1、 1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
2、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
3、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0 310-4 0.3%1 510-4 0.5%2 710-4 0.7%3 1010-4 0.9%4 2010-4 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
4、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2类别 1 2 3 4/0 1.0 1.0 1.1 1.21 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nmax 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 H4nmax 210-6 510-6 110-5 210-53.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 nmax（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
5、nmax（nm/cm） 2 4 6 10边缘应力：按单位厚度的最大光程差 nmax（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 D3nmax（nm/cm） 3 5 10 204.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 650300 20001000 2 650300 20001001 3 25010 75030无条纹影象2 4 25010 75030 长度12mm，每 300cm3 中 10 条，间距
6、10 mm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 2500100 8000200D1 2 2500100 8000200无条纹影象D2 2 2500100 8000200 有细小条纹影象，间距间距40 mmD3 2 2500100 80002001.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
7、135.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 20-20/0.05 0-20/0.1 0-20/0.120-120/0.4 20-120/0.6 20-120/0.9最大直径或边长 mm/允许气泡最大直径mm 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-
8、1.0 1.0-2.0 2.06.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 6Emax 0.001 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.015 0.037.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
9、 值，将该置于 BaK7 和ZK9 玻璃 标样的浊度值（H BaK7 和 HZK9)比较。表 1-12：玻璃抗潮湿大气稳定性级别 H 说明1 HHBaK7 80 倍显微镜下观察无均匀水斑2 HHBaK7 80 倍显微镜下观察有均匀水斑3 HZK9HH BaK7 _4 HH ZK9 _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PH2.90.2 PH4.60.2 PH6.00.2级
10、别出现干涉色时间 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 3h3b 3h47.3 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 3Wt% 0.20 0.2-0.35 0.35-0.65级别 4 5 6Wt% 0.65-1.2 1.2-2.2 2.27.4FA 相对研磨硬度
11、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/O)/(W/)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；0、 分别指标准玻璃 K9 样品和被测 玻璃的密度，g/cm 3HKKnoop 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
12、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（-6020 0C，20-1200C）每 10C 温度变化对单位长度所引起的长度变化，用 L 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5一.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
13、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。
14、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
15、(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ONi r2-1：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: n1 Sini =n2 Sinr 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.6irONn
16、1n2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
17、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.U O F V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
18、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。7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
19、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
20、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，
21、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
22、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。83 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 TP2.金刚石粒度表示方法中国 美国、日本标称号 公称尺寸（m） 标称号# 最大尺寸（m） 平均尺寸
23、（m）46 40031560 31525070 25020080 200160100 160125120 125100150 10080180 80639240 6350 240 98 403280 5040 280 86 342.5W40 4028 320 75 282.3W 28 2820 400 63 232.1W 20 2014 500 53 191.6W 14 1410 600 45 161.3W 10 107 700 38 13.51.1W 7 75 800 32 11.30.9W5 53.5 1000 27 9.40.8W3.5 3.52.5 1200 23 7.50.6W2.5
24、 2.51.5 1500 19 6.30.5W1.5 1.51 2000 15 5.20.5W1 10.5 3000 12 40.5W0.5 0.5 以下 4000 10 30.4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% 1
25、00% 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 5.15.3 77.3 5.76.2莫氏硬度 57 68 5.56.5颗 粒大小（um） 0.21 0.54 0.250.7五、抛光
26、膜材料10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
27、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
