1、光學光學加工加工v第4章 光學零件的膠合光學加工 Optical Fabrication 課程公共郵箱：講授：郎賢禮單位：儀器科學與光電工程學院(HFUT)LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20092v本節(jié)內容概概 述述1樹脂膠合法樹脂膠合法2光膠法光膠法3透鏡膠合定心原理與方法透鏡膠合定心原理與方法4 2課時LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20093v第4章 光學零件的膠合概述 為了使光學系統(tǒng)有很好的像質，物鏡、目鏡及其它系統(tǒng)均由兩塊或兩塊以上的透鏡組成，棱鏡和分劃零件為了制造方便和起保護作用也采用組合方式。組合的方式包括常用的膠層膠合和分離式鏡座(下圖

2、)組合，特殊情況下還用光膠膠合。 組合的方式應保證光學 性能提高，有足夠的強 度，對有機溶劑有足夠 的安定性，不增加光的 損失，不產生表面變形， 并且易于拆開LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20094v4.1概述一. 膠層膠合與分離式鏡座組合 膠層膠合方法與分離式鏡座組合方法比較有如下特點： (1)膠層膠合法比分離式鏡座的組合法雖然少了一個光學設計中的結構參數(shù)，但仍能滿足復雜光學系統(tǒng)的成象質要求。 (2)減少表面的光能損失，分離式組合的空氣與玻璃界面的反射損失達56，而膠層界面的反射損失只有0.1%。 (3)可以適當降低膠合面的表面精度，膠層起到補償作用，可以簡化復雜陵鏡的

3、制造過程，先加工簡單棱鏡然后膠合成復雜棱鏡。降低制造成本。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20095v3.1概述一. 膠層膠合與分離式鏡座組合 (4)膠合透鏡組或膠合棱鏡組在裝配與校正時易于對準中心 (5)膠合法還用于照相分劃、鍍膜表面與保護玻璃的組合。 因此，光學系統(tǒng)中廣泛采剛膠合法，特別適用于直徑為80120mm以下的透鏡組合膠合透鏡的質量主要決定于膠合材料的特性及膠合定中心的方法。 通過與分離式鏡座組合的比較可以看出膠合的目的。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20096v3.1概述二.膠合的目的 1改善像質 如果把冕牌玻璃的凸透鏡和火石玻璃的凹透鏡

4、膠合在一起，就組成消色差的雙膠合透鏡。 2減少反射光能損失 膠合是減小透鏡組光能損失 的有效方法之一。 3簡化復雜零件的加工 4保護刻劃面 為了保護刻度表面、 偏振片或晶體零件， 經常在零件上膠合一保護 玻璃。 如用如用K9和和F2玻璃制成的玻璃制成的雙分離透鏡組，反射面雙分離透鏡組，反射面光能損失分別為光能損失分別為4和和56，即使在表面鍍上，即使在表面鍍上氟化鎂增透膜，仍有氟化鎂增透膜，仍有15和和06的反射的反射光能損失。如果將雙分光能損失。如果將雙分離透鏡用加拿大膠膠合離透鏡用加拿大膠膠合成雙膠合透鏡，則膠合成雙膠合透鏡，則膠合面的反射光能損失可減面的反射光能損失可減少到少到01。LO

5、GO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20097v3.1概述 三.對膠合工藝的主要技術要求 (1)保證膠合透鏡的中心誤差。 (2)保證膠合棱鏡的平行差和等厚差。 (3)排除膠合層的氣泡。 (4)膠層要牢固。 (5)保證膠合件的面形精度。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20098v4.2 樹脂膠合法 一.對光學膠粘劑的要求 光學膠粘劑，又稱光學用膠。它是一種與光學玻璃光學性能相近，并具有良好的粘結性的高分子物質(天然的或人工合成的)。在光學儀器中，對光學膠粘劑的要求如下： (1)無色透明，在指定的光譜范圍內，透過率90以上，并且固化后的折射率與被粘結零件的折射率相近

