光学零件制造

光学制造技术宁波大学机械学院詹建明E-mail:[e-mail]•§1光学制造引言•§2材质与毛胚制造•§3传统光学制造——传统玻璃镜片•§4近代光学制造——非球面镜片•§5现代光学制造——极端制造•§6光学检测•附录激光初步§1光学制造引言一.光的机械微粒学说(17世纪--18世纪末)代表：牛顿对立面：惠更斯--波动说分歧的焦点：光在水中的速度vv水空气vv水空气1850年佛科（Foucauld）测定vv水空气微粒说开始瓦解二.光的机械波动说（19世纪初--后半世纪）英国人托马斯.杨(T.Young)和法国人菲涅尔(A.T.Fresnel)通过干涉、衍射、偏振等实验证明了光的波动性及光的横波性。性质：弹性机械波，在机械以太中传播。三.光的电磁说（19世纪的后半期---）19世纪后半期Maxwell建立电磁理论，提出了光的电磁性，1887年赫兹用实验证实。性质：电磁波在电磁以太中传播四.光的量子说（20世纪初---）电磁波动说在解释“热幅射实验”及“光电效应”等实验遇到困难。光速不变原理•1905年爱因斯坦发表狭义相对论。他阐述了一个通用原则：相对任何以恒定速度运动的观察者来说，不管这个速度是多少，物理原理及光速都是一样的。这也就强调了光速在物理学的根本地位。•事实上，爱因斯坦在物理学上的重大贡献在于提出了相对论，而相对论之所以引入关注的原因之一，则在于爱因斯坦提出的相对论中，有一项基本原理,即光速不变原理。1900年普朗克提出了“热幅射量子理论”，爱因斯坦提出了光子理论，将光看成一束粒子流与电磁波动说相抗衡二者各自统治着自已的领域。1924年法国人德布罗意（De.Broglie)大胆提出了“物质波”的概念，尔后薛定谔、海森伯等人创建了量子力学，又将二者统一起来。光是一个复杂的客体，它的本性只能通过它的表现来确定。它的某些方面象波而另一方面象微粒（波粒二象性）。但它既不是经典的波，也不是经典的微粒，也不是二者的混合体。“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”分类：1）几何光学--研究光的直线传播及光学仪器的制造；2）波动光学--研究光的波动性；3）量子光学--研究光与物质的相互作用。从20世纪50年代起，出现了“相干光学”、“纤维光学”、“全息光学与全息技术”….它是既年轻又古老的科学，也是现代技术的基础光学的发展仍可用“方兴未艾，前途无量”来形容Spectrumofelectromagnetic(orHertzian)wave光学零件对加工精度的要求*：（1）几何光学——形貌精度要求；（2）波动光学——表面粗糙度要求；（3）高能光学——材质纯净性要求。§2材质与毛胚材质：由于光学玻璃对光学常数等技术指标要求非常高、而且品种繁多，对生产工艺技术有特殊要求，技术壁垒高，直到今天，世界上只有德国、中国、日本、美国、英国等少数几个国家的少数厂家掌握了其配方、熔制技术，属于技术及资金密集型的领域,也属于重要的战备物资。在战争时期，高品质的光学玻璃被作为重要的战略资源储备，如第二次世界大战著名的日本阿波丸号沉船，上面除了钻石、黄金，就有大量的光学玻璃。光学玻璃的熔炼:为了保证高质量，高品质光学玻璃在原材料上和普通的玻璃就不一样，高纯度的原料和重金属氧化物（如铅和钡），为了保持纯度，熔炼中，使用专门的白金坩埚。使用白金是为了防止在熔炼的时候，坩埚原子溶入玻璃内。普通玻璃仔细看都发绿，就是因为熔炼普通玻璃时，使用的普通铁坩埚。而铁离子在玻璃内是呈现绿色的。锻造：各种原料在白金坩埚内精密熔炼出光学玻璃后，为了保证内部无气泡，介质均匀，还要锻造（不只金属能锻造，玻璃也能），像和面一样，在高温下反复揉压。锻造完成后，以非常缓慢的速度冷却（从高温缓慢冷却到常温，光这个过程在冷却炉内就需要整整数十天），极其缓慢的冷却，是为了防止产生内应力，影响光线折射率等光学指标的均衡。