QY球友会 光学镜片的加工工艺、过程、质量检验

QY球友会 光学镜片的加工工艺、过程、质量检验及对红外产品的影响。

红外材料

红外波段 可选用的材料非常少，一般常用的有Si、Ge、ZnSe、ZnS和MgF2，其中热压ZnS和MgF2一般只作整流罩用。一般可见光玻璃的努氏硬度在300~700之间，700已经是比较硬的玻璃，硬度越大，研磨和抛光透镜所需要的时间就越长，而在红外常用的玻璃中，Ge的努氏硬度为780，而Si的努氏硬度更是达到了1150，相对于可见光而言，其努氏硬度大了很多，所以其加工和抛光的时间比可见光的玻璃要长的多；且Ge和Si虽硬，但是却脆，在加工的过程中，很容易崩边和破损，导致报废，所以加工的时候要非常的小心；此外红外玻璃密度较大，而每克的价格也很高，材料成本很贵，加工风险很大；所有这些都导致红外镜片的加工成本相对可见光而言，要贵的多。

球面透镜的加工工艺和过程

一百多年来，球面透镜的加工工艺在实质上一直没有改变。传统的透镜加工方法是利用低成本的机器，属于劳动密集型，需要相当熟练的技术工人。随着计算机数字化控制机床的发明，更快而劳动量更少的加工方法已经成为可行的选择，从原型样机到大批量生产中的透镜加工都可采用自动化的研磨和抛光技术。尽管这些新技术效率更高且生产更可靠，但需要大量的初期资本投入。另外，在某些情况下，传统方法使用起来更加简单且成本更低。国内目前透镜加工基本上还是采用传统方式。

球面透镜的传统加工过程:

1.成形。将平面-平面的玻璃圆盘或相近的铸形透镜毛坯安装在绕玻璃圆盘的机械中心旋转的卡盘内，内嵌金刚石的环形工具去除毛坯材料并研磨毛坯的上表面，该过程在透镜毛坯上形成球形并对表面进行粗磨。粗磨后表面具有非常多的亚表面微裂痕，但是已形成透镜形状的毛坯。

2. 精磨与抛光

精磨使用散粒磨料微粒和水混合，对镜盘进行研磨；在精磨的过程中，应达到两个目标：（1）使球面最大限度地接近设计半径；（2）消除亚表面损伤。此外必须考虑玻璃在亚表面损伤减到最小时控制中心厚度，并留有一定的余量以便为抛光用。精磨后可以用抛光盘将透镜抛光到特定的曲率半径、球面不规则度和外观光洁度，在抛光的过程中，透镜的半径反复的用样板来控制。球面不规则度是球面波前的最大允许扰动量，它和半径可以用样板直接接触测量和干涉仪测量，用样板测量时，对测试人员的经验要求很高，具有一定估算值，而用干涉仪检测，结果更加科学和客观。透镜的表面疵病要求规定表面上最大允许的表面缺陷，如划痕、麻点和缺口。

3.定中心（控制偏心或等厚差）

透镜两面抛光后，就在专用车床上精密研磨透镜的边缘（对透镜定中心），该过程要完成两项任务：（1）将透镜研磨到它的最终直径；（2） 使透镜的光轴和机械轴彼此重合。此外，还在透镜上研磨平面或特殊的固定倒角。

此时，透镜的初步加工已经完成，需按图纸对透镜的各项公差进行检验， 检验的公差主要有：偏心（或等厚差）、通光孔径、厚度公差、矢高公差、半径公差、光圈公差和表面不规则度。半径公差除样板检测外还需用球径仪进行抽测，以确保样板检测的准确性，对于表面不规则度，应使用干涉仪对产品进行抽测，以便确认样板检测的准确性。

非球面的加工

目前锗透镜非球面的加工一般使用金刚石车床直接车削而成，加工前，需将非球面系数输入到金刚石车床里，将加工透镜放在专门夹具上，对刀然后加工。而硅，由于硬度太高，一般不用金刚石车床车削，而用专门的机床采用传统工艺加工。硅透镜非球面用金刚石车床和传统工艺加工的优缺点：使用前者加工时，误差较小，容易得到较好的Rt值（一般可以控制在0.4μm以内），但是由于硅很硬，用金刚石车床车削时，会在加工表面留下深深刀痕，会严重影响透镜表面的光洁度，进而会影响镜片的透过率，而金刚石车刀在如此坚硬的表面车削，很容易报废，而金刚石车刀本身很贵，使得镜片的加工成本很高。而产用传统工艺，其车床的加工精度本身Rt值只有0.5μm，那么最终产品的Rt值很有可能在0.5μm以上，目前很多产品的加工在0.8μm左右，会影响系统的成像质量。但是加工费用相对来说，更加经济一点，而表面的光洁度，也更好。

4.镀膜

镜片加工完成后，在专门的仪器中清洗并检查表面光洁度，确认无误后，固定在夹具中，放到镀膜机中镀膜。镀膜完成后，需对膜层进行检验，检验标准有：

1.按图纸要求的波段进行镀膜，对陪镀片测试透过率。

2.在60-100W的磨砂白炽灯照射光学零件膜层表面，眼睛到膜件的观察距离不超过450mm，在黑色背景下借助反射光进行目视检测，膜层不允许出现蚀点、污点、起泡、裂纹、褪色、脱膜等缺陷。

3.用2cm左右宽剥离强度不小于2.74N/cm胶带纸牢牢粘在膜层表面，垂直迅速拉起，连续30次，膜层应符合第2条要求。

4.高低温试验：镀膜件在－60±2℃和70±2℃的温度中各保持2小时（温度的变化速率不超过2℃/min），再放置到室温（16 ℃～32℃）后，膜层应符合第2条的规定。

5.镀膜件（陪镀片）在温度为50±2℃、相对湿度为95±2%的条件下保持24小时，膜层应符合第2条要求。

6.具体要求参照GTB/2485-98 标准执行。

膜层检验合格后，透镜的整个检验过程也就完成了。

镜片的加工和检验对后面的光学装调影响很大，如镜片质量检验过程中，没有控制好偏心（或等厚差）、通光孔径、厚度公差、矢高公差、半径公差，会给装调带来很多不必要的工作，大大增加了装调的工作量。单件装调时，很有可能导致像质很差，无法接受。在批量生产时，可以使用透镜相互配对来改善效果，即使这样，也会使装调工作量成倍上升，而像质也可能达不到理想状态。而如果球面的表面不规则度和非球面加工出现问题，则不管怎么装调，都无法达到好的图像质量，最终导致系统报废。此外，膜层牢度性对我们的产品影响更大，如果光学零件在镀膜时没有清洗干净或镀膜工艺有问题，而没有检验出来，被装在镜头中，由于膜层牢固性不好，使用一段时间后脱膜，会造成图像模糊，NETD变大或其它问题，而且可能在整机的检验过中，发现不了，流到客户，特别是国外的客户手里，此时如果脱膜，那么对我们造成的损失可能是无法估量的。因此在镜片加工完成到货后，必须对镜片进行严格的检验。对于那些可以检验的尺寸，按要求进行检验；对于那些没法检验的项目，一定要确认对方的检验报告是否有，必要时可以去加工单位监督检验或抽查一些产品去专门的单位检验，以确认加工单位的检验报告是否真实、可靠。对于镀膜检验，根据和加工方签定的检验标准进行检验，必要时直接对镜片做高低温和高温高湿实验，确认镀膜的牢固度。总之，要尽量保证镜片在装调是合格、可靠的，避免返工带来损失，甚至产生严重的后果。