光学零件工艺学

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。 凹凸球面偏差 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。
像散偏差ຫໍສະໝຸດ Baidu判断
图 一侧加压法判断塌边
（a）低光圈塌边 (b)高光圈塌边
图一侧加压法判断翘边
（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‘ • 1 N——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。 • 2 N ——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。
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
§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”。
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N>1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。
h N / 2
• 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。
（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）。
2
（三）光圈半径 rh 与波长 的关系 • h为第 k级暗条纹所对应的空气层厚度 k R • rk 为 k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

r 2Rhk h
2 k
2 k
r2 k (2k 1) = R 2 2
rk kR
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 /10 左右。
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 （a）低光圈中心低；(b)高光圈中心低
图 一侧加压法判断中心高
（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，
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
• 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
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
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N>1时光圈高低的识别，而且 也可用于N<1时光圈的度量。
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。
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
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• 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：
2 h

2
(2k 1)

2
k h 0.5 50 / 2 12.5 m 2
• 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 m ，否则就 看不到光圈。
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 2h cos i' 2 可知， i ' cosi；则△变小。所以 ； ' 高光圈时，光圈向外扩散。（工厂常用，不伤 表面）
（四）相邻光圈的间隔r与干涉级的关系
r rk 1 rk R ( k 1 k )
• 当k＝0时 r R • 当k逐渐增大时， k 1 k 愈来愈小,即 逐 r 渐减小，以致眼睛无法分辨，k的极限可由 物理光学得知 :
k
• 为人眼所能分辨的波长范围,用白光照射 平均波长 0.5 m • 500 kmax 条 50 • 10
• 样板与透镜沿边缘接触情况
N (2 R) 2 R N 2 2 2 2 D 2 D / 8R
D / 2
2
R -透镜曲率半径偏差
R -透镜曲率半径
D -零件与样板接触口径 p-直径之半
N -光圈数
-入射光波长
光圈数与半径偏差的关系是：
D N R 2 4R
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。 N≥1的光圈数
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。
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。
h N H
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 N1 S1 S1为被检零件的面积 S2为样板的面积 N2 S2
2 2h cos i (2k 1) 时，产生第k级暗条纹。 2 2
2
• 则相邻亮条纹空气隙厚度差近似为：
h hk 1 hk

2 cos i


2
• 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：
• 光圈的度量
1、光圈数量的计算 ① N≥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．
（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：
2h cos i
2
式中， h -与干涉条纹对应的空气隙厚度； i -折射角； -入射光的波长。 当 2h cos i 2k 时，产生第k级亮条纹。
当
第k级和k＋1级亮条纹，所对应的空气隙厚度为 hk 和hk 1，由下式表示： (k 1) / 2 k / 2 hk 1 hk 2cos ik 1 2 cos ik
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