光学零件检验方法

光学零件加工技术实验讲义

实验一 光学零件毛坯的成型

一、实验目的：

1、了解古典法加工块料毛坯粗磨成型的工艺过程；

2、熟悉所用设备、材辅料等相关知识。 二、实验设备及用品

切割机、粗磨机、滚圆机、K9玻璃、金刚砂 三、实验步骤

1、 取块料玻璃，在切割机上按30x30x20mm 切割；

2、 在平面粗磨机上，分别用100#，240#金刚砂磨平第一面；

3、 将磨平的一面用胶粘在平的垫板上，排列均匀；

4、 在粗磨机上，手持垫板，用100#，240#金刚砂整盘研磨第二面，要不断更换垫板位

置，使之研磨均匀。同时要用卡尺测量，保证厚度和平行度； 5、 将两面磨平的平行玻璃板粘成条，宽：长=1：8～1：10；

6、 在滚圆机上，将玻璃条滚圆成棒，?Φ+Φ=Φ0；

7、 将玻璃棒在电热板上加热，使粘胶熔化并逐一拆开玻璃板； 8、 用酒精等有机溶剂清洗玻璃；

9、 用粗磨盘开球面，手持比例移动，更换位置，开出具有一定曲率半径的球面零件； 10、检验，用铁样板或试擦贴度的方法。 四、讨论

1、在粗磨平面时，为什么第一面磨平单块加工，而第二面磨平可成盘加工？

2、检验时，铁样板或试擦贴度为何从边缘接触密切？

实验二金刚石磨轮铣磨球面

一、实验目的

1、验证光学零件铣磨原理；

2、了解粗磨铣磨工艺过程；

3、熟悉铣磨机工作原理和调整方法；

4、要求铣磨如图1所示的透镜。

二、实验设备与用具

透镜铣磨机QM08A 、金刚石磨轮（M D =20mm ，r=2mm ，粒度#

100，浓度100%）、千分尺、扳手、透镜毛胚 （mm 0

10.025-φ，d15mm ）、擦镜盘等。

三、铣磨原理

球面零件的铣磨原理如图2、图3所示。磨轮轴轴线与工作轴轴线相交于0点，两轴线的交角为α，筒形磨轮1绕自身轴线作高速旋转，工件2绕工件轴转动。磨轮断面在工件表

图3-2凸球面铣磨原理 图3-3凹球面铣磨原理 按图2与图3，有以下关系式：

)

(2sin r R D M

±=

α （1）

式中 α——磨轮轴与工作轴夹角；M D ——磨轮中径；R ——工件被加工面的曲率半径； r ——磨轮端面圆弧半径（凸面取“+”号，凹面取“-”号）

上式也可以写成

r D R M

α

sin 2=

（2）

当磨轮选定后，M D 与r 均为，调节不同的α角，既可加不同曲率半径的球面零件。 四、实验步骤与内容

（1）操作程序（参考图4）

打开电源总开关，真空泵同时开始动作。

左手将工件轴进退轴手柄3向右扳动。右手同时把毛胚及密封垫圈嵌入真空夹头，并轻轻转动毛坯看其是否吸牢，然后将手柄3一直扳倒右边极限位置并推入定位凹槽。盖上防油雾罩9。

