第一講 概述教材

第一講概述第一章光學(xué)玻璃

光學(xué)玻璃是制造光學(xué)零件的主要光學(xué)材料。光學(xué)玻璃分無色光學(xué)玻璃和有色光學(xué)玻璃。無色光學(xué)玻璃又分為普通光學(xué)玻璃、耐輻射光學(xué)玻璃和激光玻璃。普通光學(xué)玻璃是制造一般用途的光學(xué)透鏡、棱鏡、分劃板、度盤、光柵、刻尺的主要光學(xué)材料；而耐輻射光學(xué)玻璃具有抗輻射穩(wěn)定性，用在具有

射線、X射線的場合；激光玻璃可以用在不同激光器的諧振腔中，作為產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)。而有色光學(xué)玻璃主要用來制造不同的光學(xué)濾光片。大多數(shù)的光學(xué)玻璃的主要組成成分是SiO2，屬于硅酸鹽玻璃。無色光學(xué)玻璃是制造光學(xué)零件的主要光學(xué)材料。在光學(xué)玻璃目錄中，通常列出以下光學(xué)常數(shù)：1．D光或d光的折射率，以及其它若干譜線的折射率等

2．平均色散

3．阿貝常數(shù)

4．若干對譜線的部分色散

5．若干對譜線的相對色散

為了設(shè)計(jì)質(zhì)量高的光學(xué)系統(tǒng)，需要很多種類的光學(xué)玻璃。光學(xué)玻璃中使用量最大的是無色光學(xué)玻璃。光學(xué)玻璃大體上可分為兩大類：冕牌玻璃（以字母K表示，其中PbO的含量小于3％

）及火石玻璃（以字母F表示，其中PbO的含量大于3％

）。

冕牌玻璃(K)

火石玻璃(F)

折射率低(nd為1.50~1.55)

折射率高(nd為1.53~1.85)

色散系數(shù)大(vd為55~62)

色散系數(shù)小(vd為30~45)

性硬、質(zhì)輕、透明度好

性較軟、質(zhì)較輕、稍帶黃綠色冕牌玻璃與火石玻璃的差異

每一大類又分為許多種類，例如，輕冕（QK），冕（K），磷冕（PK），鋇冕（BaF），重冕（ZK）,鑭冕（LaK），冕火石(KF)，輕火石（QF），火石（F），鋇火石（BaF），重鋇火石（ZBaF），重火石（ZF），鑭火石（LaF），特種火石（TF）等。每個各類的玻璃中又分為許多種牌號，例如冕玻璃分為K1,K2,……K12等。

一般來講，冕牌玻璃為低折射率，低色散；火石玻璃為高折射率，高色散。光學(xué)玻璃的折射率和阿貝常數(shù)之間有一定規(guī)律，右圖為我國光學(xué)玻璃曲線圖。由圖可知，大多數(shù)玻璃符合折射率高，色散也高的規(guī)律。這對高性能光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定限制。近年來已生產(chǎn)了許多高折射率低色散光學(xué)玻璃，如LaK,LaF等，使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大的進(jìn)步展。

光學(xué)玻璃曲線圖

在光學(xué)玻璃目錄中，除上述光學(xué)常數(shù)外，還列有一些標(biāo)幟物理，化學(xué)性能的有關(guān)數(shù)據(jù)，如密度，熱膨脹系數(shù)，化學(xué)穩(wěn)定性等；此外，對光學(xué)均勻性，應(yīng)力消除程度，玻璃中的氣泡度，雜質(zhì)，條紋等都有一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

折射率與標(biāo)準(zhǔn)值的允許差值類別折射率nd允許差值類別折射率nd允許差值00±2×10-42±7×10-40±3×10-43±10×10-41±5×10-44±20×10-4（1）折射率nd，色散系數(shù)vd與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的允許誤差

光學(xué)玻璃的主要質(zhì)量指標(biāo)色散系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的允許差值類別色散系數(shù)vd允許差值類別色散系數(shù)vd允許差值00±0.2%2±0.7%0±0.3%3±0.9%1±0.5%4±1.5%同一批玻璃中折射率與色散系數(shù)的最大差值級別同一批玻璃中的最大差值折射率nd色散系數(shù)vdA0.5×10-40.15%B1×10-4C2×10-4D在所定類別內(nèi)在所定類別內(nèi)光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性是指同一塊玻璃中各個部分折射率的漸變性差異。通過對成像質(zhì)量(比如說分辨率)的影響來判斷均勻性的好壞，如果玻璃的光學(xué)均勻性以分辨率的比值a/a0表示時(shí)，光學(xué)均勻性按表分為4類，表中a0和a分別代表玻璃未放入和放入后平行光管的分辨率。（2）光學(xué)均勻性無色光學(xué)玻璃光學(xué)均勻性的分類類別a／a0最大比值星

