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第8篇 光学零件制造工艺 1

第1章　光学薄膜技术 1

1.1　光学薄膜的制备技术 1

1.1.1　物理气相沉积技术 1

1.1.2　化学气相沉积技术 6

1.1.3　光学薄膜制备中的监控技术 10

1.2　不同应用领域的光学薄膜 12

1.2.1　激光薄膜 12

1.2.2　光通信用光学薄膜 13

1.2.3　超快薄膜 13

1.2.4　视光学薄膜 14

1.2.5　极紫外和软X射线薄膜 14

1.2.6　紫外下变频膜 15

1.3　光学薄膜的现代检测技术 15

1.3.1 光谱 15

1.3.2　弱吸收测量 16

1.3.3　激光损伤阈值测试技术 16

1.3.4　应力 17

参考文献 18

第2章　非球面加工工艺 19

2.1　非球面概述 19

2.2　非球面加工方法 20

2.2.1　传统的研磨抛光技术 20

2.2.2　非球面数控磨（车）削技术 21

2.2.3　非球面数控研抛技术 23

2.2.4　应力抛光盘研抛技术 28

2.2.5　磁流变抛光技术 30

2.2.6　液体喷射抛光技术 32

2.2.7　离子束抛光技术 34

2.2.8 等离子体辅助抛光及其衍生技术 37

2.2.9　应力变形法 38

2.2.10　光学玻璃非球面透镜模压成形技术 39

2.2.11 光学塑料非球面注射成形技术 42

2.2.12　非球面真空镀膜法 43

2.2.13　非球面复制成形技术 44

2.3　非球面加工工艺编制 46

2.3.1 主要工艺参数计算 46

2.3.2　粗加工参数确定 47

2.3.3 加工工艺流程及非球面成形方式 48

2.3.4　实例 48

2.4　非球面检测 50

2.4.1　概述 50

2.4.2　轮廓测量法 50

2.4.3　样板法 51

2.4.4　星点法、分辨率法 51

2.4.5　刀口阴影法 51

2.4.6　哈特曼法 52

2.4.7　干涉法 53

参考文献 57

第3章　晶体加工工艺 60

3.1　晶体基础知识 60

3.1.1　晶体的定义 60

3.1.2　结点、行列与面网 60

3.1.3　晶胞和晶系 60

3.1.4　晶面和晶面指数 61

3.1.5　解理和硬度 61

3.2　晶体加工前的品质鉴定 63

3.3　晶体的定向 65

3.3.1　定向的意义 65

3.3.2　定向的方法 65

3.4　晶体的切割 70

3.4.1　外圆切割 70

3.4.2 内圆切割 71

3.4.3　水线切割 71

3.4.4　劈裂法切割 72

3.4.5　超声切割 73

3.4.6　其他切割方法简介 74

3.5　晶体的研磨 74

3.5.1 机械研磨 74

3.5.2　化学研磨 78

3.6　晶体的抛光 78

3.6.1　工艺特点 78

3.6.2　抛光剂 79

3.6.3　抛光模 80

3.6.4　工艺条件 80

3.6.5　抛光方法 81

3.7　晶体加工中的安全防护 84

3.7.1　毒物的危害与防护 84

3.7.2　射线的危害与防护 85

3.8　典型晶体零件加工 85

3.8.1　红宝石激光棒的加工 85

3.8.2 Nd:YAG激光棒及板条的加工 89

3.8.3　潮解晶体加工综述 91

3.8.4　KDP电光Q开关的加工 95

3.8.5　碘酸锂倍频器的加工 96

3.8.6　一水甲酸锂倍频器的加工 97

3.8.7　冰洲石偏光棱镜的加工 98

3.8.8 双45°LiNbO3电光Q开关的加工 101

3.8.9　石英晶体1/4波片和一级红的加工 102

3.8.10　NaCl窗口元件的加工 105

3.8.11 单晶Ge光学零件的加工 106

3.8.12　Nd:YLF晶体零件的加工 106

3.9　晶体加工相关知识 110

3.9.1 晶体折光液的配制 110

3.9.2　石英晶体旋向的判定 111

3.9.3　晶体名称的读法 112

3.9.4 同种晶体的不同名称 113

3.9.5 LiNbO3晶轴正负方向的判别 114

3.9.6　非透明晶体零件平行度的测量 115

3.9.7　加工图样中光圈数N与光源波长λ的换算 116

3.9.8　若干晶体材料加工时特别注意事项 117

3.9.9　避免或减少棒状晶体零件加工中变形的方法 118

3.9.10　晶体的键合 119

3.9.11 晶面与晶面间夹角 121

3.10　实用技术 122

3.10.1 避免方形晶体零件研磨产生塌角的方法 122

