光学零件工艺学（PPT79页)

光学零件工艺学•◆光学零件的抛光工艺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。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。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§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”。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。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（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k＋1级亮条纹，所对应的空气隙厚度为和，由下式表示：2cos2hihi2cos222hik2cos(21)22hikkh1kh/22coskkkhi11(1)/22coskkkhi•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。12cos2kkhhhi/2hN（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22(2)RND-透镜曲率半径222/222/8DNRDR-透镜曲率半径偏差RR-直径之半D-零件与样板接触口径pN-光圈数-入射光波长光圈数与半径偏差的关系是：224DNRR（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•=•hrkhkkrkR222kkkrRhhkrkR2(21)22krkR（四）相邻光圈的间隔与干涉级的关系•当k＝0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1(1)kkrrrRkkrrR1kkrk0.5mmax5005010k•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k＝50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。2(21)220.550/212.52hkkhmm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。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。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•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N＜1判断，其精度可达到左右。/10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N1时光圈的度量。目视移动法在样板不动的情况下，观察者移动眼睛位置时，也可以判断光圈的高低。如，点头时，光圈由内向外扩散，则为高光圈；反之，光圈由外向内收缩，此时则为低光圈。这是因为点头时，空气层厚度h未变，而i角变大，由光程差可知，；；则△变小。所以高光圈时，光圈向外扩散。（工厂常用，不伤表面）2'cos2ih'i'cosi局部偏差的判断(像散偏差)•像散偏差曲率半径误差是从整体上看被检零件的面型精度，如果检验时被检光学表面再相互垂直方向上出现的条纹数不相等。说明被检零件的面型有像散。局部偏差如果用光学样板检验时局部出现不规则光圈，有凸包或凹陷，说明被检光学表面有局部偏差。凹凸球面偏差像散偏差的判断•像散偏差的判断有像散存在就是光学表面的曲率半径不一样。用周边加压法或一侧加压法可以判断像散的大小。当N＞1时，光圈呈椭圆形；当N＜1时，两垂直方向上的条纹弯曲程度不同。局部偏差的判断局部误差包括局部低和局部高，塌边和翘边等，这种光圈的识别用一侧加压法判断。像散偏差的判断•像散偏差的判断有像散存在就是光学表面的曲率半径不一样。用周边加压法或一侧加压法可以判断像散的大小。当N＞1时，光圈呈椭圆形；当N＜1时，两垂直方向上的条纹弯曲程度不同。局部偏差的判断局部误差包括局部低和局部高，塌边和翘边等，这种光圈的识别用一侧加压法判断。局部低条纹局部的弯曲凹向背着加压点。局部高条纹局部的弯曲凹向朝着加压点。塌边条纹边缘部位塌向加压点。翘边条纹边缘部位翘向加压点。局部偏差的判断当一侧加压时：中心低条纹中心部位的弯曲凹向背着加压点A中心高条纹巾心部位的弯曲凹向朝着加压点A图一侧加压法判断中心低图一侧加压法判断中心高（a）低光圈中心低；(b)高光圈中心低（a）低光圈中心高；(b)高光圈中心高。塌边条纹边缘部位塌向加压点A。翘边条纹边缘部位翘离加压点A，图一侧加压法判断塌边图一侧加压法判断翘边（a）低光圈塌边(b)高光圈塌边（a）低光圈翘边；(b)高光圈翘边。光圈的度量•光学零件的面形偏差是用光圈数表示的。光圈的度量包括下列三项面形偏差。•N——被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差称半径偏差。此偏差所对应的光圈数用N表示‘•——被检光学表面与参考光学表面在两个相互垂直方向上产生的光圈数不等所对应的偏差称象散偏差，此偏差所对应的光圈数用表示。•——被检光学表面与参考光学表面在任一方向上产生的干涉条纹的局部不规则程度称局部偏差，此偏差所对应的光圈数用表示。•如果要求允许的最大象散光圈和局部光圈数相同时，可用同时表示两者的偏差。1N2N光圈的度量•★光圈的度量光圈数的计算规定低光圈为负，高光圈为正。当光圈数N≥1时光圈数是有效检验范围内直径方向最多条纹数的一半。N≥1的光圈数光圈的度量当光圈数N＜1时，光圈数用条纹弦高h与对应的相邻两条纹间距H之比。当用小样板检验大零件时，如果被检零件所要求的光圈为N1，那么在用样板检验时应有的光圈数N2应为2121SSNNS1为被检零件的面积S2为样板的面积HhN•光圈的度量1、光圈数量的计算①N≥1的计算在被检光学表面和参考光学表面仅有曲率半径偏差情况下，光圈数度量与表示偏差大小和方向的误差曲线，其中，虚线代表参考光学表面，曲线代表球面(或平面)相对于参考光学表面的偏差大小和方向，平行线间距离代表λ/2。光圈数Ｎ的度量•（a）N＝3；(b)Ｎ＝2；(c)N＝2；(d)Ｎ＝1．a)单色光照明时，产生明暗相间的干涉条纹，其条纹数目就是光圈数N。由于1道光圈所对应的空气层厚度为，故采用不同波长的单色光光源，每道圈所表示的具体误差数值也不同。b、白光照射时，产生彩色条纹。彩色条纹数目就是光圈N。因红色鲜明，波段宽，为便于观察，通常以红色为计算光圈的标准颜色，c、按暗条纹计算光圈数时，由于半波损失多算了半道圈②N＜1的计算a)对平面或大曲率半径球面零件当零件表面是理想平面或球面时，干涉条纹往往是弯曲成一定程度的不完整圆的光圈，称为弧形光带，此时根据弯曲的程度来判断光圈数。通常以通过直径方向上干涉条纹的弯曲量h相对于条纹间距H的比值来N度量。b)较小曲率半径球面零件对于较小曲率半径球面零件，当N＜1时，一般是根据（光斑大小）颜色来估算的。当用白光照明时，首先根据颜色与空气层厚度的对应关系，计算出中心与边缘处空气层厚度差并判断光圈的正负；然后再用平均波长换算成光圈数。③用小样板检验大零件时，光圈的计算样零样零样零样零222222DDDDSSNN局部误差的计算⑴中心局部偏差（中心高/中心低）图中心局部误差•（a）低光圈中心低；（b）低光圈中心高⑵边缘局部偏差（指塌边和翘边（勾边），即边缘多磨或少磨）按高低光圈也分为四种：高光圈（塌边/翘边），低光圈（塌边/翘边）。塌边(低光圈塌边c，高光圈塌边b)翘边（低光圈翘边a，高光圈翘边d图边缘局部误差•（a）低光圈翘边（b）低光圈塌边⑶中心及边缘均有局部偏差它是以上两种偏差都具有的情况，识别方法相同，可以根据具体情况进行判断。下面例举加工中常遇到的两种情况：图中心及边缘均有局部偏差（a）低光圈、中心高