.0,0.3-0.5,0.8-2.0,0.1-0.3,1-10-1-30,-,-,第二章 光学零件加工的技术要求,三、对透镜中心偏差的要求,C,1,、定义,：指透镜外圆的几何轴与光轴在曲率中心处的偏离量，用,C,表示。中心偏差会使轴上象点产生慧差、象散等象差。,第二章 光学零件加工的技术要求,四、对透镜的厚度公差和空气间隙的要求,厚度公差的最小单位,0.01,。,空气间隙,第二章 光学零件加工的技术要求,五、对表面疵病的要求,光学零件的表面疵病，系指抛光后的光学表面存在的麻点、划痕、开口气泡和破边等，用符号,B,表示。,六、对光学零件气泡度的要求,标注方法有三种：,1,、只规定气泡大小，不限数量。,如,q,=0.01,，表示整个表面只允许直径小于,0.01mm,的气泡，数量不限。,第二章 光学零件加工的技术要求,2,、分区限制气泡的大小与数量,如,q=(2)0+(10)0.013+0.025,。,小于,2mm,：不允许有气泡；,2,10mm,：,d,0.01mm,的气泡，,少于,3,个；,10mm,以外：,d,0.02mm,的气泡至多,5,个。,3,、限制在一定面积内，所允许的气泡总面积,如,q=0.5/7,。,又如,q=0.6,D,0,第二章 光学零件加工的技术要求,七、棱镜的制造公差,棱镜的制造误差包括：,平面制造误差,、,外形尺寸误差,和角度制,造误差,。,重要控制等效平行玻璃板的平行差：,在光轴截面方向的偏差称为第一光学平行差，用,表示。,垂直光轴截面方向上的偏差称为第二光学平行差，以,表示。,角度公差,棱 镜 类 型,一个反射面的棱镜,二个反射面的棱镜,五角棱镜,屋脊棱镜,直角或钝角公差,锐角,(45,),公差,尖塔差,屋脊角公差,3,-12,2,-10,2,-10,2,-10,4,-10,2,-10,0.5,-5,0.2,-3,1,-5,0.5,-6,1,-5,1,-5,1,-5,第二章 光学零件加工的技术要求,八、平板零件平行度公差,九、光楔角度公差,平板零件的类型,不平行度,滤光镜,保护镜,高精度,一般精度,3-11,-10,分划板,表面图层的反射镜,背面图层的反射镜,10,-15,10,-15,2-30,光楔精度,公差,高精度,中等精度,一般精度,(0.2-10),(10-30),(30-1,),第二章 光学零件加工的技术要求,2-4,加工余量,一、基本概念,概念：,为了获得所需的一定零件形状、尺寸和表面质量，在加,工过程中，必须从玻璃毛坯上磨去一定的玻璃层。此玻,璃层（或其它材料层），通常称为加工余量。,二、分类,（一）线性尺寸余量,（二）角度余量,三、组成,（,1,）锯切余量：依据金刚石锯片厚度确定余量。,第二章 光学零件加工的技术要求,（,2,）滚圆余量：,24mm,（,3,）整平余量：,0.51mm,（,4,）厚度和平行度修磨余量,1mm/,面（棱镜、平面镜）,（,5,）粗磨余量,（,6,）精磨抛光余量,（,7,）定中心磨边余量,第二章 光学零件加工的技术要求,四、确定加工余量的原则,破坏层,n=,凹凸层,+,裂纹层,抛光后，裂纹深度小于,/4,，否则发生反射或者折射现象。,第二章 光学零件加工的技术要求,五、各工序余量的计算,1,、锯切余量,锯切余量与锯片的厚度、侧向,振动、锯切深度等因素有关。,一般可按经验公式计算确定：,式中,A,锯切余量；,锯片的厚度；,锯片转动时的振动余量。,当锯切深度,B,10mm,时，,1.5,；,10,B,65mm,时，取,2.0,；,B,65mm时，取,2.5,。,第二章 光学零件加工的技术要求,2,、粗磨余量,表面粗糙度达,180,#,砂眼，单面手修余量,0.30mm,；,240#0.20mm,；,280,#0.10mm,。,第二章 光学零件加工的技术要求,3,、研磨、抛光余量,当零件直径（边长）,d,10mm,，单面余量为,0.200.25mm,。,4,、定心磨边余量,最少,0.6mm,，最多,3.0mm,。,六、光学零件毛坯尺寸的计算,双凸透镜：,双凹透镜：,弯月透镜：,第三章 光学零件的毛坯生产,块料毛坯（小批量）,毛坯是光学零件的初型：型料毛坯（大批量）,棒料毛坯,3-1,块料毛坯生产,块料毛坯是用玻璃块加工而成的毛坯。,主要加工工序有：,锯切,、,整平,、,划割,、,滚圆,、,开球面,。