3.10.2　配盘材料的选取 123

3.10.3　抛光模表面硬壳的消除 123

3.10.4　光胶技巧 123

3.10.5　抛光液泡沫的消除 123

3.10.6　晶体再生应力的消除 123

3.10.7　晶体零件表面膜层的脱膜方法 123

3.10.8　去除晶体抛光表面水印的方法 124

3.10.9　抛光剂沉积后的处理 124

3.10.10　金刚石微粉均匀性的处理 124

3.10.11 减少软质晶体切割崩边的方法 124

3.10.12　晶体开裂后的处理 125

3.10.13　缩短晶体抛光时间的技术途径 125

3.10.14　清除晶体零件侧面氧化铈和红粉附着物的方法 125

参考文献 125

第4章　特殊光学零件加工工艺 127

4.1　薄形零件加工工艺 127

4.1.1 薄形零件的“光圈变形”及其克服方法 127

4.1.2　薄平板加工工艺 127

4.1.3　薄透镜加工工艺 127

4.2 固体激光器工作物质——激光棒的加工工艺 128

4.2.1 圆套法加工激光棒 128

4.2.2　用特殊夹具加工激光棒 129

4.2.3　激光棒的多件同时抛光法 129

4.2.4　激光棒的检测方法 130

4.3　光学投影屏的种类及制作方法 131

4.3.1　光学投影屏的种类与特性 131

4.3.2　光学投影屏的制作方法 131

4.3.3　光学投影屏的质量检验 132

4.4　水准泡的加工工艺 132

4.4.1　水准泡的类型、种类与精度 132

4.4.2　长水准泡的加工工艺 133

4.4.3　圆形水准泡的加工工艺 136

4.4.4　水准泡的检验方法 138

参考文献 140

第5章　照相制版及复制工艺 141

5.1　照相制版的基本工艺及设备 141

5.1.1　基本原理 141

5.1.2　主要设备 142

5.1.3　基本方法 146

5.2　常用卤化银感光胶 149

5.2.1　概述 149

5.2.2　火棉胶湿版 150

5.2.3　火棉胶干版 150

5.2.4　超微粒干片 150

5.3　复制工艺 153

5.3.1　复制工艺分类 153

5.3.2　虫胶复制 153

5.3.3　聚乙烯醇复制 154

5.3.4　光刻胶复制 155

5.3.5　复制用光源 156

5.3.6　复制用夹具 157

5.3.7　典型零件的复制 157

参考文献 160

第9篇 光学测量和评价 161

第1章　测量误差 161

1.1　综述 161

1.1.1　测量及误差的基本概念 161

1.1.2　测量误差的类型 161

1.1.3　有限次等精度直接测量数据的处理 162

1.1.4　非等精度直接测量的数据处理 163

1.1.5　粗大误差的检验 164

1.1.6　间接测量的误差传递 164

1.1.7　有效数字及计算规则 164

1.2　对准误差与调焦误差 165

1.2.1　对准误差 165

1.2.2　调焦误差 165

参考文献 166

第2章 光电探测器件及其应用 167

2.1 概述 167

2.1.1 光子效应 167

2.1.2　光热效应 167

2.2　真空光电发射器件 168

2.2.1 光阴极 168

2.2.2　光电子的倍增机构 172

2.2.3　真空发射器件的基本类型 173

2.2.4　真空发射器件的应用 178

2.3　固体光导器件 180

2.3.1　光导探测器 180

2.3.2　光伏探测器件 184

2.3.3 固体光电器件与放大电路的连接 194

2.3.4　固体光电器件的选用 194

2.4　热敏探测器件 195

2.4.1 热敏电阻测辐射热计型探测器 195

2.4.2　温差热电偶（堆）型探测器 197

2.4.3　热释电型探测器 198

参考文献 201

第3章　光学系统的几何光学参数测量 202

3.1　焦距和截距的测量 202

3.1.1　放大率法测量 202

3.1.2　精密测角法测量 203

3.1.3　附加接筒法测量 203

3.1.4　阿贝焦距仪法测量 204

3.1.5　附加已知焦距透镜法测量 205

3.1.6　反转法测量 205

3.1.7　望远物镜焦距配对的方法 206

3.1.8　平面光学零件的最小焦距测量 208

3.2　焦面位置和主点位置的确定 209

3.2.1　焦面位置的确定 209

3.2.2　主点位置的确定 211

3.3　光学系统的出瞳直径和眼点距离的测量 212

3.3.1 出瞳直径的测量 212

3.3.2　眼点距离的测量 213

