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1、晶体光学零件的光胶工艺研究苏瑛, 支西玲, 丛丽艳, 张云龙, 张付美, 刘选民(西安应用光学研究所, 陕西 西安 710065)摘要:以一直径为5 20 mm 、平行度为10的晶体锗窗口零件为例, 介绍了晶体窗口零件加工中的关键技术。 由于该零件直径小, 平行差精度要求特别高, 且为单晶锗材料, 因此要高质高效地加工出符合技术指标的零件有相当的难度。在研究中摒弃了人们常说的晶体零件无法进行光胶的思 想, 大胆尝试“光胶”的方法, 并结合工艺研究中经常出现的问题, 有针对性地提出一套加工高精度 晶体零件的控制措施。 通过该措施的实施, 能够很好地加工出高质高效的晶体窗口零件。 实践证明: 该方
2、法适于批量加工; 合格率高; 能够满足设计的高精度需求。关键词:晶体; 光胶; 高精度; 平行差中图分类号: TN 204文献标志码: AO p t ica l cem en t techn ique f or op t ica l cry sta l e lem en tsSU Y in g, ZH I X i2lin g, CON G L i2yan , ZHA N G Y u n 2lo n g, ZHA N G F u 2m e i, L IU X u an 2m in(X ian In st itu te o f A pp lied O p t ic s, X ian 710065,
3、 C h ina)A bstra c t: A k ey tech no lo gy u sed in th e p ro ce ssin g o f c ry sta l w in dow e lem en t s is illu st ra ted b y age rm an ium w in dow e lem en t, w ho se d iam e te r is 20 mm an d p a ra lle llism is 10.qu a lity op t ica l e lem en t is d iff icu lt to p ro ce ss b ecau se th e
4、 e lem en t d iam e te rSu ch a h igh 2is sm a ll, th ep a ra lle llism requ irem en t is h igh an d th e m a te r ia l is sin g le c ry sta l. R ega rd le ss o f th e co n ven t io n a l idea th a t c ry sta l e lem en t can no t b e cem en ted, anop t ica l cem en tm e tho d w a s u sed an d a se
5、t o fco n t ro l m ea su re s fo r h igh 2p rec isio n c ry sta l e lem en t s p ro ce ssin g w a s summ a r ized. W ith th e m e tho d an d th e co n t ro l m ea su re s, th e c ry sta l w in dow e lem en t w ith h igh qu a lity w a s m ade. It w a s p ro ved th a t th e m e tho d can b e u sed in
6、m a ss p ro du c t io n.Key word s: c ry sta l; op t ica l cem en t; h igh accu racy; p a ra lle l d iffe ren ce分析, 高效地保证了零件的精度。引言光学晶体是重要和常用的光学材料。随着光学仪器的发展, 在仪器中使用晶体材料的地方越来越 多, 特别是近年来红外和激光仪器的迅速发展, 以及近代新技术的要求, 新的晶体材料也层出不穷。利用晶体透紫外及红外的性能, 在紫外和红外光学 仪器中光学晶体被广泛用于制造各种窗口, 其精度 也越来越高。 但是, 高精度晶体窗口零件加工一直处于弱势。 本
