光学加工基础知识§1光学玻璃基本知识一.基本分类和概念光学材料分类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料三类。
玻璃的定义：不论化学成分和固化温度范围如何，一切由熔体过冷却所得的无定形体，由于粘度逐渐增加而具有固体的机械性质的，均称为玻璃。
光学玻璃分为冕牌K和火石F两大类，火石玻璃比冕牌玻璃具有较大的折射率nd和较小的色散系数vd。
二.光学玻璃熔制过程将配合料经过高温加热,形成均匀的，高品质的，并符合成型要求的玻璃液的过程,称玻璃的熔制。
玻璃的熔制，是玻璃生产中很重要的环节.，玻璃的许多缺陷都是在熔制过程中造成的, 玻璃的产量、质量、生产成本、动力消耗、熔炉寿命等都与玻璃的熔制有密切关系。
混合料加热过程发生的变化有:物理过程-----配合料的加热，吸附水的蒸发，单组分的熔融，个别组分挥发.某些组分的多晶转变。
化学过程-----固相反应，盐的分解，水化物分解，结晶水的排除，组分间的作用反应及硅酸盐的形成。
物理化学过程-----低共熔物的组分和生成物间相互溶解,玻璃与炉气介质，耐火材料相互作用等。
上述这些现象的发生过程与温度和配合料的组成性质有关.对于玻璃熔制的过程,由于在高温下的反应很复杂,尚待充分了解,但大致可分为以下几个阶段。
1.加料过程-----硅酸盐的形成2.熔化过程-----玻璃形成3.澄清过程-----消除气泡4.均化过程------消除条纹5.降温过程-------调节粘度6.出料成型过程总之,玻璃熔制的每个阶段各有其特点,同时,它们又是彼此互相密切联系和相互影响的.在实际熔制中,常常是同时或交错进行的,这主要取决于熔制的工艺制度和玻璃窑炉结构特点。
三.玻璃材料性能1．折射率nd、色散系数vd根据折射率和色散系数与标准数值的允许差值，光学玻璃可以分为五类表1-1：折射率和色散系数与标准数值的允许差值2.光学均匀性光学均匀性指同一块玻璃中折射率的渐变。
玻璃直径或边长不大于150mm，用鉴别率比值法玻璃分类如表1-2。
表1-2 ：光学均匀性1类或2类还应测星点。
玻璃直径或边长大于150mm，称大块光学玻璃，根据玻璃各部位间折射率微差值最大值Δnmax分类。
如表1-3。
表1-3：大块光学玻璃光学均匀性3.应力双折射光学玻璃的应力分中部应力（张应力）和边缘应力（压应力）。
中部应力：按长度单位上中部应力的最大光程差δnmax（nm/cm）分类：表1-4：光学玻璃中部应力双折射分类边缘应力：按单位厚度的最大光程差δnmax（nm/cm）分类：表1-5：光学玻璃边缘应力双折射分类4.条纹度条纹是玻璃内部折射率的局部不均匀引起。
边长或直径小于150mm，称小块光学玻璃，分四类；表1-6：小块光学玻璃条纹度边长或直径大于150mm，为大块玻璃，分四类；表1-7：大块光学玻璃条纹度按观察玻璃的方向数，分三级。
表1-8：条纹度分级5.气泡度根据气泡度根据其直径或最大边长，按最大气泡的直径分三类。
表1-8：气泡度分类根据100cm3体积内含直径》0.05mm气泡总截面积分七级。
扁长气泡按最长轴与最短轴算术平均值，结石和晶体按气泡计算。
表1-10：气泡度分级6.光吸收系数1cm厚光学玻璃所吸收的白光光通量与进入该玻璃的白光光通量之比（E值）。
表1-11：光吸收系数分类7.1RC(S)抗潮湿大气作用稳定性表面法光学玻璃被潮湿大气侵蚀后，其表面产生“白斑”和“雾浊”等变质层，该变质层会使平行光的散射性增大。
因此可根据侵蚀玻璃表面对光散射性的强弱来确定侵蚀表面的变质程度。
按国家标准GB7962.15测试方法，可测出被侵蚀试样变雾浊程度的“浊度”H值，将该置于BaK7和ZK9玻璃标样的浊度值（H BaK7和H ZK9)比较。
表1-12：玻璃抗潮湿大气稳定性7.2RA(S)抗酸作用稳定性表面法光学玻璃抗酸稳定性采用PH2.9醋酸、PH4.6醋酸钠和PH6.0蒸馏水做侵蚀介质，按国家标准GB7962.14测试方法进行测定。
按在白炽灯下观察侵蚀试样表面出现紫蓝干涉色的时间大小。
表1-13：抗酸作用7.3粉末法耐酸作用稳定性RA(P)将相当于玻璃密度大小重量（克）的玻璃粉末（粒度420---590nm)置于铂制网篮中，然后，放进盛有80ML硝酸（0.01N)溶液的石英烧杯中，经1小时煮沸处理，取出烘干称重，根据其重量损失（Wt%)分为6级。
表1-13：粉末法耐酸作用7.4FA相对研磨硬度相对研磨硬度指同等研磨条件下被测玻璃相对于标准玻璃K9的研磨硬度。
测量方法按国家标准GB7962.19进行。
测出标准玻璃K9样品的研磨量（体积V0) 于被测玻璃时样的研磨量（V)，其比值FA即为被测玻璃的相对研磨硬度，相对研磨硬度小，更易于研磨。
FA=V0/V=(W0/ρO)/(W/ρ)式中W0、W—分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃式样研磨重量损失g；ρ0、ρ分别指标准玻璃K9样品和被测玻璃的密度，g/cm3HK——Knoop硬度Knoop硬度按国家标准GB7962.21测试方法进行测量。
给其施加一定负荷垂直压在试样上，保持一定时间后，撤去负荷，用显微镜观察并测试样上压痕长对角线的长度，用下式计算Knoop硬度(HK--Knoop,Pa)：HK=0.102*F/0.07028*L2式中：F—加压负荷，N;L—压痕的长对角线长度，mm;8.光学玻璃热性能8.1线膨胀系数线膨胀系数指在规定的温度范围内（-60—200C，20--1200C）每10C温度变化对单位长度所引起的长度变化，用αL表示，单位cm/cm0C。