點(diǎn)

圖11.0中央是一明亮的圓斑，外面是些同心的圓環(huán)，但不出現(xiàn)斷裂、尾翹、畸角及扁圓變形等21.0中央是一個明亮的圓斑，外面是些變形的同心圓環(huán)，所有圓環(huán)趨向一致，大致保持圓形，兩環(huán)之間的間隔大體相等，每個環(huán)的寬度允許有變化，但不應(yīng)有斷裂、尾翹、畸角等31.1——41.2——

光學(xué)玻璃在沒有應(yīng)力時(shí)是各向同性的，光學(xué)玻璃如果存在較大的內(nèi)應(yīng)力，就破壞了各向同性，從而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。所以，內(nèi)應(yīng)力的檢測，通過雙折射現(xiàn)象的觀察來判斷。一種是通過玻璃最長邊中部，用單位長度上的光程差

(nm/cm)表示，簡稱中部應(yīng)力雙折射表示法；另一種是通過玻璃邊緣5％直徑或邊長處，用單位厚度上最大光程差

max(nm/cm)表示，簡稱邊緣應(yīng)力雙折射表示法。

（3）應(yīng)力雙折射

類別玻璃中部光程差

(nm/cm)12la426310類別玻璃邊緣最大光程差

(nm/cm)S13S25S310S420中部應(yīng)力雙折射分類邊緣應(yīng)力雙折射分類條紋是由于玻璃內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻所產(chǎn)生的局部缺陷，其折射率與主體不同，從而形成光的散射和異樣折射。條紋度一般采用投影法進(jìn)行檢驗(yàn)，按規(guī)定分為00、0、1、2四類，并按檢驗(yàn)觀察方向，又分為A、B、C三級。A為三個方向觀測，B為兩個方向觀測，C為一個方向觀測。

（4）條紋度

條紋度分類類別光闌孔徑/nm玻璃與投影屏間的距離／mm光闌與投影屏間的距離／mm在屏上的觀測結(jié)果001650±302000±100無任何條紋影像02650±302000±100無任何條紋影像l3250±10750±30無任何條紋影像24250±10750±30每300cm3玻璃中允許有長度小于12mm的條紋影像10根，但彼此相距不得小于10mm玻璃中的氣泡是玻璃在熔煉過程中，氣體來不及逸出所致。玻璃中的氣泡相當(dāng)于細(xì)微的凹透鏡，會引起光的散射和折射，因此需要控制。氣泡度按所含最大氣泡的直徑分為0、1、2三類，并按每100cm3玻璃內(nèi)允許含有的氣泡總截面積（mm2）分為七級。對扁長氣泡取最長軸和最短軸的算術(shù)平均值為直徑，去計(jì)算氣泡的截面積。光學(xué)零件的其他類似雜質(zhì)作為氣泡計(jì)算，但與氣泡或其他類似雜質(zhì)相連接的條紋不作氣泡計(jì)算。

（5）氣泡度

氣泡度分級表級

別直徑中

0.05mm氣泡的總截面積／(mm2/100cm3)A00≥0.003—0.03A0>0.03—0.10A>0.10—0.25B>0.25—0.50C>0.50～1.00D>1.00—2.00E>2.00～4.00光學(xué)系統(tǒng)成像的亮度與玻璃的透明度成比例關(guān)系。光學(xué)玻璃對某一波長光線的透明度，以光吸收系數(shù)E表示。E表示白光通過1cm厚的玻璃所吸收的光通量與進(jìn)入該玻璃光通量之比。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，玻璃的吸收系數(shù)分為00、0、1、2、3、4、5、6八類。

（6）光吸收系數(shù)

光吸收系數(shù)的分類類別光吸收系數(shù)的最大值類別光吸收系數(shù)的最大值000.00130.00800.00240.01010.00450.01520.00660.030第二章光學(xué)零件圖1．光學(xué)零件圖及其標(biāo)注