按动按钮20，磨头轴运转。

按动按钮19，工件轴运转。加工完毕后，工件轴自动停转，同时冷却液停止供给。 按动按钮17，磨头轴停转。

打开防油雾罩，扳动手柄3将工件取下。

检查所磨的曲率半径是否符合要求（一般要求铣磨零件的表面要和擦贴盘有1/2~1/3的擦贴度），并根据加查结果修正各参数。

检查被加工面是否有凸台，若有凸台则可以观察磨削纹弧线的方向来确定磨头箱平移b 值的修正方向。

被加工面的曲率半径R 主要与磨头偏转角α有关，加工凸面时若曲率半径偏大则需增大α角。反之则减小α角。

试磨工件的中心厚度，这只与工件轴箱体的纵向位置有关，根据试件实际厚度与所要求的厚度的差值来微量调整工件轴箱的位置。所调值可以从箱体前的百分表上读出。

反复试磨和修正，使铣磨的R 值达到要求为止。 实验完毕，关掉总电源。

图3-4铣磨机外形图

（2）操作注意事项

1）试磨前必须在工件和磨轮的距离大于凸轮升程的情况下空转几个过程，观察各部位运转是否正常。内部冷却液的喷射必须充分，真空吸附必须牢固；

2）装卸磨轮时严禁敲打，为了便于装卸，装磨轮前必须把磨轮孔擦净并涂少许黄油；

3）无极变速的变速手柄必须在运转的情况下进行调整。

五、实验报告

实验报告中除了要求阐述本实验的实验目的，实验原理外，重点讨论实验结果。

在实验结果中要求：

1. 记录实验中所用的机床型号，磨轮参数，夹具尺寸，冷却液种类，喷射方式，喷射量，磨头轴偏转角α，工件边缘线速度，工序周期等；

2. 画出完工零件图；

3. 总结消除工件凸台和调整磨轮轴偏转角α之间的关系。

六、思考题

1. 粗磨铣磨中，如果磨削后的零件与擦贴盘成中心接触和边缘接触但是腰部不接触。其面型是什么？并解释出现这种现象的原因，是由于机床的哪部分调整不当造成的？应如何调整？假如把擦贴度调得再紧一些，则只有边缘接触而中心不接触，此时是否还是原面型？

2. QM08A球面铣磨机能否用于磨外圆？磨外圆时机床应如何调整？

3. 在铣磨过程中，如果零件装夹不紧，磨出来的表面会出现什么情况？

4. 在铣磨零件时，如果最后没有光刀过程将磨出怎样的表面？

5. 若用调整b值消除外凸包后，零件的曲率半径R比调整前是变大还是变小？此时α应作如何调整？分别用凸零件和凹零件说明之。若要消除内凸包，应如何调整？

实验四样板检验

一、实验目的

用光学样板检验光圈是光学零件制造中检验面形偏差的一种使用最广泛、最简便的精密检测方法，需要熟练地掌握。通过实验应该达到以下目的：

1、掌握识别高低光圈的方法（如样板四周加压法、一侧加压法、色序判断法等）及光圈的度量。

2、学会识别常见的几种局部光圈（如中心局部高、中心局部低、塌边、翘边等）及象散偏差。

3、了解影响光圈的工艺因素，并掌握修改光圈的方法。

二、实验设备与工具、量具

Q8412型四轴透镜研磨机、球面工作样板、镜盘、抛光模、氧化铈抛光液、酒精乙A

醚混合液、脱脂纱布、酒精灯、刮刀、活动扳手、台灯

三、实验方法

光学零件的面形偏差是指被检光学表面相对于参考光学表面（光学样板）的偏差。它包括有三项内容：

1、半径偏差，它所对应的光圈数以N表示；

2、象散偏差，此偏差所对应的光圈数用N1?表示；

?表示。

3、局部偏差，它所对应的光圈数以N

2

在光学零件抛光过程中，它的面形偏差一般是通过光学样板（基于光波等厚干涉原理）来检验的，根据对所观察到的干涉条纹（通称光圈）的数目、形状、变化和颜色来确定面形偏差的性质与大小。对光圈的识别、度量与修改，其具体方法简述如下：

（一）高低光圈的识别及其度量

当样板与零件接触时，如果两者在中心接触，则为高光圈；反之，两者在边缘接触，则为低光圈。常用的识别方法有：

1、样板四周加压法

低光圈：当空气隙缩小时，条纹从边缘向中心移动，光圈减小且变粗。

高光圈：当空气隙缩小时，条纹从中心向边缘移动，光圈也相应减小变粗。如图4-1所示。

图4-1 样板四周加压法图4-2 一侧加压法

2、一侧加压法

低光圈：当空气隙缩小时，条纹弯曲方向背向加力点，条纹移动方向如图4-2所示。

高光圈：当空气隙缩小时，条纹弯曲方向朝向加力点，条纹移动方向如图4-2所示。

3、色序判断法

在白光中，各色光的波长是从红光向紫光逐次减短，因此，在同一个干涉级中，波长越

4、光圈数N的度量

光圈数的多少，反映了被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径偏差的大小。光圈越多，偏差越大。反之则小。 （1）当光圈数多的情况下（1>N 时），以有效检验范围内直径方向上最多条纹数的一半来

度量。在白光照明下，通常以红色为计量标准色，表面上出现几个红色光圈即为几道圈。 （2）当光圈数少的情况下（1

H

h

N =

（4-1） 对于较小曲率半径的球面，当1

差异来度量其光圈数的。如以荧光灯作光源，当边缘颜色为灰白色时，则可根据中间颜色来确定其光圈数，也可根据与空气隙厚度相对应的颜色和光圈数的关系来计算与颜色对应的空气隙厚度差或光圈数。

