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光学基础知识
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
±3×10-4
±0.3%
1
±5×10-4
±0.5%
2
±7×10-4
±0.7%
3
±10×10-4
±0.9%
4
±20×10-4
±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
类别
1
2
3
4
ф/ф0
1.0
1.0
1.1
1.2
1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Δnmax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
H4
Δnmax
±2×10-6
±5×10-6
±1×10-5
±2×10-5
3.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δnmax(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
δnmax(nm/cm)
2
4
6
10
边缘应力:
按单位厚度的最大光程差δnmax(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
D3
δnmax(nm/cm)
3
5
10
20
4.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
650±300
2000±100
无条纹影象
0
2
650±300
2000±100
1
3
250±10
750±30
2
4
250±10
750±30
长度《12mm,
每300cm3中《10条,间距》10mm
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
2500±100
8000±200
无条纹影象
D1
2
2500±100
8000±200
D2
2
2500±100
8000±200
有细小条纹影象,间距间距》40mm
D3
2
2500±100
8000±200
1.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
1
5.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
2
最大直径或边长mm/
允许气泡最大直径mm
0-20/0.05
0-20/0.1
0-20/0.1
20-120/0.4
20-120/0.6
20-120/0.9
>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
>0.5-1.0
>1.0-2.0
>2.0
6.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
6
Emax
0.001
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.015
0.03
7.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值,将该置于BaK7和ZK9玻璃标样的浊度值(HBaK7和HZK9)比较。
表1-12:
玻璃抗潮湿大气稳定性
级别
H
说明
1
H≤HBaK7
80倍显微镜下观察无均匀水斑
2
H≤HBaK7
80倍显微镜下观察有均匀水斑
3
HZK9≥H>HBaK7
______
4
H>HZK9
______
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
级别
PH2.9±0.2
PH4.6±0.2
PH6.0±0.2
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
>3h
3b
≤3h
7.3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
3
Wt%
≤0.20
>0.2--0.35
>0.35--0.65
级别
4
5
6
Wt%
>0.65--1.2
>1.2--2.2
>2.2
7.4FA相对研磨硬度
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/ρO)/(W/ρ)
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;
ρ0、ρ分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃的密度,g/cm3
HK——Knoop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(-60—200C,20--1200C)每10C温度变化对单位长度所引起的长度变化,用αL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
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。
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(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2-1:
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:
n1Sini=n2Sinr
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=9
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