8.2转变温度玻璃的热膨胀曲线中低温区域和高温区域的直线部分的延伸交点所表示的温度。
四.附件1：光学玻璃性能一览表。
§2光学理论基础知识一.光学基本概念狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。
而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
1.几何光学几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。
在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。
但实际上，上述光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍射现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。
所以，几何光学只是波动光学的近似或极限。
1.1光线的传播遵循三条基本定律：1.1.1光线的直线传播定律，既光在均匀媒质中沿直线方向传播；1.1.2光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；1.1.3反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。
1.1.3.1光的反射反射定律:如图2-1所示，从光的入射点O所作的垂直于镜面的线ON叫做法线，入射光线与法线的夹角叫入射角(i)，反射线与法线的夹角叫反射角(r)，有:反射线与入射线.法线同在一个平面上,且反射角等于入射角（i=r）。
图2-1：光的反射图1.1.3.2光的折射光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向一般会发生变化,这种现象叫光的折射，并遵守折射定律: n1 Sini =n2 Sinr折射公式中: i 、 r 。
为入射角和折射角n1、n2 分别为两种介质的折射率.当r =900,相应的入射角i.称为临界角.特别强调的是:在折射时光路是可逆的，不管光线以什么角度射向玻璃表面,Sini/Sinr 的值总是一个常数.他称这一常数为玻璃的折射率.通常用字母n 来表示.图2-2：光的折射图1.2基本镜面成像规律1.2.1平面镜成像平面镜所成的像距镜面的距离与物体到镜面的距离相等,且像的大小与物体的大小相同。
非光线所成的像,而是光线的延长线相交而成的称虚像。
1.2.2球面镜如果镜子的反射面是球面的一部分,这样的镜子称球面镜.球面镜分凸面镜和凹面境两种。
凹面镜把射向它的平行光线会聚在一点,这一点叫凹面镜的焦点.反之,当把一个光源放在凹面镜的焦点上,出射光经凹面境反射后,成平行光射出。
凸面镜对光线起发散作用。
1.2.3透镜透镜可分为两类:一类是中间厚边缘薄,具有使光线会聚作用,叫做凸透镜，另一类是中间薄边缘厚,具有使光线发散作用的叫凹透镜。
当透镜的厚度与其焦距比可以忽略不计时,通常称为薄透镜。
如图2-3，为薄透镜原理图，UO为物距u ，OV为像距v，OF为焦距f。
物与像的位置满足下面透镜成像公式：1/u + 1/v = 1/f式中u为物体到透镜的距离,也称物距v像到透镜的距离,也称像距，实像为+值，虚象为-值。
f为透镜的焦距,凸透镜为正,凹透镜为负.图2-3：薄透镜成像1.3光学成像概念几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。
它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。
如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同一点，则称此点是物点的完善像。
如果物点在垂轴平面上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则此光学系统成像是理想的。
高斯光学的理论是进行光学系统的整体分析和计算有关光学参量的必要基础。
利用光学系统的近轴区可以获得完善成像，但没有什么实用价值。
因为近轴区只有很小的孔径(即成像光束的孔径角)和很小的视场(即成像范围)，当光学系统的孔径和视场超出近轴区时，成像质量会逐渐下降。
这是因为自然点发出的光束中，远离近轴区的那些光线在系统中的传播光路偏离理想途径，而不再相交于高斯像点(即理想像点)之故。
这时，一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥散斑；物平面的像不再是一个平面，而是一个曲面，而且像相对于物还失去了相似性。
所有这些成像缺陷，称为像差。
用单色光成像时，有五种不同性质的像差，即球差、彗差、像散、场曲和畸变。
球差使物点的像成为圆形弥散斑。
彗差造成彗星状弥散斑。
像散则导致椭圆形弥散斑。
场曲使物平面的像面弯曲。
畸变使物体的像变形。
此外，当用较宽波段的复色光成像时，由于光学媒质的折射率随波长而异，各色光经透镜系统逐面折射时，必会因色散而有不同的传播途径，产生被称为色差的成像缺陷。
色差分两种：位置色差和倍率色差。
位置色差导致不同的色光有不同的成像位置。
倍率色差导致不同的色光有不同的成像倍率。
为使光学系统在具有大的孔径和视场时能良好成像，必须对像差和色差作精细校正和平衡。
1.2物理光学从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。