图 4-4 1

（二）局部光圈的识别及其度量

局部偏差是指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，它所对应的光圈数用N 2?表示。常见的局部光圈有中心高、中心低、塌边、翘边

等如图4-5、图4-6所示。

图4-5中心局部光圈数N 2?的度量 图4-6边缘局部光圈数N 2?的度量 （·表示加力点） （·表示加力点）

局部光圈数N 2?是以局部不规则干涉条纹对理想平滑干涉条纹的偏离量（e ）与两相邻条纹间距（H ）的比值来度量的。其关系式为

H

e

N =

?2 （4-2） （三）象散光圈的识别及其度量

象散偏差是指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，此偏差所对应的光圈数用N 1?表示。常见象散光圈有椭圆形象散光圈、马

鞍形象散光圈、柱形象散光圈等。如图4-7、图4-8、图4-9、图4-10所示。

象散光圈数N 1?是以两个相互垂直方向上光圈数N 的最大代数差的绝对值来度量的其关系式为

y x N N N -=?1 （4-3）

图 4-7 椭圆形象散光圈数N 1?的度量 图4-8马鞍形象散光圈数N 1?的度量

图4-9 柱形象散光圈数N 1?的度量 图4-101

在光学零件的抛光过程中，常用的调整光圈的工艺因素有：摆幅大小、顶针位置、主轴转速、摆速的增减、压力的增减、抛光模的修刮、抛光液的浓淡等。当光圈高时，说明零件边缘磨多了，修改时应使中间多磨。反之，光圈低时，零件中间磨多了，修改时应使边缘多磨。在加工过程中，对光圈的修改，主要是通过正确地熟练地调整有关工艺因素来实现的。修改光圈的具体方法归纳成下列二表。 1、规则光圈的修改方法如表4-1所示。

表中所列系指单项工艺因素的改变对光圈的影响，运用时可根据具体情况，同时采取几项主要工艺因素措施，就可迅速达到预期目的。 2、局部光圈象散偏差的修改方法见表4-2。

在抛光过程中，当规则光圈与局部偏差同时出现时，此时应该根据两者哪个距离规定值大，就做为主要矛盾先行解决。当光圈不规则比较严重时，可将镜盘先往低光圈方向修改，然后再抛到所要求的表面几何形状。若光圈不规则程度十分严重时，则必须重新精磨，再行抛光。

3、抛光模的修改形式如图4-11所示

图4-11常用的修模形式

四、实验步骤 （一）识别光圈

1、用拭布仔细擦拭透镜表面及样板表面，在灯光下观察无尘为止。

2、将样板置于透镜之上，不得相互错动，轻轻加压使出现光圈。

3、根据光圈的识别方法来判断光圈的高低及局部偏差的性质和大小。

4、记下透镜的光圈情况，准备修改光圈。 （二）、修改光圈

1、将镜盘装在抛光机床主轴上，加上抛光液，再装好抛光盘，根据所需要修改光圈的情况初步调整有关工艺因素进行抛光。

2、加工10分钟后，停车，检查光圈变化情况，并根据光圈变化趋势，进一步调整各工

艺因素，以控制光圈向着要求目标改进。

3、反复检查，反复修改，直到光圈达到要求后停车，关闭机床电源，调整用具，擦净机床。

五、实验报告

1、简述高低光圈、局部光圈的识别于度量。

2、根据所实验零件的光圈情况，说明是如何把光圈修改好的。 六、思考题

1、在光圈1 N 的情况下，光圈如何识别于度量？

2、塌边是如何产生的？应怎样修改塌边？

实验五 透镜的定心和磨边

一、实验目的

透镜的定心与磨变是光学零件制造的基本工艺过程之一。透镜的定心与磨边的主要方法有二类：机械定心磨边与光学定心磨边。 1、了解光学定心法的原理与方法；

2、了解透镜磨边的一般过程及工艺装备；

3、初步分析影响定心磨边质量的工艺因素。 二、实验设备及用具

光学定心磨边机、TD 型磨边定心仪、定心磨边胶、酒精灯、打火机 、未磨边透镜（平凸或平凹透镜 ）、外径分厘卡、倒边摸、金刚砂、酒精清洗皿、酒精乙醚混合液滴瓶、脱脂纱布等。 三、实验原理

