光学加工基础知识.docx
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光学加工基础知识
光学加工基础知识
§1光学玻璃基本知识
一.基本分类和概念
光学材料分类：
光学玻璃、光学晶体、光学塑料三类。
玻璃的定义：
不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有固体的机械性质的，均称为玻璃。
光学玻璃分为冕牌K和火石F两大类，火石玻璃比冕牌玻璃具有较大的折射率nd和较小的色散系数vd。
二.光学玻璃熔制过程
将配合料经过高温加热,形成均匀的，高品质的，并符合成型要求的玻璃液的过程,称玻璃的熔制。
玻璃的熔制，是玻璃生产中很重要的环节.，玻璃的许多缺陷都是在熔制过程中造成的,玻璃的产量、质量、生产成本、动力消耗、熔炉寿命等都与玻璃的熔制有密切关系。
混合料加热过程发生的变化有:
物理过程-----配合料的加热，吸附水的蒸发，单组分的熔融，个别组分挥发.某些组分的多晶转变。
化学过程-----固相反应，盐的分解，水化物分解，结晶水的排除，组分间的作用反应及硅酸盐的形成。
物理化学过程-----低共熔物的组分和生成物间相互溶解,玻璃与炉气介质，耐火材料相互作用等。
上述这些现象的发生过程与温度和配合料的组成性质有关.对于玻璃熔制的过程,由于在高温下的反应很复杂,尚待充分了解,但大致可分为以下几个阶段。
1.加料过程-----硅酸盐的形成
2.熔化过程-----玻璃形成
3.澄清过程-----消除气泡
4.均化过程------消除条纹
5.降温过程-------调节粘度
6.出料成型过程
总之,玻璃熔制的每个阶段各有其特点,同时,它们又是彼此互相密切联系和相互影响的.在实际熔制中,常常是同时或交错进行的,这主要取决于熔制的工艺制度和玻璃窑炉结构特点。
三.玻璃材料性能
1．折射率nd、色散系数vd
根据折射率和色散系数与标准数值的允许差值，光学玻璃可以分为五类
表1-1：
折射率和色散系数与标准数值的允许差值
折射率与标准数值的允许差值
色散系数与标准数值的允许差值
类别
折射率nd允许差值
色散系数vd允许差值
0
±3×10-4
±0.3%
1
±5×10-4
±0.5%
2
±7×10-4
±0.7%
3
±10×10-4
±0.9%
4
±20×10-4
±1.5%
2.光学均匀性
光学均匀性指同一块玻璃中折射率的渐变。
玻璃直径或边长不大于150mm，用鉴别率比值法玻璃分类如表1-2。
表1-2：
光学均匀性
类别
1
2
3
4
ф/ф0
1.0
1.0
1.1
1.2
1类或2类还应测星点。
玻璃直径或边长大于150mm，称大块光学玻璃，根据玻璃各部位间折射率微差值最大值Δnmax分类。
如表1-3。
表1-3：
大块光学玻璃光学均匀性
类别
H1
H2
H3
H4
Δnmax
±2×10-6
±5×10-6
±1×10-5
±2×10-5
3.应力双折射
光学玻璃的应力分中部应力（张应力）和边缘应力（压应力）。
中部应力：
按长度单位上中部应力的最大光程差δnmax（nm/cm）分类：
表1-4：
光学玻璃中部应力双折射分类
类别
1
1a
2
3
δnmax（nm/cm）
2
4
6
10
边缘应力：
按单位厚度的最大光程差δnmax（nm/cm）分类：
表1-5：
光学玻璃边缘应力双折射分类
类别
D0
D1
D2
D3
δnmax（nm/cm）
3
5
10
20
4.条纹度
条纹是玻璃内部折射率的局部不均匀引起。
边长或直径小于150mm，称小块光学玻璃，分四类；
表1-6：
小块光学玻璃条纹度
类别
光阑孔径
投影距离L2（mm）
投影距离L1（mm）
观察结果
00
1
650±300
2000±100
无条纹影象
0
2
650±300
2000±100
1
3
250±10
750±30
2
4
250±10
750±30
长度《12mm，
每300cm3中《10条，间距》10mm
边长或直径大于150mm，为大块玻璃，分四类；
表1-7：
大块光学玻璃条纹度
类别
光阑孔径
投影距离L2（mm）
投影距离L1（mm）
观察结果
D0
0.5
2500±100
