高精度光學零件毛坯的檢測技術

袁博，譚宇，安靜，宋嚴嚴，楊旸，孫強，謝國兵

（西安應用光學研究所，陜西西安，710065）

高精度光學零件毛坯的檢測技術

袁博，譚宇，安靜，宋嚴嚴，楊旸，孫強，謝國兵

（西安應用光學研究所，陜西西安，710065）

論述了高精度光學零件毛坯檢測的重要性；介紹了表述毛坯質量的重要指標；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。

光學零件；毛坯；均勻性

0 引言

光電儀器的使用環境日益嚴酷，為了保證在不同環境條件下光學系統的性能滿足預期，對光電儀器中光學系統所使用的光學玻璃的技術指標提出了明確而嚴格的要求，這些指標包括光學性能、化學穩定性、熱性能，以及加工的工藝性等。

為了保證光學零件、光學系統最終質量和性能，對高精度光學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現問題，就會造成工時的浪費，也無法最終獲得高精度零件。因此，對高精度光學零件用毛坯材料必須在加工前進行相關性能的檢測。一般光學毛坯材料分為無色光學玻璃、有色光學玻璃、光學晶體、光學石英玻璃、微晶玻璃、光學塑料、光學纖維、航空有機玻璃、乳白漫射玻璃等；在光電儀器上應用的最多的玻璃材料主要包括無色光學玻璃、有色光學玻璃、光學晶體、光學石英玻璃、微晶玻璃等，而其它光學材料，如光學塑料、光學纖維、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玻璃、有色光學玻璃、光學晶體、光學石英玻璃、微晶玻璃等毛坯材料的常用指標的檢測技術。

1 無色光學玻璃

1.1 無色光學玻璃的分類及質量指標

無色光學玻璃一般分為普通光學玻璃、耐輻射光學玻璃，其質量指標主要包括：

1） 折射率、色散系數與比標準數值的允許差值

2） 同一批玻璃中，折射率及色散系數的一致性

3） 光學均勻性

4） 應力雙折射：一般生產廠家都標有玻璃應力等級

5） 條紋度

6） 氣泡度

7） 光吸收系數

8） 耐輻射性能（N系列玻璃）

1.2 主要質量指標的含義

1.2.1 光學均勻性

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

玻璃的光學均勻性以分辨率的比值表示時，按表1分類。

表1 光學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 光學均勻性以折射率微差最大值表示時的分類

1.2.2 應力雙折射

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

（1)如果應力較大時，在光學冷加工過程中，容易引起玻璃炸裂；即使當應力不太大時，也容易使光學零件表面光圈變壞。

(2)在光學系統中可能會產生與雜散光類似的影響，造成光學鏡頭或光學系統像質變壞。

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

當玻璃的應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

條紋度是由于光學玻璃熔煉過程中各部分成分不同而引起的內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定方向觀測時，玻璃條紋度按表5分類。當根據規定觀察玻璃的方向數，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每100cm3玻璃內允許含有氣泡的總截面積（mm2)的大小，按表7分為7級（結石、結晶體及其它內含物亦作為氣泡計算。扁長氣泡取最長軸和最短軸的算術平均值為直徑計算面積）。

表7 玻璃氣泡度分級（根據截面積）

光學玻璃的氣泡度級別也可根據每100cm3玻璃內允許含有的氣泡數量按表8分為7級。

表8 玻璃氣泡度分級（根據氣泡數）

結石、結晶體及其它內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平均值。

2 有色光學玻璃

2.1 有色光學玻璃分類

有色光學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 主要質量指標

在質量指標方面，主要包括玻璃均勻性、雙折射、氣泡、條紋、結石、翻修正值、化學穩定性等指標。

3 主要指標檢查方法

3.1 光學玻璃的雙折射測量

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

無色光學玻璃應力測量一般采用應力儀和反射式偏光應力儀進行測量。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力的分布。

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

3.2 光學玻璃的光學均勻性測量

光學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車間的大口徑鏡面毛坯的檢測。

光學均勻性表示玻璃內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，測量值應分別不小于規定值。

3.4 彎曲強度

依據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

對高精度光學零件毛坯材料的檢測指標主要包括光學均勻性、應力大小及均勻性。均勻性和像質密切相關，應力和加工過程及像質密切相關。

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

彎曲強度：依據GB/T 6569-2006測試切片或同爐試片的彎曲強度，測量值應≥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，測量值應分別不小于規定值；

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；

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

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，測試片應具有5’-10’ (角分)的楔角，測量5次，△n/n的算術平均值應滿足要求。

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；3.平面板；4. 被測樣品；5. 標準反射鏡；6. 精密調整臺；7.成像傳感器；8.數據采集和處理系統；

Wi為入射波面波像差分布函數；

W1，為標準參考平面AB內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內反射波面和樣品后表面EF內反射波面干涉后的波像差；

W3為標準參考平面AB內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、平面板、標準反射鏡、攝像機以及計算機處理系統組成，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標準參考平面內反射波面與樣品后表面內反射波面干涉，檢測出波像差W2；

⑶標準參考平面內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；Z1：被測光學材料前表面的面形偏差分布函數；Z2：被測光學材料后表面的面形偏差分布函數；Z3：測試平面反射鏡的面形偏差分布函數；

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—經待檢樣品透射后表面Z2反射回的波前誤差，單位μm；

W3—經待檢樣品透射，再經測試平面鏡鏡面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系：

4.2.2 應力雙折射測試

采用應力儀測試，其5次算術平均值應滿足要求。

應力雙折射測量原理如圖3所示。

圖3 1/4波片法應力雙折射測量原理

被測材料放入兩偏振方向垂直的起偏器和檢偏器中，由于應力雙折射的存在，線偏振光變為橢圓偏振光。1/4波片產生π/2的相位補償，將橢圓偏振光再次變為線偏振光，然后旋轉檢偏器使檢偏器與此時線偏振光的偏振方向垂直。依據檢偏器旋轉角度θ獲得被測材料的應力雙折射值。應力雙折射按照公式（8）來計算。

5 結論

（1）高精度光學零件用毛坯材料，特別是大尺寸時，應進行毛坯材料性能檢測，以防對后續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，應針對不同情況研究確定取樣方法。

（3）當光學毛坯用于高性能儀器上時，對其性能的復驗更應引起足夠重視。

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

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

[3]郭培基,余景池,丁澤釗等.高精度光學玻璃光學均勻性測量儀研制[J].激光雜志,2004,25(3) :36-37.

[4]李士賢,鄭樂年，《光學設計手冊》，北京：北京理工大學出版社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