定心磨边是透镜制造的后道工序，对透镜获得尽量小的偏心差与好的表面质量起直接影响，它将完成以下工作。

1、使透镜光轴或透镜球面的球心对透镜几何轴或其他定位轴的偏离量，调整到给定的要求范围内。

2、透镜的外圆直径达到装配或胶合的要求。

3、透镜倒边。

光学定心中以用自准显微镜观测球心象的方法最为常用，并具有最高的精度。各种方法所能达到的精度如表5-1所示。自准显微镜观测球心反射象的仪器通常是TD 型定心仪，其原理图如图5-1所示。工件10粘结在定心夹头上，透镜的后面定位于定心夹头，透镜的前表面依靠TD 型自准显微镜定心。当透镜的前表面的球心C 与TD 型定心仪的工作点或会聚点接近重合时，则在定心仪分划板上看到十字丝象随着相应转动。加热定心夹具及工件，

图5-1 TD 型定心仪

表5-1几种定心方法的精度比较

使定心胶软化，工件在夹头上按定位球面滑动，直至工件转动时，十字丝象不动为止。为提高定心精度，可调物镜可以换用倍率不同的镜组。TD 型定心仪具有六组可换物镜，使分划板最高格值达到0.005mm/格。分划板格值按下式计算：

4b a β

=

4c n b

β

=

0'10

'

f f β= 式中：b —分划板分划值，b=0.4mm ；β—显微镜物镜的倍数；f ˊ—可换物镜焦距；n —

十字丝象跳动格数；c —偏心差；'0f —固定物镜焦距，'

0f =110mm 。

完成透镜前表面球心定心后，为使后面在夹头上定心可以，用观测后表面的定心象来校对之。前表面的球心象与后表面的球心象的校正点位置可以预先计算出来。图5-2表示定义仪与透镜前表面之间的距离计算原理。设A 1、A 2为透镜后表面(R 1)、前表面（R 2）的球心象校正点位置，定心仪与透镜间距离可用下式计算：

111F L L x =- 222F L L x =+

式中：L 1、L 2——可换物镜前表面与工件前表面的距离；L F1、L F2——可换物镜的顶焦距；

x 1、x 2——A 1、A 2对工件前表面的距离。

图5-2定心仪的对焦位置的计算

可换物镜的顶焦距即定心仪的工作距离可查表5-2或读取每只可换物镜所标的数值。

为保证定心精度，定心夹头装在磨边机工件轴上，利用磨边机的车刀架附件，对夹头的端面（粘结平面）和内圆锥（粘结凸面）或外圆锥（粘结凹面）进行精车、精磨与抛光，校正锥面与机床回转主轴的不同轴度及端面与主轴的不垂直度。

光学定心磨边机通常用Q853定心磨边机。这种磨边机属于平行磨削方式。运动系统1由砂轮旋转磨削运动、砂轮进给运动、工件的旋转运动以及工件的往复走刀运动组成。砂轮轴转速为3000r/min，工件轴转速为200、315、500r/min，工件轴往复次数30min-1，每次进刀量为0.02～0.08mm。通常用自来水为冷却剂。