6、。 (2)在膠合時浸潤性好，固化后收縮率小，零件不易變形。 (3)在膠合件使用溫度范圍內，耐沖擊強度和耐冷熱性能好。 (4)化學穩(wěn)定性好，長期使用不變質。 (5)膠合工藝簡單，對操作者無毒無害。 (6)拆膠容易，便于返修。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院20099v4.2 樹脂膠合法 二.粘結劑的種類及性能 光學膠粘技術在光學儀器上的應用，已經有200多年的歷史。1785年開始采用一種天然針葉狀杉樹的分泌物制成最早的光學用膠，這就是著名的加拿大膠。合成樹脂的光學用膠相繼問世。前蘇聯(lián)于1938年研制成功甲醇膠；美國在20世紀40年代研制了光學環(huán)氧膠；我國于20世紀70年代末期

7、研制了光學光敏膠。 目前，我國光學生產中，應用的膠粘劑主要分為四大類，下面分別予以介紹。 (一)天然冷杉樹脂膠 冷杉樹脂膠俗稱熱膠。它是由松柏科冷杉樹植物分泌的樹汁，經提純精煉而成。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200910v二.粘結劑的種類及性能 二.粘結劑的種類及性能 冷杉樹脂膠中，使用歷史悠久，且性能較好的是天然的加拿大膠。優(yōu)點優(yōu)點：1.冷杉樹脂膠具有良好的透光性和一定的粘結力； 2.折射率(n1.521.54)與K9玻璃相近，能長時間保持透明 3.凝固時體積收縮率較小，僅56，故膠合應力小； 4.使用簡便，拆膠清洗容易，無毒無害。 因此，是使用最廣泛的古老膠種，一

8、般用于膠合透鏡、棱鏡、濾光片、度盤、分劃板等室內使用的儀器。缺點：缺點：1.冷杉樹脂膠機械強度低。 2.它耐熱、耐寒性能差(40+40)； 3.在近紫外區(qū)光譜有明顯吸收，不能用于紫外光學零件的膠合。 冷杉樹脂膠有固態(tài)純冷杉樹脂膠、改性冷杉樹脂膠和液態(tài)冷杉樹脂膠三種。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200911v二.粘結劑的種類及性能 (二)甲醇膠 甲醇膠，俗稱冷膠甲醇膠，俗稱冷膠，又名鳳仙膠或卡丙諾膠。它是人工合成的有機化合物，單體學名是二甲基乙烯代乙炔基甲醇。甲醇膠幾乎可以粘結各種材料。 甲醇膠原是前蘇聯(lián)于1938年研制成功的。我國在20世紀50年代引進使用，后來又做了一

9、些改進。它主要用于軍用光學儀器中的透鏡、棱鏡和平面零件的膠合。 甲醇膠具有良好的透明度，其膠合強度、耐高低溫性能都優(yōu)于冷杉樹脂膠。其缺點也較明顯，固化后收縮率高達12，易引起零件變形，膠層抗老化性能差，配制工藝復雜，保存期短，拆膠困難。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200912v二.粘結劑的種類及性能 (三)光學環(huán)氧膠 用于光學零件膠合的環(huán)氧樹脂膠粘劑，多數(shù)是粘度較小的低分子量的液態(tài)透明樹脂。使用最多的是以雙酚A型環(huán)氧樹脂為主體，加入一定的稀釋劑、增塑劑、增韌劑和填料等，先配成復合環(huán)氧樹脂，使用時加入適量固化劑即可。 光學環(huán)氧膠色澤淺，粘度低，透明度好，折射率近似于玻璃。

10、特別是在膠結強度、收縮率(一般2)、耐高低溫、耐水和化學穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于冷杉樹脂膠和甲醇膠，而且使用方便，室溫即可固化。其主要缺點是拆膠困難拆膠困難，使用的固化劑對人體有一定影響。 由于環(huán)氧膠的缺點所致，目前環(huán)氧膠使用尚不普遍，僅適用在寒熱潮濕等惡劣條件使用或特殊要求的光學零件的膠合，也可用作光學裝配用膠。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200913v二.粘結劑的種類及性能 (四)光學光敏膠 光學光敏膠，又稱紫外膠。在國外是20世紀70年代發(fā)展起來的一種光固化光學膠粘劑。我國是20世紀80年代初試制成功的。光敏膠主要是由光敏樹脂(又稱感光樹脂)，加入交聯(lián)劑、光敏劑、阻聚劑