7、文主要通过实例对小尺寸、高精度晶 体窗口零件加工中的关键技术做了详细的介绍与1 光胶原理1. 1分子引力理论光胶法亦称光胶接触法, 它是依靠分子间的吸 引力使2 个光学零件的抛光表面紧密贴合在一起。分子间的作用力可用下式表示:F =rs -rt式中: F 表示分子间的作用力; 和 表示系数, 均收稿日期: 2007202228; 修回日期: 2007206212作者简介: 苏瑛 (1974- ) , 女, 陕西人, 工程师, 主要从事光学冷加工工艺及检测工作。290应用光学 2008, 29 (2)苏 瑛, 等: 晶体光学零件的光胶工艺研究为正数;r 表示分子间的距离; s 和 t 表示随物质
8、而脆, 且颜色为黑色, 由于在加工中存在零件光胶面的表面面形及表面清洁度的判断、零件高精度平行 差的控制比较困难等因素, 零件表面疵病及零件崩 边等问题经常造成零件让步或报废的加工难题, 因此小尺寸、高精度锗单晶的窗口零件的批量加工一 直是困扰生产效率和产品质量的工艺难题。异的常数, 通常 s= (9 15) ,(4 7)。 公式右边t= rs 项表示斥力,rt 项表示引力,因为 s t, 所以 rs rt 。一般情况下, 当 r= ( 10- 3 10- 4 ) m 时, 表现出 引 力, 也 就 是 两 光 胶 面 表 面 之 间 的 距 离 在0. 001 m 0. 000 1 m 范围
9、内才能显示出分子引 力作用, 这要求光胶表面的误差为 h = 0. 001= 1 N =20. 25250显然, 加工出这样高精度的抛 光 表 面 难 于 实现, 即便加工出来, 也难于检验。1. 2 光胶原理从上述理论分析可知, 光胶表面的面形精度要 求非常高, 但实际操作中, 只要光胶面的相对面形误差N (1 2) 光圈时, 即可进行光胶。其原因是,分子引力并不是在整个光胶表面上起作用, 它只是 一个统计的物理现象, 即分子引力是在两表面微观的波峰与波峰或波谷与波谷之间起作用, 也就是犬牙交错式的结合。 由于波峰与波谷都是小而密集 的, 因此产生分子引力的统计面积相当大, 足以使2 个表面
10、光胶。 另外, 零件受外力作用或受外界条件变化的影响时, 总要发生微小变形, 这也有利于光 胶。 光胶时, 胶合件是低光圈配对, 通常外缘先加 压, 则该部位先胶上, 在胶与未胶的界面附近, 由于 分子引力作用, 未胶合部位易达到分子引力范围, 则胶合面逐渐增大, 直到全部胶上。图 1F ig. 1有平行差 t 的平面零件简易示图Schem a t ic d iagram of f la t e lem en t w ith para lle l d if f eren ce t3传统工艺及其改进方法的主要工艺流程、效率和精度比较图 2 和图 3 所示为 2 种加工方法主要工艺流程框图。图 2
11、传统工艺加工时的主要加工流程框图F ig. 2 F low char t of fabr ica t ion by trad it iona l techn ique图 3 工艺改进后的主要加工流程框图F ig. 3 F low char t of fabr ica t ion by im proved techn ique表 2 为 2 种加工方法的效率和精度比较。表 2 2 种加工方法的参数和效率比较Table 2 Com par ison of param e ter s an d ef f ic ien cy be tween two proce ss in g m e thods2
12、零件具体的指标要求2. 1零件主要技术指标零件主要技术指标详见表 1。表 1 零件主要技术指标Table 1 M a in spec if ica t ion s of e lem en t材料表面疵病平行差直径mm厚度mm锗单晶K10202. 02加工方法 成盘数量 镜盘直径单次合格率加工效率及周期(个盘)mm2. 2零件平行差精度分析从图 1 易得出: t= tan 。 由表 1 数据经理传统加工改进加工193112015030% 以下93% 以上效率低, 周期长效率高, 周期短10论 计 算, 得 t = tan = 20 tan=60600. 97 m , 其高平行差的技术要求, 必须