光學(xué)零件加工的技術(shù)條件是通過光學(xué)零件圖來表達(dá)的。在光學(xué)零件圖中不僅反映出零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)和公差，而且還包括對光學(xué)材料的質(zhì)量要求、對光學(xué)零件加工精度和表面質(zhì)量的要求。因此，光學(xué)零件圖是選擇光學(xué)材料、制定工藝規(guī)程和進(jìn)行光學(xué)加工、檢測的依據(jù)。中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)制圖(GBl3323—91)規(guī)定了光學(xué)部件圖和光學(xué)零件圖必須標(biāo)注的技術(shù)要求，并以專用表格在圖紙右上角位置顯著表示。

在光學(xué)制圖中規(guī)定：光軸一般水平放置，用點(diǎn)劃線表示，光線方向一般由左至右，零件先遇到光線的表面通常放在左邊。光學(xué)零件圖上對材料的要求，應(yīng)按照對光學(xué)玻璃所介紹的質(zhì)量指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)對零件的要求，分類別、級別進(jìn)行標(biāo)注。光學(xué)零件圖上一般用圖形和文字標(biāo)明倒角要求，如果倒角尺寸小于2mm，可以不畫出倒角圖形，只需要在倒角處引出細(xì)實(shí)線，標(biāo)注倒角尺寸或用文字說明透鏡的球面曲率半徑過大時(shí)，在光學(xué)零件圖上其曲率允許夸大繪制，如果透鏡的表面為平面時(shí)，應(yīng)該在圖上標(biāo)注R

。如果是非球面透鏡，在光學(xué)零件圖上可以用球面繪制，但是應(yīng)該注明“非球面”，并列出曲線的方程式，并標(biāo)明方程式的系數(shù)。在光學(xué)部件圖中，要標(biāo)明圖中零件彼此的相對位置，如果是膠合件，在圖的右上角位置應(yīng)列出“對膠合件的要求”專用表格。膠合件的部件圖中必須用文字標(biāo)注技術(shù)要求，說明膠合所用的膠和對膠合面的要求。2．光學(xué)零件的技術(shù)要求

被加工的光學(xué)表面和標(biāo)注的理論表面總會存在偏差，表面形狀公差就是對這種偏差的限制，表面形狀公差常常簡稱面形公差。面形公差用光圈數(shù)N和局部光圈數(shù)△N兩個參數(shù)表示。光圈數(shù)N是指用工作樣板檢驗(yàn)光學(xué)表面時(shí)，在有效孔徑內(nèi)的牛頓環(huán)數(shù)目，通常稱為光圈數(shù)。如果被檢驗(yàn)表面是平面，則光圈數(shù)N就表示被檢表面不是理想的平面，而是半徑非常大的球面，因此，從這點(diǎn)來看，無論球面和平面，光圈數(shù)N都是表示實(shí)際表面和理想表面在面形上的規(guī)則誤差，也就是它們在整體上偏離理想半徑的程度。

（1）表面形狀公差

△N稱為局部光圈數(shù)，它表示被檢光學(xué)零件面形局部偏離標(biāo)準(zhǔn)球面或平面的程度。通常把局部光圈數(shù)分成兩種，一種是像散偏差，它是被檢光學(xué)表面在兩個相互垂直方向上光圈數(shù)允許最大差值，以△1N表示；第二種是局部偏差，它表示相對于平滑干涉條紋的不規(guī)則程度的允許最大值，以△2N表示；如果標(biāo)注時(shí)不區(qū)分這兩種局部光圈數(shù)，則表示這兩種局部光圈均應(yīng)同樣要求。設(shè)計(jì)時(shí)，N和△N間應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)，一般取△N為N的0.1~0.2。

光學(xué)零件面形精度等級分類精度等級N△N高精度0.1~1.00.05~0.2中精度1.0~5.00.2~0.5一般精度5.0~100.5~1.0表面粗糙度是指加工表面上的較小間距的峰谷所組成的微觀幾何形狀特征。它反映了零件表面的加工質(zhì)量。峰、谷越小，其表面越光滑，反之，表面越粗糙。表面粗糙度國家標(biāo)準(zhǔn)(GB／T1031—1995)規(guī)定，評定表面粗糙度的主要參數(shù)從輪廓算術(shù)平均偏差Ra、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz、輪廊最大高度Ry等三個參數(shù)中選取。標(biāo)注時(shí)，對拋光表面，通常選擇微觀不平度十點(diǎn)高度Rz，在圖紙的右上角用其余Rz0.05來標(biāo)注所有的拋光表面。