11、等成分，在紫外光照射下進行交聯(lián)固化而成的(單組分光敏膠)，或者初固化后，再經中溫固化而成(雙組分光敏膠)。 常用的光敏樹脂有雙酚A型環(huán)氧樹脂和六氫鄰苯二甲酸環(huán)氧樹脂的丙烯酸酯類。優(yōu)點：優(yōu)點：具有粘結性能好、機械強度高、耐高低溫性能好、收縮率小(26)、化學穩(wěn)定性好、固化快等特點，是一種優(yōu)質光學用膠。用于透鏡、棱鏡或其他透明光學零件的膠合LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200914v三.膠合工藝 三.膠合工藝 目前，國內使用的幾種主要光學膠粘劑的膠合工藝大致如下： (一)天然冷杉樹脂膠(熱膠)的膠合工藝LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200915v三.膠合

12、工藝 (二)甲醇膠(冷膠)的膠合工藝 膠合前的準備與冷杉膠相同。工房溫度要求(223)C，相對濕度為70以內。 冷膠和熱膠的主要區(qū)別是，膠合前零件不加熱或只加熱到40C左右。零件滴膠排氣后再放到30”水平電熱板上加熱到50-70 C，并保持1015min，進行初步聚合，然后在定心儀上校正中心。 將定心好的零件放在水平臺上進行完全聚合。對直徑50mm的零件，靜止時時間不少于48h。 對于中心偏差低于005mm，并且直徑lOmm、曲率半徑小的零件，可采用常溫聚合和自動校正中心的方法。 一般膠層厚度為0.070-0.015mm。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200916v三.膠

13、合工藝 (三)光學環(huán)氧膠的膠合工藝 環(huán)氧膠使用時，只能臨時配制，不能久放。零件膠合后放在30”水平臺上自動定心或用心心儀定中心。膠層聚合分兩個階段：第一階段為常溫聚合，一般為12h；第二階段，常溫聚合后再放入60-70C恒溫箱中，保溫14h以上，待至常溫后取出，再刮去邊緣多余的殘膠。 (四)光敏膠的膠合工藝 膠合前的準備工作與冷杉膠膠合相同。滴膠排氣和膠層厚度與甲醇膠相同。膠合好的透鏡置于平臺上，用白熾燈烘烤052h，使之具有適當粘度，然后定中心，接著用高壓汞燈(或紫外燈)進行初固化。初固化的零件再放入烘箱內，在60rC下恒溫6h，待冷卻至室溫取出送檢。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與

14、光電工程學院200917v四.膠合件的脫膠及產生原因四.膠合件的脫膠及產生原因 膠合工藝本身并不復雜，但膠合不好會嚴重影響良品率。脫膠是造成廢品的主要原因。常見脫膠現(xiàn)象： (一)橡樹葉狀或柏樹葉狀脫膠 (二)光帶狀脫膠 (三)點狀或氣泡狀脫膠 (四)倒邊處脫膠LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200918v四.膠合件的脫膠及產生原因四.膠合件的脫膠及產生原因 上述各種脫膠現(xiàn)象除與膠粘劑性質有關外，還與膠合工藝、裝配工藝有關。產生原因大致如下： (1)膠合零件未擦凈，在膠層中有灰塵或臟物殘留。 (2)排氣時空氣未排盡，膠層內有氣泡。 (3)膠層粘度和厚度控制不當，容易使膠層變形

15、，收縮大。 (4)定中心不熟練，反復推移膠合件，使膠的粘結力降低。 (5)初聚合溫度過高，與定心承座溫差太大，造成聚合脫膠。 (6)膠合后加熱固化溫度過高(超過75)，時間過長。 (7)有機溶劑浸入膠層。 (8)膠合件長期存放在潮濕空氣中，也可造成慢性脫膠。 (9)膠過期失效等。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200919v五.膠合件的拆膠五.膠合件的拆膠 光學零件膠合后，如果不符合技術要求，則需要進行拆膠。常用的拆膠方法分為加熱法、冷凍法、常溫法和錘擊法。 (一)加熱法 加熱法又分為直熱法和間熱法兩種。 1直熱法 直熱法就是將零件置于電熱板上或烘箱中，加熱至所需溫度即可拆

