高精度光學(xué)零件毛坯的檢測技術(shù)

袁博，譚宇，安靜，宋嚴嚴，楊旸，孫強，謝國兵

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

高精度光學(xué)零件毛坯的檢測技術(shù)

袁博，譚宇，安靜，宋嚴嚴，楊旸，孫強，謝國兵

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西西安，710065）

論述了高精度光學(xué)零件毛坯檢測的重要性；介紹了表述毛坯質(zhì)量的重要指標；以某一玻璃毛坯檢測為例，介紹了檢測指標、檢測原理和方法。

光學(xué)零件；毛坯；均勻性

0 引言

光電儀器的使用環(huán)境日益嚴酷，為了保證在不同環(huán)境條件下光學(xué)系統(tǒng)的性能滿足預(yù)期，對光電儀器中光學(xué)系統(tǒng)所使用的光學(xué)玻璃的技術(shù)指標提出了明確而嚴格的要求，這些指標包括光學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱性能，以及加工的工藝性等。

為了保證光學(xué)零件、光學(xué)系統(tǒng)最終質(zhì)量和性能，對高精度光學(xué)零件用毛坯材料的雙折射及均勻性都提出了要求較高。但在光學(xué)玻璃材料的制造過程中，即使嚴格地按要求進行了粗退火、精退火，甚至進行了熱處理，對已熔的流入精煉爐的玻璃進行攪拌、除氣，也不可能完全消除應(yīng)力、氣泡，特別是毛坯材料尺寸比較大時，很難得到完全均勻的玻璃材料。

如果毛坯材料不符合要求，無論加工工藝多么先進，加工者的技藝多么高超，若在加工過程中才發(fā)現(xiàn)問題，就會造成工時的浪費，也無法最終獲得高精度零件。因此，對高精度光學(xué)零件用毛坯材料必須在加工前進行相關(guān)性能的檢測。一般光學(xué)毛坯材料分為無色光學(xué)玻璃、有色光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)石英玻璃、微晶玻璃、光學(xué)塑料、光學(xué)纖維、航空有機玻璃、乳白漫射玻璃等；在光電儀器上應(yīng)用的最多的玻璃材料主要包括無色光學(xué)玻璃、有色光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)石英玻璃、微晶玻璃等，而其它光學(xué)材料，如光學(xué)塑料、光學(xué)纖維、航空有機玻璃、乳白漫射玻璃等，使用相對較少。

本文重點研究無色光學(xué)玻璃、有色光學(xué)玻璃、光學(xué)晶體、光學(xué)石英玻璃、微晶玻璃等毛坯材料的常用指標的檢測技術(shù)。

1 無色光學(xué)玻璃

1.1 無色光學(xué)玻璃的分類及質(zhì)量指標

無色光學(xué)玻璃一般分為普通光學(xué)玻璃、耐輻射光學(xué)玻璃，其質(zhì)量指標主要包括：

1） 折射率、色散系數(shù)與比標準數(shù)值的允許差值

2） 同一批玻璃中，折射率及色散系數(shù)的一致性

3） 光學(xué)均勻性

4） 應(yīng)力雙折射：一般生產(chǎn)廠家都標有玻璃應(yīng)力等級

5） 條紋度

6） 氣泡度

7） 光吸收系數(shù)

8） 耐輻射性能（N系列玻璃）

1.2 主要質(zhì)量指標的含義

1.2.1 光學(xué)均勻性

由于在精密退火過程中，退火爐內(nèi)各處溫度不均勻、溫度有波動、溫度梯度大，造成在同一塊玻璃內(nèi)物理結(jié)構(gòu)不均勻，各點折射率值有微小差異而不一致，殘余應(yīng)力也會引起雙折射，這些都會破壞光學(xué)玻璃的均勻性。其不良后果會引起通過一塊折射率不均勻的玻璃的光線，會使各部分光程產(chǎn)生不規(guī)則變化，最終影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。按國家標準規(guī)定，當玻璃直徑或邊長不大于150mm時，無色光學(xué)玻璃毛坯的光學(xué)均勻性用分辨率的比值法表示；玻璃直徑或邊長為150mm~300mm的大塊光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性以一塊玻璃中各部位間的折射率微差最大值表示。

