光學(xué)知識：傳統(tǒng)光學(xué)制作與檢測1/2/3系列介紹

光學(xué)知識：傳統(tǒng)光學(xué)制作與檢測1/2/3系列介紹

成都中宇光電科技發(fā)展有限公司(http://zhongyuguangdian.com/)非球面透鏡生產(chǎn)工廠

傳統(tǒng)光學(xué)制作與檢測 (一)

傳統(tǒng)的光學(xué)組件加工與檢測技術(shù)經(jīng)過幾百年的發(fā)展，至今其技術(shù)仍被一些光學(xué)工廠所使用，當然科技的進步，一些需要手工的制程與人眼判讀的檢測技術(shù)已經(jīng)被機器來取代，但大多的概念還是延續(xù)傳統(tǒng)的技術(shù)。本中心光學(xué)工廠從事精密光學(xué)組件制作已經(jīng)有超過 30 年的歷史，累積了相當多的經(jīng)驗，近年來更投入大量的人力發(fā)展航天級大口徑非球面鏡片，在國內(nèi)可以稱得上是首屈一指的光學(xué)工廠。本文將以本中心光學(xué)工廠的技術(shù)能量來介紹傳統(tǒng)光學(xué)組件加工與檢測技術(shù)。

圖一、光學(xué)組件制作流程

傳統(tǒng)的光學(xué)組件加工流程可分為選材、切割、滾圓、成型 (curvature generation, CG)、粗細磨 (lapping)、拋光 (polishing)、定心∕修邊 (centering/edging) 及鍍膜 (coating) 共八道程序，如圖一所示。

傳統(tǒng)光學(xué)加工的第一步驟是選擇光學(xué)材料。選擇材料時，必須將厚度的耗損量、外徑、修邊量及材質(zhì)納入加工考慮，基本上，材料的耗損量應(yīng)越少越好。而光學(xué)設(shè)計人員在材料的選用時，也要選用強度高、穩(wěn)定性好與易拋光之材料，應(yīng)避免選用材料中有結(jié)石、結(jié)疤、脈紋及氣泡等不均質(zhì)的缺陷。光學(xué)玻璃的材料缺陷其原因分別如下：

1. 結(jié)石：光學(xué)玻璃在融制的過程中常因原料之未融物或原料中混入雜質(zhì)而產(chǎn)生材料內(nèi)部有結(jié)石的現(xiàn)象。
2. 結(jié)筋：因玻璃化的速度不同，使玻璃組成不同而產(chǎn)生結(jié)筋現(xiàn)象。
3. 脈紋：因熔融玻璃中原料為充分均勻混合，玻璃冷卻的過程中，在材料內(nèi)部產(chǎn)生脈紋。
4. 氣孔：因回火不當或化學(xué)作用而產(chǎn)生的氣孔。

上述的材料缺陷均會造成光學(xué)系統(tǒng)的性能下降，材料缺陷的標準在 ISO10110 的文件中有明確的規(guī)范。

圖二、玻璃圓整示意圖

光學(xué)玻璃材料通常都是整塊的胚體，所以材料選定后必須切取出適當?shù)拇笮。酥瞥谭Q為切割。首先以油性筆(亮面) 或鉛筆(霧面)在玻璃毛胚上畫出所需之形狀，邊長預(yù)留 5—10 mm (依照外形而有所不同) 的預(yù)留量，以作為加工過程中可能的裂邊及磨損預(yù)留。例如要制作一直徑 30 mm、厚度 12 mm 的雙凸透鏡，直徑部分 φ 30 mm + 2 mm (定心修邊量) + 3 mm (圓整耗損量) = 35 mm，厚度部分 t 12 mm + 0.3 mm (研磨拋光消耗量) + 1.5 mm (曲率成形消耗量) = 13.8 mm 切割出來的玻璃塊大約是 35 mm × 35 mm × 14 mm 最為合適。

切割后塊狀的玻璃利用鉆石砂輪研磨成圓形的外形稱為圓整或滾圓。其制程是將尺寸檢查無誤的塊狀胚料利用松香 (rosin) 黏貼成一串柱棒，柱棒的兩端各貼一個鉆有中心孔的金屬環(huán)，該金屬環(huán)為玻璃柱棒與圓整機間的機械接口，塊狀玻璃在黏貼的過程中應(yīng)利用一 90° 的 V 形槽墊枕來輔助，以避免每片塊材偏心太嚴重。將玻璃棒柱放在圓整機上輪磨至圓棒，圖二為玻璃圓整的示意圖，圓整的動作有點類似機械車床在車削圓棒的加工。