8000±200
无条纹影象
D1
2
2500±100
8000±200
D2
2
2500±100
8000±200
有细小条纹影象，间距间距》40mm
D3
2
2500±100
8000±200
1.直径或边长《250mm，允许有1条，长度《玻璃直径或边长的1/4；
2.直径或边长》250mm，允许有3条，长度《玻璃直径或边长的1/3
按观察玻璃的方向数，分三级。
表1-8：
条纹度分级
级别
A
B
C
观察玻璃的方向数
3
2
1
5.气泡度
根据气泡度根据其直径或最大边长，按最大气泡的直径分三类。
表1-8：
气泡度分类
类别
0
1
2
最大直径或边长mm/
允许气泡最大直径mm
0-20/0.05
0-20/0.1
0-20/0.1
20-120/0.4
20-120/0.6
20-120/0.9
>120/0.4
>120/0.6
>120/0.9
根据100cm3体积内含直径》0.05mm气泡总截面积分七级。
扁长气泡按最长轴与最短轴算术平均值，结石和晶体按气泡计算。
表1-10：
气泡度分级
级别
A00
A0
A
B
C
D
E
总截面积
>0.003-0.03
>0.03-0.1
>0.1-0.25
>0.25-0.5
>0.5-1.0
>1.0-2.0
>2.0
6.光吸收系数
1cm厚光学玻璃所吸收的白光光通量与进入该玻璃的白光光通量之比（E值）。
表1-11：
光吸收系数分类
类别
00
0
1
2
3
4
5
6
Emax
0.001
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.015
0.03
7.主要化学性能、机械性能
7.1RC（S）抗潮湿大气作用稳定性表面法
光学玻璃被潮湿大气侵蚀后，其表面产生“白斑”和“雾浊”等变质层，该变质层会使平行光的散射性增大。
因此可根据侵蚀玻璃表面对光散射性的强弱来确定侵蚀表面的变质程度。
按国家标准GB7962.15测试方法，可测出被侵蚀试样变雾浊程度的“浊度”H值，将该置于BaK7和ZK9玻璃标样的浊度值（HBaK7和HZK9）比较。
表1-12：
玻璃抗潮湿大气稳定性
级别
H
说明
1
H≤HBaK7
80倍显微镜下观察无均匀水斑
2
H≤HBaK7
80倍显微镜下观察有均匀水斑
3
HZK9≥H＞HBaK7
______
4
H＞HZK9
______
7.2RA（S）抗酸作用稳定性表面法
光学玻璃抗酸稳定性采用PH2.9醋酸、PH4.6醋酸钠和PH6.0蒸馏水做侵蚀介质，按国家标准GB7962.14测试方法进行测定。
按在白炽灯下观察侵蚀试样表面出现紫蓝干涉色的时间大小。
表1-13：
抗酸作用
级别
PH2.9±0.2
PH4.6±0.2
PH6.0±0.2
出现干涉色时间
出现干涉色时间
出现干涉色时间
1a
≥5h
1b
＜5h,≥0.5h
2a
≥30min
2b
＜30min,≥min5h
3a
＞3h
3b
≤3h
7.3粉末法耐酸作用稳定性RA（P）
将相当于玻璃密度大小重量（克）的玻璃粉末（粒度420---590nm）置于铂制网篮中，然后，放进盛有80ML硝酸（0.01N）溶液的石英烧杯中，经1小时煮沸处理，取出烘干称重，根据其重量损失（Wt%）分为6级。
表1-13：
粉末法耐酸作用
级别
1
2
3
Wt%
≤0.20
＞0.2--0.35
＞0.35--0.65
级别
4
5
6
Wt%
＞0.65--1.2
＞1.2--2.2
＞2.2
7.4FA相对研磨硬度
相对研磨硬度指同等研磨条件下被测玻璃相对于标准玻璃K9的研磨硬度。
测量方法按国家标准GB7962.19进行。
测出标准玻璃K9样品的研磨量（体积V0）于被测玻璃时样的研磨量（V），其比值FA即为被测玻璃的相对研磨硬度，相对研磨硬度小，更易于研磨。
FA=V0/V=（W0/ρO）/（W/ρ）
式中W0、W—分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃式样研磨重量损失g；
ρ0、ρ分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃的密度，g/cm3