玻璃的光學(xué)均勻性以分辨率的比值表示時，按表1分類。

表1 光學(xué)均勻性以分辨率的比值表示時的分類

其中，0α代表平行光管的理論分辨率；α代表玻璃放入平行光管后的分辨率。

玻璃的光學(xué)均勻性以一塊玻璃中各部位間的折射率微差最大值?nmax表示時，按表2分類。

表2 光學(xué)均勻性以折射率微差最大值表示時的分類

1.2.2 應(yīng)力雙折射

應(yīng)力雙折射是由于退火時光學(xué)玻璃各處溫度不均勻所帶來的內(nèi)應(yīng)力，其分為中部應(yīng)力與邊緣應(yīng)力，是表示玻璃內(nèi)應(yīng)力消除程度的質(zhì)量指標。一般情況下，為保證玻璃性能按，對小塊玻璃要檢驗中部應(yīng)力，對大塊玻璃（直徑大于150mm和重量超過3kg）除了檢驗中部應(yīng)力外，還要檢驗邊緣應(yīng)力。一般光學(xué)玻璃存在應(yīng)力時會給加工和使用帶來如下危害。

（1)如果應(yīng)力較大時，在光學(xué)冷加工過程中，容易引起玻璃炸裂；即使當應(yīng)力不太大時，也容易使光學(xué)零件表面光圈變壞。

(2)在光學(xué)系統(tǒng)中可能會產(chǎn)生與雜散光類似的影響，造成光學(xué)鏡頭或光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)變壞。

（3）如果玻璃內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻時，會導(dǎo)致玻璃材料折射率不均勻，因而會引起通過光學(xué)玻璃零件后的光波波面變形，會引起像質(zhì)變壞。

當玻璃的應(yīng)力雙折射以其最長邊中部單位厚度上的光程差δ(nm/cm)表示時，按表3分類。

表3 應(yīng)力雙折射以其最長邊中部單位厚度上的光程差表示

當玻璃的應(yīng)力雙折射以其距邊緣5%直徑或邊長處單位厚度上的最大光程差maxδ(nm/cm)表示時，按表4分類。

表4 應(yīng)力雙折射以其距邊緣5%直徑或邊長處單位厚度上的最大光程差表示

1.2.3 條紋度

條紋度是由于光學(xué)玻璃熔煉過程中各部分成分不同而引起的內(nèi)部折射率局部不均勻，外形如線狀條紋，類似于圓柱透鏡，而引起的光線方向的變異。在無色光學(xué)玻璃中，最容易引起條紋的玻璃為ZF類玻璃，其次為F、Ba、BaK等類型玻璃。

當檢測中用投影儀從規(guī)定方向觀測時，玻璃條紋度按表5分類。當根據(jù)規(guī)定觀察玻璃的方向數(shù)，玻璃的條紋度按表6分級。

表5 玻璃條紋度分類

表6 玻璃分級條紋度

1.2.4 氣泡度

若光學(xué)玻璃中存在氣泡，則氣泡就相當于細微的凹透鏡，會引起引起光的散射和折射，用氣泡度表示光的散射和折射的嚴重程度。最容易引起氣泡的玻璃是含有BaO的BaK、BaF和ZK等類型玻璃材料。

玻璃的氣泡度級別根據(jù)每100cm3玻璃內(nèi)允許含有氣泡的總截面積（mm2)的大小，按表7分為7級（結(jié)石、結(jié)晶體及其它內(nèi)含物亦作為氣泡計算。扁長氣泡取最長軸和最短軸的算術(shù)平均值為直徑計算面積）。

表7 玻璃氣泡度分級（根據(jù)截面積）

光學(xué)玻璃的氣泡度級別也可根據(jù)每100cm3玻璃內(nèi)允許含有的氣泡數(shù)量按表8分為7級。

表8 玻璃氣泡度分級（根據(jù)氣泡數(shù)）

結(jié)石、結(jié)晶體及其它內(nèi)含物亦作為氣泡計算。扁長氣泡直徑為最長軸和最短軸的算術(shù)平均值。

2 有色光學(xué)玻璃

2.1 有色光學(xué)玻璃分類

有色光學(xué)玻璃的分類包括兩種情況，一種按著色劑的特性進行分類，另一種是按玻璃牌號進行分類。按著色劑的特性分類一般包括硒鎘著色玻璃、離子著色的中性（暗色）玻璃、離子著色的選擇性吸收玻璃。按玻璃牌號分類一般包括黑玻璃、紫色玻璃、藍色玻璃、綠色玻璃、黃色玻璃、橙黃色玻璃、紅色玻璃、灰色玻璃等，而黑玻璃又包括透紫外線和透紅外線兩種。目前，有色玻璃牌號約有100余種。