（2）表面粗糙度

光學(xué)加工工序能達(dá)到的表面粗糙度國標(biāo)符號舊國標(biāo)符號Ra/gmRＸ/gmＬ/mm零件表面加工方法▽4>10~20>40-808

粗加工表面用金剛石銑刀和鋸片、金剛砂、粒度由60號—150號的磨料或由30號—80號砂輪加工▽5>2.5~5>10-202.5零件粗磨后的毛面；大型棱鏡、平面鏡、保護(hù)玻璃的側(cè)表面與倒角；直徑大于18mm和配合不高于4級精度的透鏡、濾光鏡、分劃板、保護(hù)玻璃及其他零件的圓柱表面和倒角用粒度240—W28的磨料或由100號~180號的砂輪加工；用金剛石銑刀和鋸片細(xì)加工▽7>1.25~2.5>6.3~100.8零件精磨后的表面；中等尺寸的棱鏡、平面鏡、保護(hù)玻璃的側(cè)表面和倒角用粒度為W28—W14的磨料或由180號—240號的砂輪加工▽8>0.63~1.25>3.2~6.30.8零件精磨后的毛面；透鏡和分劃板的圓柱面；毛玻璃表面用粒度為W14—WI0的磨料或由240號—280號的砂輪加工▽9>0.32~0.63>1.6~3.20.8零件精磨后的表面；3級精度以上配合的精確定中心透鏡的圓柱面用粒度為Wl0—W7的磨料或由280號—320號的砂輪加工▽13>0.01~0.02>0.05~0.10.08平面鏡、保護(hù)鏡的拋光面及其他不在光學(xué)系統(tǒng)中的零件的工作面用拋光粉在柏油或其他拋光模上拋光▽14≤0.0l≤0.050.08透鏡分劃板、棱鏡、反射鏡等光學(xué)零件的拋光面用拋光粉在柏油或其他拋光模上拋光表面疵病是對光學(xué)零件表面粗糙度在高標(biāo)準(zhǔn)要求下的特殊補(bǔ)充。它是光學(xué)零件在加工過程中或之后，因?yàn)椴贿m當(dāng)?shù)奶幹枚诠鈱W(xué)表面的有效孔徑內(nèi)產(chǎn)生的局部瑕疵，它主要的形式是擦痕、麻點(diǎn)、開口氣泡、破點(diǎn)及破邊，而開口氣泡和破點(diǎn)可以視為麻點(diǎn)，所以表面疵病主要是標(biāo)注擦痕、麻點(diǎn)及破邊。光學(xué)零件表面疵病在圖紙上用字母“B”表示。

（3）表面疵病

中心公差是透鏡的基準(zhǔn)軸和光軸之間的偏差。其定義是：光學(xué)表面定心頂點(diǎn)處的法線對基準(zhǔn)軸的偏離量，而定心頂點(diǎn)就是該光學(xué)表面和基準(zhǔn)軸的交點(diǎn)，這個偏離量以角量來表示，并稱為面傾角，以希臘字母“

”代表。如圖2-1所示。

（4）中心公差

透鏡中心公差的定義在制造球面光學(xué)零件時(shí)，零件表面曲率半徑正確與否，是通過球面樣板來檢驗(yàn)的，光學(xué)樣板所允許的偏差△R，對被檢零件的面形精度有直接影響，樣板本身的制造精度△R和零件光圈數(shù)N就決定了零件曲率半徑的精度。標(biāo)準(zhǔn)樣板分為A、B兩級，對曲率半徑的公差要求嚴(yán)格的透鏡，△R應(yīng)選擇A級。

（5）標(biāo)準(zhǔn)樣板等級△R

標(biāo)準(zhǔn)樣板精度等級△R精度等級標(biāo)準(zhǔn)樣板曲率半徑R/mm0.5~5>5~10>10~35>35~350>350~1000>1000~40000允許誤差(可正可負(fù))相對名義尺寸誤差1％A0.51.02.00.020.030.03R/1000B1.03.05.00.030.050.05R/1000第三章光學(xué)加工安全操作知識