HK——Knoop硬度
Knoop硬度按国家标准GB7962.21测试方法进行测量。
给其施加一定负荷垂直压在试样上，保持一定时间后，撤去负荷，用显微镜观察并测试样上压痕长对角线的长度，用下式计算Knoop硬度（HK--Knoop,Pa）：
HK=0.102*F/0.07028*L2
式中：
F—加压负荷，N;
L—压痕的长对角线长度，mm;
8.光学玻璃热性能
8.1线膨胀系数
线膨胀系数指在规定的温度范围内（-60—200C，20--1200C）每10C温度变化对单位长度所引起的长度变化，用αL表示，单位cm/cm0C。
8.2转变温度
玻璃的热膨胀曲线中低温区域和高温区域的直线部分的延伸交点所表示的温度。
四.附件1：
光学玻璃性能一览表。
§2光学理论基础知识
一.光学基本概念
狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics（光学）这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。
而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
1.几何光学
几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。
在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。
但实际上，上述光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍射现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。
所以，几何光学只是波动光学的近似或极限。
1.1光线的传播遵循三条基本定律：
1.1.1光线的直线传播定律，既光在均匀媒质中沿直线方向传播；
1.1.2光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；
1.1.3反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。
1.1.3.1光的反射
反射定律:
如图2-1所示，从光的入射点O所作的垂直于镜面的线ON叫做法线，入射光线与法线的夹角叫入射角（i），反射线与法线的夹角叫反射角（r），有:
反射线与入射线.法线同在一个平面上,且反射角等于入射角（i=r）。
图2-1：
光的反射图
1.1.3.2光的折射
光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化,这种现象叫光的折射，并遵守折射定律:
n1Sini=n2Sinr
折射公式中:
i、r。
为入射角和折射角n1、n2分别为两种介质的折射率.
当r=900,相应的入射角i.称为临界角.特别强调的是:
在折射时光路是可逆的，不管光线以什么角度射向玻璃表面,Sini/Sinr的值总是一个常数.他称这一常数为玻璃的折射率.通常用字母n来表示.
图2-2：
光的折射图
1.2基本镜面成像规律
1.2.1平面镜成像
平面镜所成的像距镜面的距离与物体到镜面的距离相等,且像的大小与物体的大小相同。
非光线所成的像,而是光线的延长线相交而成的称虚像。
1.2.2球面镜
如果镜子的反射面是球面的一部分,这样的镜子称球面镜.球面镜分凸面镜和凹面境两种。
凹面镜把射向它的平行光线会聚在一点,这一点叫凹面镜的焦点.反之,当把一个光源放在凹面镜的焦点上,出射光经凹面境反射后,成平行光射出。
凸面镜对光线起发散作用。
1.2.3透镜
透镜可分为两类:
一类是中间厚边缘薄,具有使光线会聚作用,叫做凸透镜，另一类是中间薄边缘厚,具有使光线发散作用的叫凹透镜。
当透镜的厚度与其焦距比可以忽略不计时,通常称为薄透镜。
如图2-3，为薄透镜原理图，UO为物距u，OV为像距v，OF为焦距f。
物与像的位置满足下面透镜成像公式：
1/u+1/v=1/f
式中u为物体到透镜的距离,也称物距
v像到透镜的距离,也称像距，实像为+值，虚象为-值。
f为透镜的焦距,凸透镜为正,凹透镜为负.