,一、锯切,玻璃的切割主要采用金刚石锯料机。,第三章 光学零件的毛坯生产,按其进给机构的特点，可分为重锤进给、丝杠进给和液压进给三种。,（一）重锤进给,重锤进给又称弹性进给。锯料机的重锤进给机构工作原理如图。,（二）丝杠进给,丝杠进给又称刚性进给。机构工作原理如图。,第三章 光学零件的毛坯生产,（三）液压进给,介于弹性进给和刚性进给之间。液压进给机构传动平稳，适合精密下料。锯切的线性尺寸精度可达,0.05mm,，角度精度可达,5,。,常用的金刚石锯片有外圆锯料机上用的烧结金刚石锯片（如左图）和内圆切割机上用的电镀金刚石锯片（如右图）两种。,第三章 光学零件的毛坯生产,二、整平,整平是把锯切后的坏料不平整的表面磨平，并修磨厚度和两面的平行度，或修磨角度等。,整平的方法：,散粒磨料研磨,和,金刚石磨轮铣磨,两种。,三、划割,常采用金刚石玻璃刀（或滚刀）进行,划割加工。,第三章 光学零件的毛坯生产,四、滚圆,圆形零件的毛坯，整平后胶成长条进行磨外圆，称作滚圆。,常用方法有：在平磨盘上用散粒磨料滚圆。,在外圆磨床上用砂轮磨外圆。,五、开球面,透镜毛坯的开球面，是将滚圆后的毛坯磨成,球面，使其达到零件粗磨完工后的曲率半径,和中心厚度的要求，所以开球面亦称粗磨。,开球面有两种方法,:,散粒磨料研磨法,金刚石磨轮铣磨,第三章 光学零件的毛坯生产,球面曲率半径的检验,:,金属弧形样板检验,贴置模检查擦贴度,厚度,:,用千分尺测量；,表面粗糙度,:,用肉眼观察，无砂眼和擦痕即可。,第三章 光学零件的毛坯生产,3-2,型料毛坯的生产,光学玻璃零件的型料毛坯加工方法有：,热压成型,、,浇铸成型,等多种方法。,热压成型毛坯的主要工艺过程包括：,备料,、,加热,、,压制成型,、,退火,。,一、备料,通过计算重量、下料、修选、滚磨等工序，制成热压成型的坯料。,二、加热拍型,加热是使坯料升温到塑性变形温度，以便软化成型。,第三章 光学零件的毛坯生产,三、压制成型,料软化拍型后，即可送到压力机上的,压模内压制成型。根据毛坯直径大小不,同，压制时间一般在,0.5,3s,之间。,四、退火,退火的目的,：为了消除玻璃在热压成型过程中产生的内应力和,光学常数的不均匀性。,退火可分为,粗退火,和,精密退火,两个阶段。,第三章 光学零件的毛坯生产,1,、粗退火,粗退火是为了防止刚脱模的压型毛坯因急冷而变形炸裂。,粗退火的方式有两种：,电炉退火,和,草灰退火,。,2.,精密退火,目的,：使同一批玻璃的每块毛坯，达到光学常数的高度一致性。,第三章 光学零件的毛坯生产,3-3,棒料毛坯的生产,一、棒料的成型,二、用棒料生产毛坯,用棒料生产毛坯的一般工艺过程为：切割、开球面。,第三章 光学零件的毛坯生产,棒料的切割可采用如下方法：,1,、内圆切割法,2,、单锯片多棒切割法,第三章 光学零件的毛坯生产,3,、排锯切割法,第四章 光学零件的粗磨,目的,:,是将块料或型料毛坯加工成具有一定几何形状、尺寸精,度和表面粗糙度的工序。,粗磨的方式,：散粒磨料加工法,固着磨料加工法,4-1,散粒磨料粗磨,散粒磨料粗磨是指用金刚砂和水搅拌而成,的磨料在磨盘对玻璃工件进行的粗加工。,一、加工原理,仿型法,第四章 光学零件的粗磨,1,、粗磨球模形状：,磨凸面零件用凹球磨,磨凹面零件用凸球磨,2,、粗磨工序,粗磨球面一般要用从粗到细,三道磨料,加工。,第一道磨料粒度的选择要根据加工工件弧高大小而定。,单件弧高大于,1mm,时，第一道磨料粒度粗于,180单件弧高在,0.4,1mm,时，选用,180,磨料；,单件弧高小于,0.4mm,时，选用,240#,或,280#,磨料。,第二道、第三道粗磨磨料力度选择比第一道磨料粒度要依次减小,1,、,2,个粒度号。粗磨完后表面粗糙度要求达,1.6m,，相当于,W40,或,W28,磨料加工的表面。,第四章 光学零件的粗磨,注意：,磨凸面用凹球模，磨凹球面用凸球模。,粗磨用球模的材料多为铸铁。,三道磨料不同，三道球模曲率半径也不一样。,3,、粗磨检验,在粗磨过程中应随时检查偏心量和厚度公差。,第四章 光学零件的粗磨,检验：,检验点,对凸球面,检验环,对凹球面,凸球面零件：,第一道砂完后，中心留,2,4mm,圆台。,第二道砂完后，检验点被磨去自身直径的,1/2,2/3,。