3.4　光学系统放大率的测量 214

3.4.1　望远系统视放大率的测量 214

3.4.2　显微系统视放大率的测量 214

3.5　光学系统视场的测量 215

3.5.1 望远系统视场的测量 215

3.5.2　显微系统视场的测量 216

3.6　相对孔径和数值孔径的测量 216

3.6.1　照相物镜相对孔径的测量 216

3.6.2　显微物镜数值孔径的测量 216

3.7　望远系统视度的测量 218

3.7.1　用普通视度筒测量 218

3.7.2　用大量程视度筒测量 218

参考文献 219

第4章 光学系统光度和色度测量 220

4.1　杂散光测试 220

4.1.1 基本概念 220

4.1.2　测试方法和原理 220

4.1.3　望远系统杂散光测试 221

4.1.4　摄影物镜杂散光测试 222

4.2　透过系数（透过比、透过率）测试 222

4.2.1　基本概念 222

4.2.2　测量方法 222

4.2.3　望远系统透过系数测试 223

4.2.4　摄影物镜透过系数测试 223

4.2.5 光谱透过系数测试和彩色贡献 223

4.3　CCI值评价色复现 224

4.4　像面光照度分布测试 225

参考文献 226

第5章　光学系统像差和像质测量 227

5.1　几何像差测量 227

5.1.1　哈特曼法测量几何像差 227

5.1.2　焦面法测量几何像差 228

5.1.3　阴影法测量几何像差 229

5.1.4　物镜畸变的测量 230

5.2　波像差测量 233

5.2.1　测量仪器 233

5.2.2　典型干涉图 233

5.2.3　由干涉图求波差 235

5.2.4　用优良率评价成像质量 237

5.2.5　剪切干涉术 237

5.2.6　点衍射干涉仪 242

5.2.7　相位探测技术 242

5.3　星点检验 243

5.3.1 检验装置 243

5.3.2　光学系统的成像质量与星点衍射像 244

5.4　分辨率测量 246

5.4.1　光学系统的理论分辨率 246

5.4.2　分辨率图案 246

5.4.3　分辨率测量 247

5.5　光学传递函数的测量 248

5.5.1　定义和常用术语 248

5.5.2　基本原理和物理基础 250

5.5.3　测量原理及装置 251

5.5.4　测量要点 255

5.5.5　光学传递函数与像质评价 255

参考文献 256

第6章　光学系统成像质量的主观评价 257

6.1　光学系统成像质量主观评价的基本环节及概念 257

6.2　主观评价的信息容量指标 257

6.3　基于MTF的主观像质判据 258

6.3.1　系统调制传递锐度 258

6.3.2　级联调制传递锐度 258

6.3.3　频率坐标以对数表示的像质判据 258

6.3.4　对数频率判据的简略型式 259

6.3.5　视觉效率 260

6.4　目视阈值对比的主观评价方法 261

6.5　带有噪声的图像的主观像质评价 262

6.6　彩色图像的主观像质评价 265

6.7　各种主观像质评价指标的比较和选用 266

6.8 目视光学系统主观像质评价方法的应用 267

6.8.1　望远镜主观像质评价原理 267

6.8.2　变衬比鉴别率测试装置的参数设计 268

6.8.3 望远镜主观像质评价指标体系选择及实测结果 269

参考文献 270

第10篇 工程光学及仪器 271

第1章 用ZEMAX软件设计手机物镜 271

1.1 概述 271

1.1.1　手机发展历史简介 271

1.1.2　照相手机发展过程 271

1.1.3　手机镜头新技术简介 272

1.2　单片型手机物镜（镜头）设计 272

1.2.1　初始设计 273

1.2.2　中期优化 275

1.2.3　最终优化 276

1.3　两片型手机物镜设计 277

1.3.1　双高斯结构 278

1.3.2　光阑在镜片前面的2P结构 278

1.4　三片型手机物镜设计 279

1.4.1　初始优化 281

1.4.2　中期优化 281

1.4.3　最终优化 282

参考文献 283

第2章　投影显示光学系统设计 285

2.1　概述 285

2.2　投影显示的类型及比较 285

2.3　投影显示的相关技术 286

2.3.1　照明光学系统 286

2.3.2　LCOS的共用光路 287

2.3.3　分色／合色光学系统 287

2.3.4　LCOS片的前置λ/4波片和PBS 288

2.3.5　液晶板、偏振片的高温褪偏问题 288

2.4　投影显示光学系统中的部件 288