2.2 主要質(zhì)量指標

在質(zhì)量指標方面，主要包括玻璃均勻性、雙折射、氣泡、條紋、結(jié)石、翻修正值、化學(xué)穩(wěn)定性等指標。

3 主要指標檢查方法

3.1 光學(xué)玻璃的雙折射測量

光學(xué)雙折射的大小代表玻璃材料內(nèi)應(yīng)力的消除程度。通常以光學(xué)提供1厘米厚的玻璃所產(chǎn)生的光程差（單位為毫微米）表示雙折射的大小。

無色光學(xué)玻璃應(yīng)力測量一般采用應(yīng)力儀和反射式偏光應(yīng)力儀進行測量。測量時，分別測量玻璃邊緣5%口徑處最大雙折射值和玻璃應(yīng)力的分布。

依據(jù)GB/T 7962.5-2010測試同爐試片的應(yīng)力雙折射，檢驗樣板孔徑不小于￠20mm，檢測波長0.54μm, 測量值應(yīng)滿足設(shè)計要求值。

3.2 光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性測量

光學(xué)玻璃的均勻性測量方法較多，包括全息干涉法、干涉測量法、刀口儀陰影法、分辨率比值法等，其中最常用的是干涉測量法，它是一種精度較高的測量方法，既能測量光學(xué)玻璃折射率的變化值，又能看清折射率變化的部位。而刀口儀陰影法比較適合光學(xué)車間的大口徑鏡面毛坯的檢測。

光學(xué)均勻性表示玻璃內(nèi)部折射率緩慢變化而造成的不均勻程度。

折射率不均勻性：采用透射干涉法測量測試切片或同爐試片（口徑不大于Φ250mm）的折射率不均勻性，檢測波長0.6328μm，測量值△n/n≤4×10-5。

3.3 透過率

測試材料（拋光后厚度不小于10mm）在要求波長處的透過率,其測量值應(yīng)分別不小于具體指標值；當材料拋光后厚度大于15mm時，測量值應(yīng)分別不小于規(guī)定值。

3.4 彎曲強度

依據(jù)GB/T 6569-2006測試切片或同爐試片的彎曲強度。

4 某ZnS毛坯材料的檢測

4.1 檢驗的主要指標

對高精度光學(xué)零件毛坯材料的檢測指標主要包括光學(xué)均勻性、應(yīng)力大小及均勻性。均勻性和像質(zhì)密切相關(guān)，應(yīng)力和加工過程及像質(zhì)密切相關(guān)。

光學(xué)雙折射的大小代表玻璃材料內(nèi)應(yīng)力的消除程度。通常以光學(xué)提供1厘米厚的玻璃所產(chǎn)生的光程差（單位為毫微米）表示雙折射的大小。

彎曲強度：依據(jù)GB/T 6569-2006測試切片或同爐試片的彎曲強度，測量值應(yīng)≥60Mpa；

透過率：測試材料（拋光后厚度不小于10mm）在要求波長處的透過率,其測量值應(yīng)分別不小于具體指標值；當材料拋光后厚度大于15mm時，測量值應(yīng)分別不小于規(guī)定值；

折射率不均勻性：采用透射干涉法測量測試切片或同爐試片（口徑不大于Φ250mm）的折射率不均勻性，檢測波長0.6328μm，測量值△n/n≤4×10-5；

應(yīng)力雙折射：依據(jù)GB/T 7962.5-2010測試同爐試片的應(yīng)力雙折射，檢驗樣板孔徑不小于￠20mm，檢測波長0.54μm, 測量值應(yīng)滿足設(shè)計要求值。

4.2 測試原理和方法

4.2.1 折射率不均勻性

采用干涉儀測試，測試片應(yīng)具有5’-10’ (角分)的楔角，測量5次，△n/n的算術(shù)平均值應(yīng)滿足要求。

折射率不均勻性△n的測試原理如圖1所示。

圖1 折射率不均勻性測試原理

其中：1.光源；2.準直系統(tǒng)；3.平面板；4. 被測樣品；5. 標準反射鏡；6. 精密調(diào)整臺；7.成像傳感器；8.數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)；

Wi為入射波面波像差分布函數(shù)；

W1，為標準參考平面AB內(nèi)反射面和樣品前表面CD反射波面干涉后的波像差；

W2為標準參考平面AB內(nèi)反射波面和樣品后表面EF內(nèi)反射波面干涉后的波像差；

W3為標準參考平面AB內(nèi)反射波面和樣品透射波面干涉后的波像差；W4為移去樣品后，標準參考平面AB內(nèi)反射波面和測試反射鏡GH反射波面干涉后的波像差；