然后就是采样检验，必须在光学性质、强度、微观物理状态（微气泡的数量）化学稳定等方面都符合要求，这之后，才是切割打磨。§3传统光学制造传统的光学加工设备铣磨机视频1：传统光学制造§4近代光学制造一、数控铣磨和抛光技术二、单点金刚石车削技术三、模压技术产品1：非球面镜产品2：模压光学零件目前CCOS技术面临的主要问题有:(1)工艺条件的复杂性使得实际误差收敛曲线与理论之间存在较大的差别,误差收敛的速度没有想象的快,因此如何对加工过程进行优化以提高CCOS的效率是问题的关键。(2)为使CCOS技术做到真正的非专家可操作,需要建立完整的CCOS加工数据库及专家系统。而这方面目前还缺乏合理有效的数学模型。(3)由于CCOS技术采用小磨头,加工后表面误差的结构与传统方法加工出的表面有所不同,中、高频误差相对较大,目前虽然提出了评价该类误差的新方法,但如何将其应用到CCOS加工中去是需要解决的问题。另外此类误差对系统成像质量的影响还需进一步地研究。等离子体辅助抛光(Plasma-assistedchemicalething，PACE)。等离子体辅助抛光又称化学蒸发加工(chemicalvaporizationmachining，CVM)，是在真空环境下进行。将化学气体(通常为卤素类气体，如CF、Cl2等)激发成活性等离子体，与加工面产生化学反应，生成挥发性物质从而达到材料去除的目的。这种加工方法实用化的一种就是等离子腐蚀。PACE加工具有抛光效率高，工作不受机械压力，没有机械变形，加工表面无亚表面损伤、无污染，加工球面和非球面难易相当等优点。目前Perkin-Elmer公司用该技术已在φ0.5m～1.0m的非球面上加工出面形精度小于1/50λ，表面粗糙度小于0.5nm的表利用预先制造的模具，将已经软化的低熔点玻璃压制成所需的面形。视频2：近代光学制造§5现代光学制造“一大一小”引领先进光学制造技术主要发展方向非球面，衍射光学元件，超高精度薄膜技术的WDM波分复用器件，新一代光刻设备超高精度光学元件，ICF惯性约束聚变光学元件，共形光学元件（ConformableOpticalElement），大型和超大型轻质非球面反射镜等等先进光学制造技术，跨入新世纪取得有代表性的地位和发展。光子元件被国际上列为现代光学元件大规模生产范畴，例如光纤、光纤器件和光波导，半导体光电子元件，激光器和波导集成组件等。产品1：巨型天文望远镜产品2：宏观尺寸零件的微纳形貌产品介绍图320世纪末到跨入新世纪，有代表性的世界大型天文望远镜可列举如下：（1）欧洲南方天文台的ESOVLT4×8.4m超大型望远镜,由四架分立的口径8.4m望远镜集成，采用主镜整体零膨胀玻璃柔性薄镜和能动支承技术，2000年建成在智利的Cerroparala；（2）美国的大型“双筒”望远镜LBT2×8.4m，两台口径8.4m望远镜建在同一基座上，主镜整体离心熔铸硼酸盐玻璃轻质镜，由Arizona大学大镜实验室用应力盘技术抛光；（3）美国的KeckⅠ,KeckⅡ口径10m望远镜,采用了Nelson发明的应力加工技术,10m口径由36个六角形子镜拼接而成，这两架望远镜建在夏威夷的MaunaKea；（4）中国南京的大空域多目标光纤光谱望远镜（LAMOST）计划也得到国际天文界广泛关注，建成后将成为世界上最大的反射式斯密特望远镜。一“大”(大尺寸,大规模,大工程,大系统)有代表性的是美国著名的2.4m哈勃空间望远镜(HST)和下一代4m空间望远镜(NGST)。哈勃空间望远镜所取得的研究成果是无可比拟的，它揭示了空间望远镜所有的潜能，改变了整个一代天文学家的观念。大型天文望远镜的建设从一定程度上反映了国家的综合国力，最近10年间突飞猛进的发展更表达了在世界范围的激烈竞争，这种竞争绝不限于天文领域,其在国际政治、经济和高技术领域的战略意义是不言而喻的。大型天文望远镜非球面主镜的发展趋势是：整体主镜的大型化；轻量化；薄型化；柔性化；深型短筒长化和子口径拼接化。