13、通过修改整个镜盘的边厚差及控制镜盘的面形精度才能保 证。对于常规光学玻璃而言, 该工艺方法已很成熟, 但该零件材料为单晶锗, 本身的特性表现为硬而改进后的工艺试验研究鉴于锗材料的成本及材料特性, 结合某项目的设计要求, 零件技术指标如上述所示, 针对以上加4应用光学 2008, 29 (2)291苏 瑛, 等: 晶体光学零件的光胶工艺研究工难点, 主要对2 批次零件进行了2 次工艺试验, 均取得了较满意的效果。表 3 为 2 批次工艺试验参数和效率比较。表 3 2 批次工艺实验的参数和效率比较Table 3 Com par ison of param e ter s an d ef f ic
14、ien cy be tween two ba tch proce ss exper im en ts 刀片与零件直接“硬”接触。 根据镜盘所光胶的量,下盘过程中如发现薄纸已破, 则需及时进行更换,以便更好地保护零件边缘, 有效地防止零件崩边。5. 2 零件光胶面表面面形及表面清洁度的判断需要光胶的零件及光胶垫板的表面均需擦拭 得非常干净, 否则将直接影响加工效率、零件精度 及质量。常规玻璃在光胶时可根据所形成彩色干涉 条纹的数量多少、条纹的粗细及其表面上是否有脏 点、杂质等来直接判别光胶的两表面是否已擦拭得干净, 如不干净则直接取下来重新进行擦拭再光 胶。 而单晶锗和常规光学玻璃不一样, 它是
15、红外材 料, 几乎不透可见光, 其表面是黑色的, 目视不易直 接看到彩色的干涉条纹 (即光圈) , 因此锗材料零件 的光胶面擦拭是否干净不易判别。 针对该问题, 可采取以下措施: 1) 将光胶垫板非光胶面上的胶膜 预先从光胶垫板上取下, 恒温; 2) 擦拭光胶垫板 的非光胶面, 并在该面上放置一平面反射镜, 用此 来判别所形成的干涉条纹的高低、粗细及两表面之 间是否有脏点或杂质等; 3) 光胶完成后再粘结胶膜。 实践证明, 通过该方法可以很容易地判别零件 和光胶垫板所形成的干涉条纹的高低、粗细及两表 面擦拭得是否干净, 有利于发现零件表面疵病, 提 高了零件质量及加工效率。5. 3 零件高精度
16、平行差的控制进行该零件的加工, 要保证其平行差要求, 需 要 注意以下几个方面的问题: 1) 选择表面面形好、平行差精度高的的光胶垫板, 一般表面面形N为 14 12, 平行差2, 这一选择将直接影响零 件 的平行差; 2) 零件光胶时不能使用外力将其“强行”进行光胶, 两光胶面必须擦得非常干净, 只 需在零件的一边轻轻加压零件便自动进行光胶。如 发现零件光胶的面上有脏点或其他脏物时, 切忌不 能硬压, 从而 (零件下盘后) 影响零件的表面面形、表 面疵病及平行差; 3) 整个镜盘在精磨阶段的面形最好为低光圈, 一般为- 4 - 1; 4) 整个镜盘的周边厚差一般要控制在 0 0. 005 m
17、m , 这主要与镜 盘直径和零件平行差要求有关, 但一般均需控制在m 级; 5) 控制镜盘的粗抛时间, 时间太长将影响 零件的平行差; 6) 零件下盘时整个镜盘的光圈最好与光胶垫板的光胶面光圈一致; 7) 光胶垫板的 胶膜要胶正, 否则容易引起零件的平行差超差。5. 4 零件表面疵病的保证首先需要保证光胶的 2 个零件的表面疵病; 其 次在光胶前需仔细擦拭 2 个零件的光胶面, 保证清工艺试验 成盘数量 镜盘直径单次合格率加工效率及周期个mm首次加工第二次 加工1912080% 以上效率高, 周期短较首次效率 更高, 周期更短3115093% 以上图 4 为 2 批次零件实际成盘的实拍图。图