光學(xué)加工由于精度高，加工對象特殊，必須在專門的光學(xué)車間內(nèi)進(jìn)行。因此，除了遵守一般的機(jī)械加工規(guī)則外，還必須遵守光學(xué)加工所特有的安全操作要求。一、光學(xué)車間的特點(diǎn)在光學(xué)零件加工過程中，大多數(shù)工序?qū)囟?、濕度、塵埃、振動、光照等環(huán)境因素是敏感的，特別是高精度零件和特殊零件的加工尤其如此。因此，光學(xué)車間都是封閉型，并要求恒溫、恒濕、限制空氣流動、人工采光、防塵。

1．溫度對光學(xué)工藝的影響恒溫是光學(xué)車間一個明顯特點(diǎn)之一。這里包括恒溫溫度及波動范圍兩個問題。光學(xué)車間各工作場所由于要求不同，對恒溫溫度及其波動范圍的要求是各不相同的。(1)溫度對拋光效率與質(zhì)量的影響由于拋光過程中存在的化學(xué)作用隨溫度升高而加劇，因而升溫會提高拋光效率。但由于古典工藝中采用的拋光模制模用膠、粘結(jié)膠等主要由松香和瀝青按一定配比制成，一定的配比只在一定的溫度下使用。而且它們對溫度的變化較為敏感，溫度過低，拋光模具與零件吻合性不好；溫度過高，拋光模具拋光工作面變形。這兩者都將使加工零件的面形精度難以保證，具體表現(xiàn)在光圈難以控制和修改。實(shí)踐得出，拋光間的溫度一般應(yīng)控制在22℃±2℃為宜。(2)膠合對室溫的要求膠合中以光膠工藝對室溫要求最高，一般應(yīng)控制在20℃士1℃，而其它膠合工藝，其室溫大多控制在18℃～25℃左右。(3)真空鍍膜對室溫的要求真空鍍膜的室溫一般控制在18℃～25℃，室溫過高不利于機(jī)械泵油和電機(jī)散熱；過低，不利于擴(kuò)散泵油汽化。(4)刻劃對室溫的要求制造分劃圖案的機(jī)械刻劃車間對室溫要求很高，特別是精密刻劃，如光柵刻劃工藝要求極高的恒溫精度，其溫差必須控制在±0.02℃以內(nèi)。溫度的波動使刻劃機(jī)各部分具有不同的伸縮系數(shù)，將直接影響分度精度。(5)檢驗(yàn)對室溫的要求溫度的波動直接影響檢驗(yàn)精度。一方面因?yàn)榫芄鈱W(xué)儀器對溫度的波動很敏感；另一方面，被檢零件不恒溫時(shí)，檢具和零件間有溫差會直接影響讀數(shù)精度。所以，檢驗(yàn)室必須恒溫，并且也應(yīng)控制在22℃士2℃范圍內(nèi)。

2．濕度對光學(xué)工藝的影響在光學(xué)零件加工過程中，凡要求恒溫或空調(diào)的地方，均因控制濕度所需。因?yàn)椋菡舭l(fā)速度直接影響濕度恒定狀態(tài)。濕度過低，易起灰塵，零件表面清擦?xí)r也易產(chǎn)生靜電而吸附灰塵，影響其光潔度。特殊零件如晶體零件的加工以及光膠工藝等，對濕度的要求尤為嚴(yán)格。光學(xué)加工過程中室內(nèi)濕度一般應(yīng)控制在60％左右。

3．防塵由于光學(xué)零件對表面質(zhì)量即表面光潔度和表面疵病有極高的要求，所以光學(xué)車間對防塵問題也特別突出?；覊m在拋光時(shí)會使零件表面產(chǎn)生道子、劃疵、亮絲；在鍍膜時(shí)，會使膜層出現(xiàn)針孔、斑點(diǎn)、灰霧；在刻劃時(shí)會引起刻線位置誤差，斷線等。灰塵來源主要有：①外間空氣帶入；②由工作人員衣物上落下，粒徑一般在1~5μm左右，直徑小于10μm的灰塵，往往不能依靠自重降落，而長時(shí)間懸浮于空氣中，影響產(chǎn)品質(zhì)量；③不潔凈的材料、輔料、夾具等帶入；④生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的灰塵。光學(xué)車間的凈化條件，若按室內(nèi)含塵的重量濃度要求，應(yīng)控制在毫克/米3的數(shù)量級。對膠合室則更嚴(yán)，一般以顆粒濃度要求，應(yīng)控制在粒