首先調(diào)整圓整機鉆石砂輪左右運動的的速度及行程，使其適合玻璃圓整加工，輪磨的過程中需加油水混合劑當作冷卻液，避免鉆石砂輪因過熱鈍化而失去切削能力，圓棒之直徑亦須預(yù)留定心裕量，表一為一般相機透鏡之直徑裕度。圓整完成后，將圓毛胚分開置入溶劑中清洗殘余的黏著劑，并將鏡胚倒角，避免成形時夾具夾持鏡片時造成裂邊。

表一、一般相機透鏡圓整之直徑裕度
成品直徑	定心前直徑裕度 (mm)	圓整前直徑裕度 (mm)
3 – 5	1.0	2.0
10 – 20	1.5	2.5
20 – 30	2.0	3.0
30 – 40	2.5	3.5

以目前的光學(xué)玻璃材料供貨商的制造技術(shù)，有部分的光學(xué)鏡片制造是不需要前面兩道制程，因為材料供貨商可以針對需求者的要求，制作出所需的外形。但是一些較特殊的組件，還是需要買塊材自行切割與圓整。

圖三、砂輪直徑與鏡片的幾何關(guān)系

在一面上創(chuàng)成出特定曲率半徑的球面鏡稱為透鏡成型。成型的方式有很多種，包括鉆石車削、鉆石研磨及杯狀鉆石砂輪研磨等方式，就玻璃透鏡而言，以杯狀鉆石砂輪研磨最廣為使用，其成型速度快且精度易于控制。本中心所用的透鏡成型機也采用此加工方式。

成型機因其主軸配置方式不同分為立式與臥式兩種。臥式成型機其機臺結(jié)構(gòu)較為簡單，相對而言其價格也較便宜，但因為其鏡片為水平架設(shè)，固定鏡片的剛性不足，所以不適合成型大口徑的鏡片。相對的立式成型機就較適合用來成型大口徑的鏡片，目前市場上立式成型機約占 75%。一般而言成型機有兩支主軸與一 B 軸，主軸為杯狀鉆石砂輪刀具主軸與工件旋轉(zhuǎn)主軸，B 軸主要控制刀具主軸旋轉(zhuǎn)角度以進行不同曲率半徑的鏡片成型。

成型時杯狀鉆石砂輪的選擇需配合欲成型的鏡片外形而定，其中砂輪直徑的選擇(如圖三所示)，砂輪的直徑必須能涵蓋鏡片有效曲面角度 (effective block angle, φ) 的一半以上，其計算的方式為砂輪的直徑必須大于 2 倍的鏡片曲率半徑加或減 (凸面為正，凹面為負) 杯狀砂輪的刀鼻半徑，再乘上有效曲面角度的正弦值。

砂輪的直徑必須能涵蓋鏡片有效曲面角度，但也不宜過大，直徑太大的砂輪在成型時刀具的傾斜角度過大，有可能會造成刀具與鏡片夾具干涉。另外，因刀具傾角過大而造成刀具直線進給時切削力不足，造成刀具震動，會影響成型后的鏡片表面精度。

因傳統(tǒng)光學(xué)加工與檢測內(nèi)容較多，將分三期刊載，下期介紹光學(xué)組件的成型與曲率半徑檢測技術(shù)。

 

 

傳統(tǒng)光學(xué)制作與檢測 (二)

傳統(tǒng)光學(xué)制作與檢測在上一期介紹鏡片成形時鉆石砂輪直徑的選擇，本期將繼續(xù)介紹傳統(tǒng)光學(xué)制作的成形 (curvature generation , CG) 制程、曲率半徑檢測與鏡片粗細磨 (lapping)。

鏡片成形時，刀具與鏡片的幾何關(guān)系可由圖一與圖二得知，砂輪刀鼻半徑、砂輪直徑、砂輪傾斜角度與欲加工鏡片的曲率半徑分別有下列關(guān)系：凸面成形時 sin(α) = d/2(R+r)；凹面成形時 sin(α) = d/2(R?r)。其中 α 為刀具主軸傾斜角度 (°)、R 為鏡片曲率半徑 (mm)、r 為杯狀砂輪的刀鼻半徑 (radius of cutting edge) (mm) 及 d 為杯狀砂輪的平均直徑 (mm)。

圖一、凸面成形刀具與鏡片間的幾何關(guān)系

圖二、凹面成形刀具與鏡片間的幾何關(guān)系

鏡片成形后必須檢測鏡片的中心厚度及曲率半徑。中心厚度一般使用厚度規(guī) (thickness gauge) 來量測，如圖三所示，量測前量表 (dial gauge) 必須歸零。厚度規(guī)的測頭分為兩種，一種為平頭，用來量測凸面的厚度，另一種為圓頭，用來量測凹面，也可用于凸面量測，但對準鏡片中心較困難。

