光学零件加工(总)演示教学

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1、光学零件加工技术,概述,光学零件加工技术,光学零件加工技术,光学零件加工技术,平面镜： 工艺条件 特殊零件加工 形状特殊、材料特殊,第一章 光学材料,一、光学材料的种类 光学玻璃： 光学晶体： KDP类型晶体,第一章 光学材料,光学塑料： 光学玻璃: 是光学设计最常用的光学材料； 为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。,第一章 光学材料,（一）光学玻璃与普通玻璃的区别: 折射率： 普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO 光学玻璃的组成：成分复杂 现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅

2、、钾、钠、钡、钙、砷、铝等多种氧化物组成。 高度透明： 高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质一致,第一章 光学材料,（二）光学玻璃的种类 按主要组成成份分： 以SiO2为主要成分的光学玻璃,称之为硅酸盐玻璃；占95% 以B2O3为主要成分的光学玻璃, 称之为硼酸盐玻璃； 以P2O5为主要成分的光学玻璃,称之为磷酸盐玻璃。 硅酸盐玻璃是制造透镜、棱镜等光学零件的主要材料。 二、物质的玻璃态 物质按结构分晶体和非晶体。 玻璃态的特点：物质内部氧化物的元素以元素的离子状态存在，它们之间的排列是没有规律的，无固化点和融化点。,第一章 光学材料,玻璃态：玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的

3、无定形结构。 又称过冷却液体。 三、玻璃的物理特性 各向同性：指玻璃内部沿任何方向测得的物理性能（如折射率、热膨胀系数、硬度等）都是同值。 各向异性：沿任何方向测得的物理性能都是不同值。 介稳状态：在一定条件下，物质可能处于相对稳定的状态，但不是能量最低储存状态，叫介稳状态。 说明玻璃有像晶体转化的趋势。,第一章 光学材料,玻璃从熔融状态向固态转化是连续可逆的。 玻璃无固化点和熔化点。,第一章 光学材料,四、玻璃的结构 (一)无规则网络学说认为： 1932年 荷兰 查哈里阿生 1、内容： 玻璃的原子、离子、或原子团之间的结合，构成一个连续的网络体； 网络体呈现出很大的不规则性。 2、一元体系玻

4、璃特性（一元体系玻璃结构）： 例如：SiO2 晶体：石英晶体 玻璃：熔石英玻璃,第一章 光学材料,由一个硅原子和四个氧原子构成的硅氧四面体SiO4。 熔石英玻璃和石英晶体的结构模型如下 石英晶体 熔石英玻璃,第一章 光学材料,化学结构式： 由于在熔石英玻璃结构中，只有Si0键，且键力平衡，结合牢固。因此，熔石英玻璃具有较高的软化温度、化学稳定性、机械强度高以及较低的热膨胀系数等特性。,第一章 光学材料,3、二元体系玻璃Na2OSiO2 化学结构式,第一章 光学材料,（二）“晶子”学说 1921年 苏联 列别杰夫 内容： 玻璃由无数“晶子”组成； 所谓“晶子”不同于一般的“微晶”，而是带有点阵变

5、形的有序排列区； 它们分散在无定形介质区； 从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的，两者之间并无明显的界限。 强调：远程无序、近程有序。,第一章 光学材料, 1-2 无色光学玻璃 一、光学玻璃的组成 光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类： 一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3、P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成体或玻璃网络体； 另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。,第一章 光学材料,例如：K9的成分 由

6、SiO2：69.13%；B2O3：10.75%；K2O：6.29%； Na2O：10.40%；As2O3：0.36%；BaO：3.07%。 加入氧化铝（Al2O3），能提高光学玻璃的化学稳定性和机械强度； 加入氧化铅（PbO）和氧化钡（BaO），可增大光学玻璃折射率，但化学稳定性降低； 加入氧化钠（ NaCl ），使光学玻璃化学稳定性和机械性能变差，但可降低熔炼温度；等等。,第一章 光学材料,二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号） 大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌号的标志。 1、分类划分界限： 按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石玻璃两大类。 例如：德国规定n