四、实验步骤

1、根据被定心磨边透镜的类型及结构参数（通常为平凹透镜或平凸透镜）粗略计算出球心象校正点的位置，然后按偏心差要求与校正点位置选择TD型定心仪的可换物镜倍数。

2、根据透镜粘结面的形状确定夹头的结构形状；根据透镜磨边后的直径确定夹头的尺寸；根据偏心差要求确定夹头的精度。按上述要求精车或对已有夹头验收、测量。

3、按可换物镜的工作距离（顶焦距）精略确定定心仪的位置、找到二个表面的球心象校正透镜的光轴、使旋转工件轴时，十字丝象的跳动量在要求格数内。

4、先适当调节磨边机的工件轴转速及往复走刀行程，然后开动磨边机，打开冷却水，最后手动进给，试磨后，停机，测量透镜外径。反复以上操作，直至达到要求为止。

5、将磨边机调节到仅有工件轴旋转一种运动，用倒边模加金刚砂对透镜进行倒角。

6、取下透镜，清洗干净，目测崩边、表面疵病情况。

五、实验报告

1、计算透镜的球心象校正点位置，比较定心仪的计算位置与实际定心位置。

2、该透镜的定心结果实际达到多少偏心差？分析影响定心精度的工艺因素。

3、目测定心后透镜的表面质量及崩边情况，分析影响质量的工艺因素。

六、思考题

1、为什么透镜的曲率半径越大，越难达到高的定心精度？准同心透镜为什么不能采用光学法定心磨边？应该怎样定心磨边准同心透镜？

2、凹透镜磨边前为什么特别需要工艺性倒角？

实验五高精度平面的制造与检测

一、实验目的

高精度平面是用途很广泛和具有代表性的精密光学零件。高精度平面的制造与检测是基础的和典型的精密光学工艺技术。本实验应达到下述目的：

1、了解用环形抛光盘加工法抛光高精度平面的方法。

2、了解用菲索干涉仪检测高精度平面及对平面干涉图的常规判读方法。

二、实验设备及用具

环形抛光机、菲索平面干涉仪、完成粗抛光（N=0.5~1）的φ60的平晶、精抛的φ60的平晶夹持器、抛光辅料、酒精乙醚混合剂、脱脂棉布

三、实验原理

高精度平面一般是指平面度达到二十分之一波长的平面零件。这种平面的制造关键在于抛光阶段，抛光一般分粗抛光（N=0.5~1）和精抛光（N≤0.1）。粗抛光用一般抛光方法就可

以达到。精抛光的方法很多，例如分离器抛光法，而环形抛光盘加工法是其中的一种新工艺，如图7-1所示。环形抛光机是一台带有1m 抛光盘的精抛光机。主轴有好的刚性，通过可控硅调速控制直流马达，并通过机械减速传动系统使主轴获得0.5~6r/min 的转速。环形抛光盘用柏油松香等制作而成，由校正板1控制抛光盘2的面形。调整可调支架3使校正板远离中心，则抛光盘变凸；反之，校正板移向中心，则抛光盘变凹。抛光盘的面形变化，使粗抛后的平晶4的平面性得到进一步的修正。凸的抛光盘将精抛出的平晶。大的抛光盘将复制出高精度的平面。当控制校正板并保持环形抛光盘的平面性为10个光圈时，如果抛光正常，略去热变形的影响，则不难复制出平面性达到λ/50的φ60mm 的平晶。

n

N d D p

=

2

2

式中D p ——环形抛光盘直径；

d ——平晶直径；

N ——环形抛光盘光圈数； N ——平晶光圈数。

若D p =1000mm 。D=60mm ，N=10，则 n=0.036

50

2

λ

λ

≈

=n

W

式中 W ——平晶的面形误差。

图7-1环形抛光盘加工法

平晶的平面性或面性误差通常用菲索平面干涉仪测量。一般应该获得垂直方向、水平方向和450方向三幅干涉图。干涉图的条纹数以5条为好，中央条纹通过的中心，如图7-2所示。干涉图的判读可以用目镜测微器，也可以拍摄下来，用手工计读或用工具显微镜计读，并按下式读出面形误差W

图7-2平面干涉图

2

λ?=

H h W 式中 h —干涉条纹的最大弯曲量；H —干涉条纹的平均间距；λ—干涉仪光源波长 四、实验准备 1、准备工作

（1）启动环形抛光机，调节机床主轴转速为1~2r/min ，使之处于适合精抛状态。 （2）将已经粗抛光的平晶在干涉仪上测量，并计读其表面误差。 2、精抛平晶

（1）将平晶放入环形抛光机的工件夹持器内。

（2）半小时后取出平晶，在干涉仪上对一个方位的干涉图进行估读。

（3）根据平晶误差情况，适当调节校正板的位置（平晶如太凹，则使校正板向环形抛光机中心移动）。

（4）再放入平晶，精抛半小时后取出，作平面性的最后检测，环形抛光机停机。

3、平晶的检测

将精修后的平晶在菲索平面干涉仪上最后的检测。读取垂直、水平及450方位的三副干涉图中的最大误差值，即为该平晶的平面面形误差。

五、实验报告

1、记录与分析第一次精抛平晶的结果。

2、记录与分析第二次（校正板移位后）精抛平晶的结果。

3、记录并判读平晶精抛结束后的干涉图。

4、回答思考题。

六、思考题

1、环形抛光机的抛光盘的面形变化与哪些因素有关？

2、平晶平面性的获得与哪些因素有关（提示：材料、转速、校正板位置与大小、工件的位置及室温等）。

3、计读平面干涉条纹为什么需要三个方位的干涉图？为什么需要5根条纹？为什么中央条纹必须通过干涉图的中心？

4、精抛平晶时，如果出现平晶中间凹和塌边的现象，在精抛过程中应采用什么措施？干涉图上应如何判读？