圖三、鏡片中心厚度檢測

圖四、球徑計檢測鏡片曲率半徑

曲率半徑的檢測則使用球徑計 (spherometer) 來檢驗，如圖四所示。球徑計由一個球徑環(huán) (ring) 再加上量表所組成，量測凸面時使用球徑環(huán)的內(nèi)徑，量測凹面時則使用球徑環(huán)的外徑。球徑計量測凸面及凹面的原理分別如圖五與圖六所示，球徑計使用前必須使用一塊標準平板來做量表的歸零，然后準確的量測球面鏡片的弧矢高度 (sagittal height)，曲率半徑的計算方式依鏡面凹或凸而有不同，分別為 R_凸 = (r_i²+s₁²)/2s₁ 與 R_凹 = (r_o²+s₂²)/2s₂，其中 r_i 為球徑計內(nèi)徑的半徑 (mm)、r_o 為球徑計外徑的半徑 (mm)、s₁ 與 s₂ 分別為凸面與凹面鏡片弧矢高度量測值 (mm)。

圖五、球徑計凸面量測原理

圖六、球徑計凹面量測原理

鏡片成形的過程中，會影響加工完成后鏡片形狀精度與表面質(zhì)量的因素，將其歸納如表一。

表一、影響加工精度的因素
影響成形精度的原因	造成鏡片誤差情形
工件與工具軸振動	表面粗糙度
工件軸的定位精度	中心厚度
工具軸旋轉(zhuǎn)角度誤差	曲率半徑
工件與工具軸中心對準誤差	中心凸臍現(xiàn)象
工具刀鼻磨耗	曲率半徑、中心厚度、表面粗糙度
鏡片夾具偏心	鏡片偏心

鏡片成形后，其表面會留下些許砂輪研磨過的刀紋 (tool mark)，為了精準的控制鏡片的形狀精度及節(jié)省拋光的時間，必須在拋光前進行鏡片的粗細磨，其主要的目的為精準的控制鏡片的曲率半徑與中心厚度，并消除鏡片上的刀紋與降低表面粗糙度。鏡片粗細磨所使用的設(shè)備為曲柄游戲桿式的擺動機構(gòu)，依照鏡片的曲率與直徑大小，來調(diào)整曲柄的偏心量與游戲桿的伸長量，調(diào)到合適的擺動角度與行程。

鏡片粗細磨的過程中依序改變添加的研磨液粒度 #500、#800 與 #1200，每個號數(shù)須研磨至整個鏡片的表面粗細均勻，方可換號數(shù)，更換號數(shù)時需將鏡片及研磨模具清洗干凈，以避免粗顆粒的砂刮傷鏡片表面。在研磨的過程中，須每隔 10 至 15 分鐘檢查鏡片的曲率半徑，擺動機構(gòu)、擺動的角度與行程、研磨模具的大小及鏡片擺放的位置都會影響鏡片研磨的精度，圖七與圖八分別表示機構(gòu)擺動大小與模具大小研磨時對鏡片的影響。一般而言，研磨模具的大小約為鏡片的 1.1 至 1.25 倍，擺動的大小為研磨模具超出鏡片的 1/3 至 1/4，鏡片擺放的位置需適時的做上下更換。

圖七、擺動大小對鏡片的影響

圖八、模具大小對鏡片的影響

下期將繼續(xù)介紹光學(xué)組件的拋光與表面精度檢測技術(shù)。

 

 

 

傳統(tǒng)光學(xué)制作與檢測 (三)

傳統(tǒng)光學(xué)制作與檢測在上一期介紹傳統(tǒng)光學(xué)制作的成形制程、曲率半徑檢測與鏡片粗細磨，本期將繼續(xù)介紹光學(xué)鏡片拋光、表面檢測與透鏡定心技術(shù)。

光學(xué)鏡片經(jīng)過 #1200 的研磨液細磨后，其表面尚有厚約 2–3 μm 的裂痕層，要消除此裂痕層的方法即為拋光。拋光與研磨的機制一樣，唯其所使用的工具材質(zhì)與拋光液 (slurry) 不同，拋光所使用的材料有絨布 (cloth)、拋光皮 (polyurethane) 及瀝青 (pitch)，通常要達到高精度的拋光面，最常使用的材料為高級拋光瀝青。利用瀝青來拋光，是藉由瀝青細致的表面，帶動拋光液研磨鏡片表面生熱，使玻璃熔化流動，熔去粗糙的頂點并填平裂痕的谷底，逐漸把裂痕層除去。