,第三道砂完后，检验点消失，查看擦贴度是否达,1/2,2/3,。,凹球面零件：,第一道砂完后，检验环宽度大于,1mm,。,第二道砂完后，检验环宽度大于,0.3mm,。,第三道砂完后，检验环消失，查看擦贴度是否达,1/2,2/3,。,第四章 光学零件的粗磨,二、散粒磨料研磨机理,主要是尖硬的磨料颗粒对玻璃表,面的机械破碎去除过程，水解作,用是次要的。,注意：,在加工过程中，首先起作用是粒度较大的磨料颗粒，,大致占所加磨料的,15%,左右,璃被去除的同时，磨盘表面也会有微量的磨损，,研磨中水的作用，一是均匀分布磨料的作用；二是冷却作用；三是水解作用。,第四章 光学零件的粗磨,4-2,球面铣削加工,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成型球面的方法。是一种固着磨料加工方法。,第四章 光学零件的粗磨,一、球面铣削原理,条件：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。,两轴夹角为,。,磨轮绕自身轴高速旋转，工件绕自身轴低速转动。,第四章 光学零件的粗磨,二、磨削机理,概括地讲，磨削是一种脆性材料的多刀刃切削去除过程。,当在金刚石棱尖施加一定的压力，并沿玻璃滑动时，玻璃表面将被破坏，出现一个具有一定宽度和一定开裂角的划痕，同时在划痕下面有一深入玻璃表面内部的裂纹。,第四章 光学零件的粗磨,4-3,球面铣削加工,一、磨料,（一）种类,主要的天然磨料有：金刚石、刚玉（,Al,2,O,3,）和金刚砂等。,常用的人造磨料有：人造金刚石、人造刚玉、碳化硼（,B,4,C,）、,人造碳化硅（,SiC,）等。,在粗磨及精磨中，使用最多、效率最高的磨料是碳化硅。其莫氏硬度为,9.5,9.75,。,（二）粒度,磨料的粒度是指其颗粒的大小。,分为筛选法和水选法。,筛选法,：粒度号用一英寸长度上有多少个筛孔数来命名的。,如,60,粒度，是指一英寸长度上有,60,个筛孔，依次类推。,第四章 光学零件的粗磨,水选法,：其粒度号表示磨料的实际尺寸。,如,W20,，表示该号微粉的颗粒上限尺寸为,20m,。,二、磨具,（一）金刚石磨具特征标志,（,1,）磨料种类：人造金刚石磨料，标志为,JR,，,天然金刚石磨料，标志为,JT,。,（,2,）粒度：常用,80,W5,。,（,3,）硬度：常用,Z,（中），,ZY,（中硬），,Y,（硬）。,（,4,）浓度：常用,25%,，,50%,，,70%,，,100%,。,（,5,）结合剂：有树脂结合剂（,S,），青铜结合剂（,Q,），,陶瓷结合剂（,A,），电镀结合剂（,D,）。,第四章 光学零件的粗磨,（,6,）形状：,有平行轮（,P,）、薄片轮（,PB,）、杯形轮（,B,）、碗形一号,轮（,BW1,）、碗形二号轮（,BW2,）、蝶形一号轮（,D1,）蝶形二号轮（,D2,）、单面凹轮（,PDA,）、双面凹轮,（,PSA,）、简形轮（,NP,，,NH,）、切割轮（,PBG,）等。,（,7,）外径：代号,D,（,8,）厚度：代号,H,（,9,）孔径：代号,d,（,10,）金刚石层环厚：代号,b,（,11,）金刚石层层厚：代号,h,（,12,）金刚石角度：代号,第四章 光学零件的粗磨,（二）金刚石磨具特性参数的选择,1,、粒度,金刚石磨具的粒度对磨削效率和表面粗糙度的影响正好相反。,一般铣削用的磨具粒度，范围在,80,120,。,2,、结合剂,目前，国内外使用四类结合剂。耐磨性由弱到强的顺序为：树脂结合剂；陶瓷结合剂；金属结合剂；电镀结合剂。3,、硬度,磨轮的硬度是指磨具表面的磨粒在外力作用下脱落的难易程度。,第四章 光学零件的粗磨,4,、浓度,浓度,：是指在磨具金刚石层内每立方厘米的体积内含有金刚石,的重量。规定每立方厘米中含有,4.4,克拉金刚石作为,100%,浓度。,4-4,铣磨加工中的工艺参数的选择,一、磨头转速,磨头转速是由机床性能决定的。,CG2.0,、,CG-W100S,、,CG-W30S,、,LOH,厂的,RF,1,、,RF,2,。,磨轮边缘线速度又称磨削速度，其速度在,12,35m/s,，磨削效果较好。,第四章 光学零件的粗磨,二、工件转速,工件线速度实际上是进给速度,.,一般选,150,250mm/min,较