光学零件工艺学（PPT79页)

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,*,光学零件工艺学,光学零件的抛光工艺,1,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。,2,光学零件的抛光工艺,玻璃抛光机理,光圈的识别,古典法抛光工艺,高速抛光工艺,3,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,目的,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N和局部误差。也就是在玻璃或其它光学材料上，产生规则的透明表面。,抛光的本质是,机械,、,化学,和,物理,三种作用综合的结果。,4,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进行，使玻璃表面凸出部分被切削掉，逐渐形成光滑的表面。实验根据是,抛光表面有起伏现象,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,5,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，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,玻璃表面分子的流动而掩盖了划痕,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,6,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,水对玻璃的作用,抛光模材料的化学作用,抛光剂的化学作用,抛光液PH值的影响,添加剂的化学作用,玻璃的化学作用,7,6-2 样板检验原理,被检验光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差,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，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。,光学零件面形偏差是在圆形检验范围内，通过垂直位置所观察到的光圈数目、形状、变化和颜色来确定的，并且面形误差用光圈数表示，所以，样板检验亦称“光圈检验”。,8,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,目的,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别出来的。光学零件的面型精度包括,曲率半径偏差,、,像散偏差,和,局部偏差,三个内容。,9,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,10,（一）,光圈数N与空气隙厚度h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：,11,则相邻亮条纹空气隙厚度差近似为：,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。,12,（二）,光圈数N与曲率半径偏差R的关系,光学零件曲率半径与工作样板半径之间的偏差，以干涉条纹数，即光圈数N表示。值不仅取决光圈数N、零件与样板的接触口径D（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），还是在中部接触（高光圈）。,样板与透镜沿边缘接触情况,13,-透镜曲率半径,-透镜曲率半径偏差,-直径之半,-零件与样板接触口径,-光圈数,-入射光波长,光圈数与半径偏差的关系是：,14,（三）光圈半径 与波长 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， 为透镜的曲率半径。,满足暗条纹条件为,=,15,（四）相邻光圈的间隔 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,16,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。,17,二、光圈的识别与度量,低光圈: 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，则称低光圈,高光圈: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，则称高光圈 。,18,识别光圈高低常用方法有三种 ：,1. 周边加压法 ：此方法适用于光圈N1的判断。,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随之移动。对于低光圈，空气隙,等厚层的移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。高光圈识别，正好与此相反。,19,20,2. 边缘点力法：在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,21,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，其精度可达到 左右。,22,23,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N35mm的标准样板的制造,72,标准样板的制造,R35mm的标准样板的制造,对于R35mm的标准样板,为达到A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。面形的规则性是通过凹凸样板的对磨来保证。,73,标准样板的制造,R35mm的标准样板的制造,当制作R35mm的标准样板或R35mm的凹标准样板是，先将样板做成弧形，再用球径仪测量直径R。样板毛坯粗磨成型后，将非测量面抛光，再在凸样板的平面上粘上一个小平模，凹样板平面上粘一个环形平模，进行对磨来修正曲率半径，保证面形。,74,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0.5nm的表面。,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,高能量激光器的发展和应用，要求谐振腔反射表面非常光滑。,随着光学仪器的适用波段范围向紫外和X光的延伸，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性。,75,水中抛光,水中抛光,水中抛光又称BFP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。,特 点,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液中，因而工件和抛光模的热变形极小。,抛光时采用非常细的抛光剂、很小的压力和速度，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，可以使得工件表面粗糙度的均方根偏差很小。,76,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，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。,特 点,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。,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，因此是不产生热量的，所以不会出现变形、产生应力及裂纹。,77,浮法抛光,浮法抛光,将磨料（,SiO,2,和,Al,2,O,3,）用去离子水混合，抛光时，有数倍于磨料颗粒尺寸的液体层保持在抛光模（锡模）和工件之间（工件浮起），进行高速抛光。,特 点,使用比普通抛光时用的柏油和树脂更硬的材料（锡）来做抛光模。,在抛光模和被抛光表面间保持有厚度数倍于磨料颗粒尺寸的液体层。,工件和抛光模间的相对速度很大，达1.52.5m/s。,78,微弹性破坏法,微弹性破坏法,用细小颗粒磨料与工件表面进行碰撞，当其应力场大小比材料原先存在的缺陷间的距离还小时，就会产生晶格数量级的弹性破坏，以致不会留下产生弹性变形的表层。,它与浮法抛光基本相似，区别在于采用较软的聚氨酯转动球做为抛光模,79,