图2-3：
薄透镜成像
1.3光学成像概念
几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。
它通常只讨论对某一轴线（即光轴）具有旋转对称性的光学系统。
如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同一点，则称此点是物点的完善像。
如果物点在垂轴平面上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则此光学系统成像是理想的。
高斯光学的理论是进行光学系统的整体分析和计算有关光学参量的必要基础。
利用光学系统的近轴区可以获得完善成像，但没有什么实用价值。
因为近轴区只有很小的孔径（即成像光束的孔径角）和很小的视场（即成像范围），当光学系统的孔径和视场超出近轴区时，成像质量会逐渐下降。
这是因为自然点发出的光束中，远离近轴区的那些光线在系统中的传播光路偏离理想途径，而不再相交于高斯像点（即理想像点）之故。
这时，一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥散斑；物平面的像不再是一个平面，而是一个曲面，而且像相对于物还失去了相似性。
所有这些成像缺陷，称为像差。
用单色光成像时，有五种不同性质的像差，即球差、彗差、像散、场曲和畸变。
球差使物点的像成为圆形弥散斑。
彗差造成彗星状弥散斑。
像散则导致椭圆形弥散斑。
场曲使物平面的像面弯曲。
畸变使物体的像变形。
此外，当用较宽波段的复色光成像时，由于光学媒质的折射率随波长而异，各色光经透镜系统逐面折射时，必会因色散而有不同的传播途径，产生被称为色差的成像缺陷。
色差分两种：
位置色差和倍率色差。
位置色差导致不同的色光有不同的成像位置。
倍率色差导致不同的色光有不同的成像倍率。
为使光学系统在具有大的孔径和视场时能良好成像，必须对像差和色差作精细校正和平衡。
1.2物理光学
从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。
它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。
1.2.1光的干涉
把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。
1.2.2光的衍射
用双狭缝干涉现象，可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。
1.2.3光的偏振
波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。
波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象，以及光在媒质界面附近的表现；也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。
1.3量子光学
从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。
它的基础主要是量子力学和量子电动力学。
光既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。
从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。
光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成；由于它有广泛的应用，所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。
例如，有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学；以正常平均人眼为接收器，来研究电磁辐射所引起的彩色视觉，及其心理物理量的测量的色度学；以及众多的技术光学：
光学系统设计及光学仪器理论，光学制造和光学测试，干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等；还有与其他学科交叉的分支，如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。
§3光学工艺材料
一.磨料
1.各种磨料及其代号（GB2476-83）
名称
棕
刚玉
白
刚玉
单晶
刚玉
微晶
刚玉
铬
刚玉
锆
刚玉
黑
碳化硅
绿
碳化硅
铈
碳化硅
碳化硼
GZ
GB
GD
GW
GG
GA
TH
TL
TS
TP
2.金刚石粒度表示方法
中国
美国、日本
标称号
公称尺寸（μm）
标称号#
最大尺寸（μm）
平均尺寸（μm）
46
400——315
60
315——250
70
250——200
80
200——160
100
160——125
120
125——100
150
100——80
180
80——63
240
63——50
240
98
40±3
280
50——40
280
86
34±2.5
W40
40——28
320
75
28±2.3
W28
28——20