7、d1.6，d50为冕牌类，其余则为火石类；日本规定nd1.6，d55为冕牌类，其余则为火石类。 我国光学玻璃标准规定：将玻璃分为2大类，用K代表冕牌玻璃，F代表火石玻璃。每一大类又进一步按nd及d分为18个品种。,第一章 光学材料,冕 牌 玻 璃（8个）：,火 石 玻 璃（10个）：,第一章 光学材料,2、牌号：ZF9（199） 其中F种类；ZF品种；ZF9牌号 同一品种玻璃，它的折射率大致相同相差不多。 三、无色光学玻璃的质量指标（七项） （一）折射率、色散系数的允差及一致性 折射率：表示光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比。 n=C/V （nd、nF、nc） 色散系数：不同波长的光

8、经过折射后，出射点不同。 用中部色散nF-nc衡量,第一章 光学材料, nd、d的允差（允许差值） 分 0 、 1 、 2 、 3 、 4 四类 例如：K9： nd=1.5163 0类K9的nd： 1.51581.5168 nd、d的一致性 同一批玻璃中要控制nd、d的差值不能过大。 分 A 、 B 、 C 、 D 四级,第一章 光学材料,例如：K9： nd=1.5163 0类A级时nd的大小 0类： 1.51581.5168 A级： 1.516251.51635 0类A级去它们交集。 选取时： 小批量生产时，高级照相机物镜和高倍的望远镜物镜可选用nd为13类和d为23类玻璃。大批量生产时选用

9、均为12类的玻璃。 对于望远镜的第二组分和光焦度不大的透镜、目镜、会聚光路上的棱镜，可用nd 和d均为34类玻璃。 保护玻璃、分划板、毛玻璃、反射镜、聚光镜、场镜、平行光路中的棱镜级弯月透镜，对玻璃的nd 和d不做要求。,第一章 光学材料,（二）光学均匀性 1、定义：同一块玻璃中，各部分折射率变化的不均匀程度。 依据/0的比值，分 1 、 2 、 3 、 4 四类。 /0 1.0 、1.1 、1.2 、1.5 根据光学系统选择均匀性： 提高分辨率和高像质观察仪器的物镜，如高精度干涉仪、天文仪、测地仪、准直仪和显微镜等应用光学均匀性第1类的玻璃。 制作精密的望远镜、瞄准镜、观察镜以及具有高分辨和

10、高像质的复制镜，用23类玻璃。 对普通的照相物镜，应使用第34类玻璃。,第一章 光学材料,对望远物镜的第二组分、广角物镜的弯月透镜、位置靠近像平面的光学零件（场景、分划板、棱镜），均可采用第4类玻璃。 对于有一面为毛面的分化镜，均匀性不作规定；对于保护玻璃、棱镜和滤光镜，其玻璃的均匀性要求可与其位置靠近的零件的均匀性要求相同。 （三）应力双折射 按o光、e光通过每1cm厚的玻璃产生的光程差大小 分 1 、1a、 2 、 3 、 4 五类 nm/cm 2 、 6 、10 、20 、50 以毛坯光程差最大方向之最大部分测的为准。,第一章 光学材料,选取原则： 干涉仪和天文仪，只能使用双折射为第1类

11、的玻璃。 对于高精度的望远镜、准直镜和复制显微镜的物镜以及反射镜，玻璃的应力双折射应该是第23类。 照相物镜使用双折射第34类玻璃。 聚光镜、普通仪器的目镜、放大镜采用双折射第45类玻璃。 （四）光吸收系数 E E：表示白光通过1cm厚的玻璃所吸收的光通量与进入该玻璃光通量之比。 E0.015=1.5%,第一章 光学材料,分 00、0、1、2、3、4、5、6 八类。 选取原则： 凡是与空气临接面较多，玻璃内光程长度较短（2050mm）的复杂系统，光的主要损失是反射。因此，这种系统中以及较薄的光学零件，应采用46类玻璃。 玻璃内光程较长的零件（棱镜、天文和照相仪器的透镜）、光的透过系数的降低主要