目前拋光玻璃鏡片所使用的拋光粉以氧化鈰 (CeO₂) 為主，拋光液調(diào)配的比例依鏡片拋光時期不同而有所不同，一般拋光初期與和拋光模合模時使用濃度較高的拋光液，鏡片表面光亮后，則改用濃度較稀的拋光液，以避免鏡面產(chǎn)生橘皮現(xiàn)象 (鏡片表面霧化)。

拋光與研磨所用的運動機構(gòu)相同，除了拋光的工具與工作液體不一樣外，拋光時所需環(huán)境條件亦較研磨時嚴苛。一般拋光時要注意的事項如下：

1. 拋光瀝青的表面與拋光液中不可有雜質(zhì)，不然會造成鏡面刮傷。
2. 拋光瀝青表面要與鏡片表面吻合，否則拋光時會產(chǎn)生跳動，因而咬持拋光粉而刮傷鏡片表面。
3. 拋光前必須確定鏡片表面是否有研磨后所留下的刮傷或刺孔。
4. 拋光工具的大小與材質(zhì)是否適當。
5. 瀝青的軟硬度與厚度是否適當。

拋光的過程中必須隨時注意鏡片表面的狀況及精度檢查。透鏡表面瑕疵的檢查，因為檢測的過程是憑個人視覺及方法來判斷，所以檢驗者應(yīng)對刮傷及砂孔的規(guī)范有深刻的認知，要經(jīng)常比對刮傷與砂孔的標準樣版，以確保檢驗的正確性。表面精度可直接用干涉儀 (interferometer) 來量測，以本中心為例，鏡片的表面精度要求在 λ/4 以下者 (λ 為檢測光源的波長)，利用標準片當作參考面搭配單色光源來檢測鏡片的面精度，其檢測的方式如圖一所示。若精度要求高于 λ/4，則需使用 Zygo 干涉儀搭配標準鏡頭來檢測鏡片的面精度及表面質(zhì)量。

透鏡經(jīng)成形、研磨及拋光后，其光軸往往會偏離其幾何中心軸 (光軸為兩曲率中心之聯(lián)機)，此一現(xiàn)象稱為偏心，其中又以成形時所產(chǎn)生的偏心最為嚴重。理論上透鏡的偏心可分為兩種誤差型式，如圖二所示。一種為光軸與幾何中心軸平行，此種型式稱為偏心 (decenter)，另一種為光軸與幾何中心軸交叉，此種型式稱為傾斜 (tilt)。而實際上透鏡的偏心通常是這兩種誤差的組合，如圖三所示。

圖一、牛頓干涉儀

圖二、鏡片偏心的型式

圖三、鏡片偏心實際情況

圖四、雷射定心示意圖

使透鏡的幾何中心軸與光軸一致的制程稱為「定心」。一般所謂的定心是指鏡片的對心與修邊兩個過程。本中心使用雷射定心機來做透鏡的對心與修邊，其對心精度小于 10 弧秒，可定心的最大鏡片直徑 300 mm，雷射定心系統(tǒng)如圖四所示。

圖五、定心砂輪加工情形

鏡片修邊的方式如圖五所示。定心修邊的鉆石砂輪鉆石都是成對使用 (圖五中的 1)，其砂輪的外形都相同，但裝到定心機時，其中有一個砂輪要翻面，使砂輪的斜面一個朝上，另一個朝下，如此砂輪的斜面才可對鏡片的上下兩面做倒角 (bevel) (圖五中的 4)。砂輪的側(cè)面系用于研磨鏡片外徑的加工 (圖五中的 2)。砂輪上下兩個平面搭配砂輪側(cè)面可加工階梯 (step) 外徑 (圖五中的 2 和 3)，另外，也可以加工凹面鏡的平面倒角 (face flat)。本中心的定心機不只可以做圓形軸對稱的修邊，其他像四邊形、多邊形、橢圓形甚至軸不對稱修邊，亦可利用機臺本身的伺服控制來完成鏡片定心。

隨著科技的進步，光學(xué)組件的制作方法，已經(jīng)進展到利用模具塑料射出成形大量生產(chǎn)塑料鏡片。因塑料鏡片本身材料光學(xué)特性的限制，其光學(xué)性能已不敷需求，現(xiàn)在則利用玻璃模造成形來大量生產(chǎn)玻璃鏡片。雖然現(xiàn)今的制作技術(shù)可以大量生產(chǎn)光學(xué)鏡片，但還是有其限制，像高精度、大口徑的玻璃鏡片目前仍無法利用模造成形技術(shù)來生產(chǎn)，相對的傳統(tǒng)光學(xué)制作技術(shù)有其存在的價值，唯有利用傳統(tǒng)研磨及拋光技術(shù)才可制作出高精度與大口徑的光學(xué)玻璃鏡片。