16、膠。各種膠粘劑采用直熱法的加熱規(guī)范見表。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200920v五.膠合件的拆膠 2間接加熱法 (二)冷凍法LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200921v五.膠合件的拆膠 (三)常溫法 常溫法是用溶劑浸泡拆膠件使之脫膠。 幾種膠粘劑常溫浸泡溶劑配方見表84。 (四)錘擊拆膠 此法是借助沖擊力使膠合件脫開。因此，工藝設備簡單，殘膠易清洗，能保持零件的粗糙度，但若操作者不熟練容易損壞零件。故一般只適用于膠接面積不大的、且便于錘擊的零件。 綜上所述，四種拆膠方法使用最多的是加熱法和常溫浸泡法。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工

17、程學院200922v4.3 光膠法一.光膠原理 (一)分子引力理論 光膠法亦稱光膠接觸法。它是依靠分子間的吸引力，使兩個光學零件的拋光表面緊密貼合在一起。 分子間的作用力可用下式表示： 式中：F分子間作用力； 系數(shù)，均為正數(shù)； r分子間的距離； s，t隨物質而異的常數(shù)，通常s=915，t=47。 式中右邊第一項表示斥力，第二項表示引力。r=r0為時平衡狀態(tài)， rr0,st，F(xiàn)隨r的增加而急劇減小。stFrrLOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200923v4.3 光膠法一.光膠原理 (一)分子引力理論 在一般情況下，當r=10-10m時，表現(xiàn)出引力，也就是兩光膠表面之間的距離在

18、O.0010O0001um范圍內，才能顯示出分子引力作用。這就要求光膠表面的誤差為 顯然，加工出這樣高精度的拋光表面是很難的，即使加工出來，也難于檢驗。即使周圍介質溫度的微小變化而使零件變形的量，要比這個誤差的數(shù)量級大10倍。 據(jù)國外文獻報道，拋光表面可加工到200的精度，目前我國可加工到30。 盡管加工精度達不到光膠表面的面形要求，但光膠卻是可行的。0.0011()/20.25250hN光圈LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200924v一.光膠原理一.光膠原理 (二)光膠原理 從上述理論分析可知，光膠表面的面形精度要求非常高，但實際上，只要光膠面的相對面形誤差N12光圈時

19、，即可進行光膠。其原因是，分子引力并不是在整個光膠表面上起作用，它只是一個統(tǒng)計的物理現(xiàn)象，即分子引力是在兩表面微觀的波峰與波峰，或波谷與波谷之間起作用，也就是犬牙交錯式的結合。由于波峰與波谷都是小而密集的，因此產生分子引力的統(tǒng)計面積相當大，足以使兩個表面光膠起來。 另外，零件受外力作用或受外界條件變化的影響時，總要發(fā)生微小變形，這也有利于光膠。光膠時，膠合件是低光圈配對，通常外緣先加壓，則該部位先膠上，在膠與未膠的界面附近由于分子引力作用，未膠合部位易達到分子引力范圍，則膠合面逐漸增大，直到全部膠上。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200925v二.各種因素對光膠的影響二.

20、各種因素對光膠的影響 光膠雖然是可行的，但也并不是輕而易舉的。影響光膠的因素很多，下面主要分析溫度變化和零件表面清潔度對光膠的影響。 (一)溫度影響 玻璃是不良導體，當周圍介質溫度變化時，玻璃內 部各處溫度不均，熱膨脹將引起零件變形，影響光膠的 進行。 l零件內部形成溫度梯度 的變形 當零件兩表面存在溫 度梯度位時，將引起面形誤差 LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200926v二.各種因素對光膠的影響 光面的溫度高于背面，即圖83中，零件左側溫度較右側高，產生面形誤差： 式中：D零件口徑； d零件厚度； 線膨脹系數(shù)。 X的存在，使拋光零件在下盤前后的光圈不一致。膠合前必須檢