18、4 2 批次零件实际成盘实拍图F ig. 4 Pho tograph s of op t ica l e lem en ts in two ba tche s5 试验加工中采取的主要措施5. 1零件崩边光胶零件通常采用锋利的刀片及木椎敲击来 下盘。 由于锗晶体材料较脆, 在刚开始试验加工时零件边缘极易出现小崩边现象, 经常影响零件的有效通光口径。为了防止零件在用木椎敲击的时候产 生零件崩边, 造成零件的让步或报废, 经过反复实践, 采取以下 2 个措施可以很好地避免锗零件的崩边: 1) 在不影响零件通光口径的前提下, 在精磨 阶段即抛光前可适当加宽零件光胶面的倒角宽度,避免零件在下盘时产生较大
19、的破边; 2) 用木椎敲击时, 刀片的角度一般控制在 45左右, 且刀片与零 件之间最好不要直接接触 ( 垫 3 5 层薄纸) , 避免292应用光学 2008, 29 (2)苏 瑛, 等: 晶体光学零件的光胶工艺研究洁度。但是, 在试验过程中, 发现晶体零件的清洗与光学玻璃零件有所不同, 零件表面用酒精、汽油等 有机溶剂通过擦布对零件表面进行清洁, 擦拭时, 经常产生划痕或道子, 严重影响了光学零件的表面疵病, 针对以上现象, 通过现场实践和分析, 采取以 下步骤, 很好地保证了零件的表面疵病: 1) 零件 的光胶面下盘、清洗后, 立即转入光胶工艺, 时间越 长, 需要清洁用的溶剂种类、擦拭
20、时间及擦拭次数 相应增加, 难免使零件的表面增加划痕; 2) 擦拭零件的擦布要非常干净, 质地要软, 这样零件的表 面会擦得更干净, 有利于光胶; 3) 零件擦净后放 在光胶垫板的光胶面上时, 为了减少由于零件位置 放置的不妥而产生零件在光胶面上的移动或滑动, 最好事先根据加工数量和平面镜盘排列方式将其定位在一张纸片上, 再将零件按此排列一次放置到 位; 4) 不同晶体其表面硬度与熔点差别很大, 加 工玻璃用的抛光粉氧化铈、氧化铁已不能适用于某 些晶体零件的抛光, 在实际操作中一种晶体往往要 用一种对应的抛光粉才能达到较满意的抛光效果,因此选择合适的抛光粉是得到晶体光学零件良好 抛光表面的关键
21、; 5) 晶体抛光使用的抛光粉在使用前需要严格 处 理, 以 保 证 抛 光 粉 粒 度 均 匀, PH值适宜。 选择抛光粉的原则是: 抛光粉的硬度与熔 点均不应低于被加工材料的硬度与熔点, 并以接近为好。 为了降低晶体表面的粗糙度, 可使用经过多 次沉淀后得到的极细抛光粉, 使用的抛光盘与抛光 表面要紧密贴合; 6) 加工一般光学零件希望有一 个具有稳定的温度和湿度的工作环境, 但对锗晶体而言却需要特殊的环境, 一般温度比常规玻璃所需的温度要偏高。6结束语本文对小尺寸、高平行度锗晶体材料的光学零件进行了光胶工艺研究, 通过采取的关键措施较好地解决了加工中出现的疑难问题, 总结出了一套工 艺方
22、法及操作经验。实践证明该方法能够很好地保 证该零件的加工质量及进度要求, 有利于进行批量生产。同时根据前期的经验, 该方法亦可适用于硅、 硫化锌、硒化锌等晶体材料。参考文献:1蔡立, 田守信.光学冷加工技术 M .北京: 国防工业出版社, 1981.CA I L i, T IA N Sho u 2x in. O p t ica l coo ling p ro ce ssing tech no lo gy M . B e ijing: N a t io na l D efence Indu st ryP re ss,1981.( in C h ine se)光 学 零 件 工 艺 手 册 编 写
23、 组. 光 学 零 件 工 艺 学 ( 中)M . 北京: 国防工业出版社, 1977.E d it ing G ro up o f O p t ica l E lem en t P ro ce ssingH andboo k. O p t ica l e lem en t p ro ce ssing study M .B e ijing: N a t io na l D efence Indu st ry P re ss, 1977. ( inC h ine se)23查立豫, 林鸿海.工业出版社, 1987.光学零件工艺学 M .北京: 兵器ZHA L i2yu , L IN H o ng2h a i. O p t ica l e lem en tp ro ce ssing study M . B e ijing: O rdnance Indu st ryP re ss,1987.( in C h ine se)