如何製造光學平玻璃?
不同平整度的玻璃分別採用怎樣的製造工藝
你指的是那些波型精度達到多少分之一波長的光學平面鏡吧。
工業上怎麼做到的不太清楚,少量的、個人可以加工的是用三塊平面鏡兩兩互相研磨提高表面精度,並循環交換上下位置來加工的。當然在用瀝青盤拋光的過程里要頻繁檢測和修正,非常需要技巧、經驗和耐心。
在沒有淘寶的年代,望遠鏡不像現在這麼容易買,自製牛頓式望遠鏡的平面副鏡就是這麼來的。
論加工難度平面&>非球面(拋物、橢球、雙曲等常規非球面)&>球面,曲面易得,平面難求,高精度大尺寸的平面鏡是非常貴的。
題主提到的是平玻璃,實際應用中可以分為平「板」和平「片」玻璃。板塊狀的玻璃通常比較大,不同於@尹欣 提到的,可能是小片狀的玻璃,不會在成形硬化後再進行拋光,而是在玻璃形成的過程中,就進行拋光了。
目前通常採用浮法來製造平板玻璃,浮法玻璃生產出巨大的平板原片,之後根據後續玻璃的具體用途,如建築、汽車或制鏡等再進行切割,得到較小的平板玻璃。
浮法玻璃製造的一般流程:池窯中熔化好的優質玻璃液, 在1100℃ 左右的溫度下, 沿流道流入錫槽, 由於玻璃的密度只有錫液密度的1/ 3 左右 , 因而漂浮在錫液面上, 並在其流動過程中,在重力和表面張力共同作用下,形成厚度均勻的玻璃帶, 亦即玻璃原板。玻璃帶冷卻到600~620℃ 時, 被過渡輥台抬起, 在輸送輥道牽引力作用下, 離開錫槽, 進入退火窯退火, 製成浮法玻璃。
對浮法玻璃成型起決定作用的因素有玻璃的黏度、表面張力和自身的重力。在這3 個因素中, 黏度主要起定型的作用, 表面張力阻止玻璃液無限攤平,主要起拋光的作用, 重力則主要起攤平作用。當表面張力與自身重力平衡時, 漂浮在錫液面上的玻璃帶就獲得自然厚度(約7mm),向四周流動攤開,此過程稱為玻璃的攤平過程。
在玻璃的攤平過程中, 主要涉及玻璃液的平整化。生產實踐證明, 欲得到平整的玻璃帶, 必須具備下述條件。
1.適於平整化的均勻的溫度場:合適的均勻的溫度場,才能使玻璃帶攤得厚度均勻、表面平整。
2.足夠的攤平時間:消除波紋,達到平整化要求。
由於玻璃液在成型過程中被逐漸地冷卻, 也就是溫度逐漸降低黏度不斷增大, 所以在錫槽設計和生產過程中, 適當延長高溫區長度或延長高溫區作用時間, 都對玻璃的平整化有利。
除了上述兩個條件外,錫槽自身的穩定性也對玻璃的平整度有較大的影響,若錫槽受到較大的外界震動從而導致用於拋光的錫液晃動,會對玻璃的平整度產生致命的影響。
題主最後問到的不同平整度玻璃的工藝,無外乎就從以上幾個方面來入手。現在玻璃的生產也都是自動控制加人工控制相結合的了,電腦會實時監控整條線的情況,而冷端工程師也會根據玻璃的成品率實時調整攤平溫度和拋光時間。
想進一步了解相關的內容,可以看一下《浮法玻璃生產技術與設備》。
不同平整度的玻璃製作工藝的確很不一樣。
對於尺寸在1米左右的大平板玻璃,比如我們日常見的玻璃窗,一般用的是浮法玻璃,米飯糰 的答案對此工藝介紹得比較詳細了。儘管對於我們日常生活來說,這種大平板玻璃已經夠平了,但是以光學玻璃(粗糙度, 峰谷值&<&<1個可見光波長,如500 納米)的角度看,但這種玻璃的平整度相對來說較低,談不上光學玻璃。這裡,以這家Delta Technologies的公司Delta Technologies Limited
提供的數據看,未拋光的浮法玻璃,1.1毫米厚的玻璃,表面粗糙度為 &<0.15 微米/20毫米;拋光過的,1.1毫米厚的玻璃,表面粗糙度為 &<0.05 微米/20毫米。這離光學系統所需還有一定距離。
對於尺寸在1厘米到10厘米量級的小塊玻璃,平整度一般做得更高,這也是我們通常見到了光學玻璃(Optical Flats)的尺寸範圍。光學玻璃如果太小,或太大,都會讓加工費用急劇增加。
以在美國聲譽不錯的 Edmund Optics 為例,他家的光學平玻璃,以632.8納米激光波長為基準,分1/4波長,1/10波長,1/20波長。最精確的1/20波長,對應的峰谷值為31.64納米。