折射率不均勻性測試裝置由激光光源、準直系統(tǒng)、平面板、標準反射鏡、攝像機以及計算機處理系統(tǒng)組成，通過測試四幅干涉圖像通過計算獲得折射率差的分布。按照公式（1）和公式（2）計算折射率差分布的PV值和RMS值作為光學(xué)材料的折射率不均勻性的絕對值。

其中，折射率差分布?n（x，y）按照以下步驟獲得，如圖2所示。

由干涉儀測試步驟按照圖2所示步驟依次調(diào)試出四幅干涉圖，分別由以下波面兩兩相干：

⑴標準參考平面內(nèi)反射波面與樣品前表面反射波面干涉，檢測出波像差W1；

⑵標準參考平面內(nèi)反射波面與樣品后表面內(nèi)反射波面干涉，檢測出波像差W2；

⑶標準參考平面內(nèi)反射波面與樣品的透射波面干涉，檢測出波像差W3；

⑷移去樣品，標準參考平面內(nèi)反射波面與測試反射鏡反射波面干涉，檢測出波像差W4。

圖2 干涉儀測試步驟

Wi：入射波面分布函數(shù)；Z1：被測光學(xué)材料前表面的面形偏差分布函數(shù)；Z2：被測光學(xué)材料后表面的面形偏差分布函數(shù)；Z3：測試平面反射鏡的面形偏差分布函數(shù)；

W1~W4分別用公式（3）~公式（6）表示：

式中，W1—待檢樣品前表面Z1反射的波前誤差，單位μm；

W2—經(jīng)待檢樣品透射后表面Z2反射回的波前誤差，單位μm；

W3—經(jīng)待檢樣品透射，再經(jīng)測試平面鏡鏡面Z3反射回的波前誤差，單位μm；

W4—移去待檢樣品后的干涉儀空腔波前誤差，單位μm；

n0—待檢樣品在該指定紅外波長的折射率標稱值；

t0—待檢樣品的平均厚度，單位mm。

折射率不均勻性?n與上述波像差滿足如下關(guān)系：

4.2.2 應(yīng)力雙折射測試

采用應(yīng)力儀測試，其5次算術(shù)平均值應(yīng)滿足要求。

應(yīng)力雙折射測量原理如圖3所示。

圖3 1/4波片法應(yīng)力雙折射測量原理

被測材料放入兩偏振方向垂直的起偏器和檢偏器中，由于應(yīng)力雙折射的存在，線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光。1/4波片產(chǎn)生π/2的相位補償，將橢圓偏振光再次變?yōu)榫€偏振光，然后旋轉(zhuǎn)檢偏器使檢偏器與此時線偏振光的偏振方向垂直。依據(jù)檢偏器旋轉(zhuǎn)角度θ獲得被測材料的應(yīng)力雙折射值。應(yīng)力雙折射按照公式（8）來計算。

5 結(jié)論

（1）高精度光學(xué)零件用毛坯材料，特別是大尺寸時，應(yīng)進行毛坯材料性能檢測，以防對后續(xù)加工造成不必要的影響和浪費。

（2）檢測時，毛坯的取樣方法是很有講究的，應(yīng)針對不同情況研究確定取樣方法。

（3）當光學(xué)毛坯用于高性能儀器上時，對其性能的復(fù)驗更應(yīng)引起足夠重視。

[1]李維民.新型光學(xué)材料發(fā)展綜述[J].光學(xué)技術(shù),2005,31(2):208-213.

[2]趙濤,劉渤然,李林.有色光學(xué)玻璃光譜吸收特性的測量[J].大學(xué)物理試驗,2006,19(4) :7-10.

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[4]李士賢,鄭樂年，《光學(xué)設(shè)計手冊》，北京：北京理工大學(xué)出版社1990年8月.

Testing Technology of Military High Precision Optical Part Blanks

Yuan Bo,Tan Yu,An Jing,Song Yan Yan,Yang Yang,Sun Qiang,Xie Guo Bing (Xi’an Institute of Applied Optics,Xi’an Shaan xi,710065)

This paper disscusses the importance of high-precision optical part blanks testing and describes the important indicators of blank quality. Also, testing indicators, testing principles and testing methods are introduced taking a certain kind of optical glass blank for example.

optical parts；blanks；uniformity