400
63
23±2.1
W20
20——14
500
53
19±1.6
W14
14——10
600
45
16±1.3
W10
10——7
700
38
13.5±1.1
W7
7——5
800
32
11.3±0.9
W5
5——3.5
1000
27
9.4±0.8
W3.5
3.5——2.5
1200
23
7.5±0.6
W2.5
2.5——1.5
1500
19
6.3±0.5
W1.5
1.5——1
2000
15
5.2±0.5
W1
1——0.5
3000
12
4±0.5
W0.5
0.5以下
4000
10
3±0.4
说明：
标称号#指1平方英寸上网孔数量。
二、砂轮
砂轮一般指除金刚石以外的人造磨料，用结合剂将其结合起来，制造成具有一定形状的磨具，称砂轮。
结合剂种类及代号如表3-1：
表3-1
结合剂名称
陶瓷结合剂
树脂结合剂
橡胶结合剂
代号
A
S
X
三、人造金刚石磨具
人造金刚石磨具的浓度是指含金刚石的结合剂层中，每cm3体积中所含金刚石的克拉数，如图3-2。
图3-2：
金刚石磨具的浓度
浓度
25%
50%
75%
100%
150%
含量克拉/cm3
1.1
2.2
3.3
4.4
6.6
结合剂种类及代号如表3-3：
表3-3
结合剂名称
陶瓷结合剂
树脂结合剂
青铜结合剂
电镀金属结合剂
代号
A
S
Q
D
四、抛光粉
抛光粉基本要求：
外观均匀一致，无机械杂质；粒度基本均匀一致；化学活性好；良好的分散性和吸附性；合适的硬度和比重。
如图3-4。
图3-4：
常用抛光粉物理性能
氧化铁
氧化铈
氧化锆
分子式
Fe2O3
CeO2
ZrO2
外观
红色
白色、黄色
白色、黄色、棕色
比重
5.1——5.3
7——7.3
5.7——6.2
莫氏硬度
5——7
6——8
5.5——6.5
颗粒大小（um）
0.2——1
0.5——4
0.25——0.7
五、抛光膜材料
抛光膜材料要求：
微孔结构；耐磨性；吻合性；耐热性；无弹性变形；老化期长；成型收缩率小；吸水性好。
常用抛光膜
柏油混合膜；古马隆柏油混合膜；毛毡柏油膜；聚氨脂微孔塑料抛光片；固着磨料抛光片。
六、其他材料
1.冷却液
作用：
冷却作用；清洗作用；润滑作用；化学作用。
2.粘结材料
3.清洗材料
对被清洗物应有良好的溶解能力，对零件的腐蚀性小，无毒。
4.擦拭材料
5.保护材料
6.防雾剂
§4光学加工基本理论
一、毛坯成型与切割工艺
1.毛坯成型：
一次压型法和二次压型法。
1.1一次压型法（滴料成型法）工艺流程：
配料——熔炼——流量控制——滴料剪切——压型——退火——检验。
1.2二次压型法（热压成型法）工艺流程：
切割——重量调整——加热软化——压型——退火——检验。
2.切割工艺
切割是固体材料的连续界面发生规则断开并有序分离。
可分为锯片切割和静压切割，前者为有屑切割，后者成无屑切割。
2.1外圆切割：
通过对机床采用金刚石锯片，对玻璃进行高速切割。
公司采用金刚石锯片切割方式中，通过调整工作台，手动进给玻璃来完成。
2.2内圆切割：
通过采用内圆锯片进行切割，适宜于工件厚度薄、平面度要求高、材料贵重的玻璃。
2.3外圆铣磨：
包括磨轮高速旋转的主切割运动、工件低速度旋转的圆周进给。
工件的纵向进给，即工件每一转期间沿自身轴线方向移动的距离；磨轮的横向进给，即吃刀深度。
2.4无心外圆铣磨：
主要用于玻璃棒料磨外圆。
二、铣磨工艺
1.主要针对工件外形尺寸、角度等保证，多数情况下铣磨完工后工件外部尺寸及角度将不再发生变化。
2.铣磨工艺
铣磨成型目的：
将工件加工成规定的几何形状，通常用于加工具有高精度角度要求、边长要求的长方体和正方体等。
2.1铣磨原理：
特点是依靠机床的精确运动形成平面包络面,对机床精度要求高。
磨轮轴与工件轴交于O点，两轴夹角为α，磨轮中径为DM，磨轮端面切削圆弧半径r,则工件曲率半径R满足关系式：
sinα=DM/2（R±r），R=DM/2sinα±r；
凸取+，凹取—。
当α等于0时，为平面加工。
用筒状金刚石磨轮铣磨平面,按形成球面正弦公式当α=0时,R=∞范成了平面。
2.2铣磨误差产生原因：
2.2.1工件轴与磨论轴夹角误差；
加工过程中易产生轴向跳动，并切吃刀深度易产生变化，造成崩边、面；
当工件轴与磨论轴平行且不相交时，铣磨出理想平面。
2.2.2电磁盘面与磨轮面不共面误差。
加工过程中易产生径向跳动，加工后角度难以保证。
若电磁盘面与磨轮面夹角为α，则加工后该角度误差将复制到工件上，工件角度误差将略大于α。
因此设备水平基准应得到保证，磨轮位置应得到保证。
2.2.3铣磨夹具误差
夹具角度应比工件小2-5′；夹具角度精度应比工件高1-2′，同时注意槽角度与止推基准面垂直，基准面应开沟槽，夹具同时耐磨、变形小。
2.2.3.1槽角度误差引起工件角度偏差
当槽角度为900+Δα1（-Δα1），则δ450=Δα1
2.2.3.2槽沟不对称
设900准确，有δ450=2Δα2
零件加工过程中将出现累加角度误差。
2.3工艺因素对铣磨工序的影响：
铣磨指标：
磨削效率、工件表面粗糙度、磨轮磨耗比（指每消耗1mg磨轮，所能磨
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