大型天文望远镜非球面主镜镜坯制造技术按采用材料的不同和设计方法的不同，在国际上有四种方法或称流派：美国的硼酸盐玻璃轻质镜熔铸成型；美国的超低膨胀熔石英玻璃焊接成型：德国零膨胀玻璃薄型镜直接熔铸与微晶化薄镜成型；德国零膨胀玻璃镜坯机械加工减重成型。大型望远镜非球面主镜的加工技术主要有：计算机数控小工具抛光（CCOS）技术;应力盘（StressedLap）抛光技术;柔性盘（FlexibleLap）抛光技术;机器人（Robert）抛光技术；应力抛光（Stress）技术；离子束（IonBeam）抛光技术；经典与半经典抛光技术等等。一“小”(小尺寸,超微细,超高精度)1光刻（Photolithography）光刻技术构成了微电子超大规模集成电路芯片的制造基础，当然也是计算机产业和信息技术的基础。光刻线宽在1997年达0.25μm,1999年为0.18μm,在2001年进入0.15μm,预期在2003年引入0.13μm生产线,2008年达到0.1μm节点，而0.07μm预期在2009年实现。光刻技术所能达到的线宽虽然逐渐逼近专家认定的极限，但一次次不断的突破，使人们有理由乐观地相信即使在0.1μm以下线宽光刻技术仍然会保持其主流技术的地位。一代设备、一代线宽、一代器件，一代计算机,反映了信息技术对半导体工艺设备和光刻技术的依赖。线宽越窄，要求所用光源波长越短，采用的光波长序列为365nm-248nm-193nm-157nm；而光刻物镜的数值孔径也被期望越大越好，由此而来的光刻物镜的材料、设计与制造技术难度越大。现在人们已在寻求下一代光刻技术（NextGenerationLithography-NGL）,波长在11-14nm的EUV深紫外光刻和波长更短的X射线光刻是重要的发展方向，可能使线宽达到30nm，因此可以预期，进入0.1μm以下，光刻技术依然具有良好发展空间。2微光学-衍射光学元件微光学元件被定义为直径1mm以下的光学元件,或表面浮雕结构深度为微米量级的光学元件。连续浮雕折射微光学元件或称二元微光学元件设计制造日趋成熟，适用于聚焦、成像、分波、整形、互连变换等多种用途，现已进入实用阶段，例如微透镜阵列用于波前传感、红外成像光电探测光聚能器等。微光学已成为微机电（MEM-1mm以下的微机械）和微光电机械系统(MOEMS-MicroOpticalElectroMachineSystems)的重要组成部分。微光学除作为系统的组成部分在纳米卫星（Nanosatellite）,微机器人（Microrobot），微飞行器（MicroAirVehile），微型武器(MicroWeapon)等一系列最新微光机电产品中具有重要作用之外，还由于微机械中的微型机电元部件的制造手段主要是源于半导体大规模集成电路的光刻技术和微光学制造技术。视频3：现代光学制造§6光学检测ke1kellA）劈尖的等厚干涉条纹是等间距的结论：B）劈尖的棱角越小，条纹间距越宽C）,l光波波长越长，条纹间距越大劈尖干涉的应用：22sinln被检体被检体被检体被检体检查平面与直角：被检体被检体标准角规标准角规检查平面与直角：22sinlndlsindtgLLdLtg用测微显微镜测出L、l，即可得到d纸n2=12LlsinL测量微小厚度和微小厚度变化薄膜厚度增加时，条纹下移，厚度减小时条纹上移。薄膜的增加时，条纹下移，减小时条纹上移。显然，从视场中移动了m个条纹，薄膜厚度改变了：2em测量微小厚度和微小厚度变化牛顿环A--曲率半径很大的凸透镜1)装置：B--平面光学玻璃AB干涉图样：半反射镜显微镜r随着r的增加而变密！krRORO’2)定量分析ke垂直入射时的干涉条件22=(21)22kenk22=2kenk2=2kek明纹…(1)2=(21)/22kek暗纹…(2)krn=1中，n2=1被检体被检体被检体被检体标准透镜附录激光初步视频4：百年科技—激光•什么是激光？•LASER：–LightAmplificationb