2.4.1　照明光学系统 288

2.4.2　空间光调制器 296

2.4.3　投影物镜 296

2.5　投影显示光学系统的典型设计方案 297

2.5.1　三片式LCOS投影系统 297

2.5.2　单芯片棱镜卷帘式投影系统 297

2.5.3　色轮式DMD光学系统 298

2.5.4　三片式LCD投影系统 299

2.5.5　带复眼透镜的三芯片LCOS投影系统 299

2.6　投影显示光学系统的评价与检测 299

第3章　汽车灯具设计原理 303

3.1　汽车灯具原理及国家标准 303

3.1.1　汽车前照灯原理及实现方法 303

3.1.2　汽车雾灯原理 303

3.1.3　汽车信号灯原理 303

3.1.4　汽车照明灯具技术的发展 303

3.1.5　汽车灯具的国家标准 304

3.2　汽车灯常用光源及其发光原理 305

3.2.1 白炽灯 305

3.2.2　卤素灯 306

3.2.3　放电灯 306

3.2.4 LED 307

3.3 自由曲面汽车车灯设计原理 307

3.3.1 自由曲面汽车车灯设计软件 308

3.3.2 自由曲面汽车车灯设计流程图 310

3.3.3 自由曲面汽车车灯设计步骤 310

3.3.4 自由曲面汽车车灯设计实例 311

3.4　投射式汽车车灯设计思想 312

3.4.1 投射式汽车车灯结构原理及先进性 312

3.4.2　投射式汽车车灯的设计计算 313

3.4.3　投射式汽车车灯设计实例 315

3.5 HID与卤素灯在配光设计方面的区别 316

3.5.1　HID汽车前照灯的特点 316

3.5.2　HID汽车前照灯的配光要求 316

3.5.3　HID在配光设计方面的区别 318

3.6　LED在汽车前照灯方面的应用 319

参考文献 319

第4章　干涉仪 321

4.1 与干涉仪相关的几个物理问题 321

4.2　斐索干涉仪 322

4.3　泰曼-格森干涉仪 324

4.4　马赫-泽德干涉仪 326

4.5　剪切干涉仪 327

4.5.1　概述 327

4.5.2　横向剪切干涉仪 328

4.5.3　径向剪切干涉仪 332

4.5.4　旋转剪切干涉仪 334

4.5.5　倒转剪切干涉仪 334

4.6　多光束干涉仪 335

参考文献 337

第5章　光谱仪器 338

5.1　概述 338

5.2　发射光谱仪器 339

5.2.1　典型发射光谱仪器 340

5.2.2　光谱仪的照明系统 347

5.2.3　光谱激发光源 349

5.3　分光光度计 351

5.3.1　分光光度法基础 351

5.3.2　典型分光光度计 351

5.4　计算机在光谱仪器中的应用 363

参考文献 365

第6章　光电成像器件与应用 366

6.1　光电成像器件 366

6.1.1　像管 366

6.1.2　摄像管 370

6.1.3　固体成像器件 378

6.2　光电成像系统及其应用 395

6.2.1　直视型光电成像系统 395

6.2.2　电视型成像系统 401

6.2.3　红外（热）成像系统 405

6.2.4　特殊用途的成像技术 411

参考文献 413

第7章 靶场光电跟踪和测量设备 414

7.1　概述 414

7.2　靶场光电跟踪和测量设备的工作原理、结构和性能 415

7.2.1 弹道或轨道测量设备的工作原理、结构和性能 415

7.2.2　空间目标运动姿态及高速事件测量设备的工作原理、结构和性能 420

7.2.3　空间目标光谱辐射及光度测量设备的工作原理、结构和性能 423

7.3　靶场光电跟踪和测量设备设计原理和方法 425

7.3.1 靶场光电跟踪和测量设备总体设计 425

7.3.2　靶场光电跟踪和测量设备总体设计和主要技术指标的分析计算 426

参考文献 449

第8章　高速摄影机 450

8.1　间歇式高速电影摄影机 451

8.1.1　工作原理和特点 451

8.1.2　高速间歇输片机构 451

8.2　棱镜补偿式高速电影摄影机 453

8.2.1　棱镜补偿原理和快门 453

8.2.2　几种典型的国产电影摄影机 454

8.3　转镜式高速摄影机 455

8.3.1　工作原理和特点 455

8.3.2　基本参数 456

8.3.3　结构参数 458

8.3.4　转镜装置 459

8.3.5　快门 459

8.4　皮秒（ps）变像管高速摄影机 459

参考文献 461

第9章　遥感技术及光学设备 462

9.1　遥感原理 462

9.1.1　概述 462

9.1.2　遥感的物理基础 466