12、是光的吸收造成的，因此这类零件应选用003类玻璃。 （五）条纹度 按检验条件分 00、0、1、2四类； 按观察方向分A、B、C三级。,第一章 光学材料,选取原则： 对于具有极限分辨率和高像质的干涉仪、天文仪、平行光管以及显微镜的物镜必须采用C级0类玻璃。 对于目镜、聚光镜、毛玻璃用的玻璃可选用条纹第2类的玻璃。 （六）气泡度 首先按所含最大气泡的直径分为 0、1、2三类； 并按每100立方厘米玻璃内允许含 有的气泡总截面积（平方毫米）分 为A00、A0、A、B、C、D、E七级。,第一章 光学材料,选取原则： 对于位置靠近或处于像平面上的零件，其材料不允许有气泡，应使用第0类玻璃。 大倍率观察仪

13、器的分划板、分度盘、平行光管、分辨率板，应采用0类和1类玻璃。 照相物镜、双筒望远镜和大地测量仪器的物镜，允许选用2类D、E级玻璃材料。 在望远镜和大口径照像物镜中允许气泡度为E级。,第一章 光学材料, 1-3 有色光学玻璃,第一章 光学材料,能选择地透过特定波长的光线； 1、作用: 透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线； 均匀地减弱白光的光谱等。 2、组成: 是在基本的无色光学玻璃成分中，加入少量着色剂而 成。 （一）离子着色选择吸收玻璃 着色剂在玻璃中呈离子状态，称离子着色选择吸收玻璃，简称离子着色玻璃。 离子着色剂，通常采用金属钴、镍、钼、锰、铬、钛、铜的氧化物。,第一章 光学材料,种

14、类： 透紫外线玻璃（ZWB）、紫色玻璃（ZB）、青色（蓝色）玻璃（QB）、绿色玻璃（LB）、透红外线玻璃（HWB）、防护玻璃（FB）、透紫外线白色玻璃（BB等）。 （二）中性玻璃 特点：在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度，而不改变其光谱成分。 作用：主要是做中性滤光片、减光镜。 牌号：AB1，AB2，AB3，AB10等。,第一章 光学材料,（三）硒镉玻璃 着色剂是采用硒化镉和硫化镉，故称硒镉玻璃。 由于着色剂在玻璃中呈胶态，亦称胶态着色玻璃。 品种：红色（HB） 金色（JB） 橙色（CB） 1硒镉玻璃；2离子着色选择吸收玻璃； 3离子着色中性玻璃,第一章 光学材料, 1-4 特种光学玻

15、璃 （一）耐辐射光学玻璃 加入多价离子做抑制剂。二氧化铈（CeO2）就是抑制剂之一。 牌号：例如K609 。 Kn09 以K9玻璃为基底耐辐射能力为10伦琴，而且还保持K9玻璃的光学常数和其它性质。 （二）防辐射光学玻璃 目前我国使用的防辐射玻璃是含铅、含钡量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。,第一章 光学材料,（三）透红外和透紫外玻璃 目前，国内外红外光学材料发展的重点是适用于13m、35m和814m波段的光学材料。 1、光学石英玻璃 含SiO2 99.9%，即可以透红外线，又能透过紫外线。 牌号：JGS1、JGS2、JGS3 。 光谱特性：0.24.7m。 2、铝酸钙玻璃 以CaO、

16、Al2O3为主要成分 透过波长：11.5m。 牌号：HWC31。,第一章 光学材料,3、高硅氧玻璃 含SiO2达96%，其性能接近于石英玻璃。它的膨胀系数小，软化温度高，化学稳定性好，熔制温度比石英玻璃低得多。 （四）石英玻璃 1优良的光谱特性，在0.24.7m光谱范围内。 2耐高温、热膨胀系数小，它的熔化温度在1713以上，软化温度是158010。 3化学稳定性好，耐碱性差。 4机械性能高。 （五）光学功能材料 激光、电光、声光、磁光等光学功能材料。,第一章 光学材料, 1-5 微晶玻璃 一、结构 介于玻璃与晶体之间玻璃陶瓷，按Li2O-Al2O3-SiO2做系统的玻璃。 在玻璃内部各处形成晶核； 经历