http://www.edmundoptics.com/technical-resources-center/optics/optical-flats/
通常的加工過程大體就是找毛坯料,粗研磨,精研磨,拋光。光學加工工廠一般都會有個Master Optical Flat, 應該譯作主平玻璃,或母平玻璃吧,以此為基準,研磨到一定程度用干涉條紋檢測,不達標就繼續磨。如果沒有主平玻璃做基準,jyo gan 提到的用三塊平面鏡兩兩互相研磨,並循環交換上下位置來加工也是常用的,而且非常有效的方法。
研磨過程對不同種類的玻璃,要選取不同的磨料,主要的選取依據,應該是硬度的匹配。磨料的硬度必須必所要加工的玻璃硬,但是又最好不要硬太多。磨料的種類從碳鋼,到氮化硅,到氧化鋁,到鑽石都有。
拋光我見到的多是瀝青。但是對瀝青的品質非常挑剔,不好的瀝青耗時又不出活兒。
高平整度玻璃的製作過程是絕對的慢工出細活兒。如果人工磨,磨10個小時左右,出來2、3片兒高精度的,應該是正常能保證高質量的速度。性子急還真幹不了這活兒。工業界機械化量產的,一般精度都要比人工的差一些。
關於拋光,更多細緻的資料看這裡:Joy of Mirror Making: Polishing
現階段用的最為普及的還是傳統的研磨拋光
一般在物理學中看到「完全」「絕對「」一定」一般都是不可能的,他們有個共同的名字「理想模型」
據我所知,目前常見的比較好的平板玻璃是用浮法製造的,即所謂浮法玻璃。
製造的方法,是在製造槽里灌入高溫熔化的液態金屬錫,讓它鋪滿製造槽底。然後灌入玻璃融液,玻璃融液會浮在液態金屬錫上,在地心引力和表面張力的作用下形成均勻平整的玻璃融液層。冷卻以後,就形成了平整度比較高的平面玻璃。
排名第一的回答挺充分的。但是補充一點,
在可見光領域,平面是最好加工的。幾百毫米的平面可以使用單軸機,效率和精度都很好,RMS能到1/100波長。而非球面大多要靠多種工藝複合加工得到,其中最基本的是用數控小磨頭的精磨合拋光(ccos),RMS大約能到1/60波長。自由曲面和球面沒幹過,不好說。球面應該和平面差不多。所以,加工難度上來說:自由曲面&>非球面&>球面≧平面。
當然了,到米級左右的平面,一般是沒有合適的單軸機了,所以都要使用ccos,不過還是平面最好乾。因為在平面狀態,磨頭可以做的很大,且磨頭形狀與所需要加工的面形偏離最小,所以,效率最高精度最好。
最後啊,其實光學零件的成本都很高的,如果真需要這麼大的平面,直接做個單軸機就好了呀,又快精度又高。設備成本,你賣兩三塊鏡子就回來了。光學平玻璃,有兩個要點,第一是平,通常要製造出相對平滑的表面,會使用到一種工具:高速微粒噴射機進行平滑拋光處理,就是平時所說的噴砂拋光。但是要做到光學需求的平,單單噴砂拋光是遠遠無法達到的,所以這裡需要另外一種儀器,原子級的高速微粒噴射機,這種噴射機噴出的微粒為原子級,比一般的噴砂機器的拋光處理更加平滑,當然這也是相對平滑,凱克天文台望遠鏡的10米寬平玻璃就是採用這種工藝製作而成。
技術很不錯的技師通過粗磨胚料上在膠盤拋光,視不同材料而定加工周期,拋磨後需要在干涉儀下通過標準樣板去看平行線的條紋。
上面那位朋友說的很對,平面鏡現實中見到的很多,不過高精度的平面根據我在車間呆過的經驗看來,的確比球面難做些。
先製造出玻璃毛坯,如普通磚頭一樣的形狀,體積是10倍--100倍或者上千倍,然後就是後期加工了,包括切割,打磨,拋光三大類型的後期處理工藝.當然,最後我想說的重點是!光學玻璃100%是通過後期加工出來的,世界上還沒有能夠直接成型製造出來的光學玻璃.
在失重狀態製造一個純球體玻璃,當中有一點是光學平。
將熔化的玻璃倒在熔化的金屬上,玻璃凝固後自然形成兩面皆水平的形狀
Float glass
用激光削出一個砂輪A,B,C。。。,用轉動的A去磨平B,轉動的B去磨平C。。。理論上經過n次迭代,最後的那塊就很平了。
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