21、查光圈，并且要求光膠在恒溫條件下進行，以免零件受熱不均，造成光膠困難。 另外，在膠合觀察光圈時，零件外圓和非膠合面與手接觸機會多，其溫度比膠合面高，從而使零件產生x，的面形誤差。 顯然X與X1的變化趨勢是相似的，只是變形量不同。在膠合時， X1是不可避免的，但要盡量減小它。2DX8dt LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200927v二.各種因素對光膠的影響 2周圍介質溫度變化時產生的變形 當周圍介質溫度高于兩光膠件溫度時，則產生低光圈的變化趨勢，光膠件中間易開膠，如圖84(a)所示。 當周圍介質溫度低于兩光膠件溫度時，則產生高光圈的變化趨勢，如圖84(b)所示。這種情況易造

22、成邊緣開膠。這就是為什么光膠件耐急冷比耐急熱性能差的原因。耐急冷性能差，雖然是光膠件的缺點， 但可以利用這一特性，排除氣泡 或打開不合格的零件，并且不使 表面有所損壞。 由上述分析可知，光膠件應光膠件應盡量避免高光圈和塌邊。盡量避免高光圈和塌邊。( (二二) )表面清潔度對光膠的影響表面清潔度對光膠的影響LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200928v三.光膠工藝三.光膠工藝 采用光膠法結合零件，一般工藝過程和注意事項如下： (一)光圈配對和選擇厚度 對于光膠面直徑60mm的大透鏡，光圈要求： (1)用樣板檢驗光圈時，N1，N02。 (2)正負透鏡互檢光圈時， N0.5， N

23、O.1，并且要求膠合面為低光圈。 (3)表面疵病一般不低于級。 (4)選配成對的光膠件，厚度應滿足公式要求。 (二)恒溫放置 光膠件應在201下恒溫放置2-3h，以使內部溫度均勻。 零件光膠前不應存放過久，一般不超過兩天，特別是對化學穩(wěn)定性差的零件，加工完畢，應立即進行光膠。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200929v三.光膠工藝三.光膠工藝 (三)擦拭 清擦光膠面時，先擦凹透鏡，擦凈后用玻璃罩罩上，再擦凸透鏡，用毛刷撣去膠合面灰塵，將正負透鏡對合在一起。當兩光膠面剛接觸時，若表面較光滑，而且干涉條紋均勻地移動，并逐漸變粗，此時說明光膠面吻合較好。 (四)定中心 光膠面吻

24、合后，移入專用承座內，在定心儀上校正中心。校好后，在透鏡某一邊緣上輕輕加壓，以形成一個空氣楔，使空氣向外擠壓(不要使正負透鏡發(fā)生相對位移)逐漸擴大膠合面，直至全部膠上，光膠后再檢查中心。 對于中心偏差要求較低的零件，可用平臺自動校正中心。因此要求磨邊時，直徑尺寸應盡量一致。 有些精度要求較高的棱鏡、平面鏡等，其光膠過程與透鏡光膠大體相同，但光膠時應注意保證角度及平行度要求。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200930v四、對光膠法的評價四、對光膠法的評價 (一)光膠法的優(yōu)點 由于光膠是靠兩零件表面間的分子引力使得零件結合的，因此，光膠法的優(yōu)點很多。 1 1機械強度高機械強度

25、高 光膠法的機械強度是樹脂膠合法無法比擬的。 2 2光學性能好光學性能好 由于光膠件無膠層，不僅保證了零件的光學性能，而且也避免了膠層對光波的吸收，減少。 3 3耐溫性強耐溫性強 對于光膠件，在t=(50土10)的條件下，恒溫2.5h，光膠層無變化。 4 4性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定 用樹脂膠膠合的零件，長時間使用后，膠層會變質，影響儀器性能，但光膠件一般可使用幾十年。 5 5光膠變形小光膠變形小LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院200931v四、對光膠法的評價四、對光膠法的評價 (二)光膠法的缺點 (1)光膠面的面形精度要求高，增加了加工成本。 (2)對環(huán)境的溫度、濕度和清潔度要求高。 (3)光膠面接觸光滑，定中心較困難。 (4)光膠件耐急冷性能差。 (三)光膠法的適用范圍 (1)大口徑零件膠合。 (2)高溫條件下工作的儀器。 (3)零件較多的光學系統(tǒng)。 (4)短波波段工作的儀器。LOGO儀器科學與光電工程學院儀器科學與光電工程學院2