9.2　光学遥感器 467

9.2.1 分类 467

9.2.2　构成 468

9.2.3　特性 468

9.3　典型光学遥感器 469

9.3.1　数字航摄相机 469

9.3.2　光机扫描仪 470

9.3.3　推帚式扫描仪 470

9.3.4　成像光谱仪 471

9.3.5　立体相机 472

9.3.6　激光雷达 473

9.3.7　野外光谱仪 474

参考文献 475

第10章　激光仪器和加工 476

10.1　激光干涉计量仪器 476

10.1.1 激光干涉仪的基本组成及型式 477

10.1.2　激光干涉仪的光源 477

10.1.3　激光干涉仪的干涉系统 478

10.1.4　激光干涉仪的信号接收与处理系统 481

10.1.5　激光干涉测长仪的原理与误差 481

10.1.6　1m激光测长机 483

10.1.7　双频激光干涉仪 483

10.1.8　激光干涉比长仪 484

10.1.9　激光量块干涉仪 485

10.1.10　激光精密定位干涉系统 486

10.1.11 激光丝杆动态测量干涉仪 486

10.1.12　激光平面干涉仪 486

10.1.13　激光球面干涉仪 487

10.1.14　激光波面干涉仪 487

10.1.15 激光干涉共模抑制表面轮廓仪 488

10.1.16　激光地震仪 489

10.1.17　激光应变仪 490

10.1.18　激光干涉测振仪 490

10.2　激光测速仪 492

10.2.1　激光多普勒流速计 492

10.2.2　激光干涉测速仪 493

10.2.3　激光散斑测速仪 493

10.2.4　激光多普勒转速计 494

10.2.5　光电旋转仪 494

10.2.6　激光陀螺 494

10.3　激光测径仪 496

10.3.1　激光衍射测径仪 496

10.3.2　激光扫描测径仪 498

10.3.3　投影放大法激光测径仪 499

10.3.4　能量比较法激光测径仪 499

10.4　激光准直仪 500

10.5　激光加工 501

10.5.1 激光与物质相互作用的物理过程 501

10.5.2　影响激光加工的主要因素 501

10.5.3　激光焊接机 504

10.5.4　激光打孔机 506

10.5.5　激光动平衡机 507

10.5.6　激光切割机 508

10.5.7　激光热处理 510

10.5.8　激光加工在电子元器件制造中的应用 510

参考文献 510

第11章　光学计量仪器 512

11.1　端度计量仪器 512

11.1.1　数字式立式测长仪 512

11.1.2　万能测长仪 513

11.1.3　投影立式光学计 514

11.1.4　数字式立式光学计 515

11.1.5　光栅测长机 515

11.1.6　激光测长机 516

11.2　工具显微镜 519

11.2.1　数字式大型工具显微镜 519

11.2.2　万能工具显微镜 521

11.2.3　工具显微镜的测量技术 522

11.2.4　图像处理万能工具显微镜 524

11.2.5　CNC光学坐标测量机 524

11.3　投影仪 525

11.3.1　小型投影仪 526

11.3.2　小型投影仪的工作台传动系统 526

11.3.3　数显箱 527

11.3.4　投影仪寻边器 528

11.3.5　大型投影仪 529

11.4　角度及平直度计量仪器 529

11.4.1　光学倾斜仪 529

11.4.2　自准直仪 530

11.4.3　测角仪 530

11.4.4　数字式分度头 531

11.5　视频测量仪 532

11.5.1 图像采集及处理系统 533

11.5.2　CCD与数字化图像 533

11.5.3 图像的几何元素边缘提取及亚像素细分技术 533

11.5.4　被采集点的坐标计算及标定技术 534

11.5.5　图像采集方式 535

11.5.6　图像焦面的软件识别技术 535

11.5.7 图像软件界面的操作功能 535

11.5.8　几种视频测量仪 536

11.6　表面形貌及表面粗糙度计量仪器 537

11.6.1 激光探头 538

11.6.2　触针式轮廓仪 538

11.6.3　光学探针式轮廓仪 539

11.6.4　干涉显微镜 540

11.7　专用光学计量仪器 540

11.7.1　刀具检测仪 540

11.7.2　丝杠动态检测仪 541

11.7.3　凸轮轴检测仪 542

11.7.4　因瓦尺检测仪 544

参考文献 544

第12章 印刷工业用光学设备与部件 546

12.1　激光照排机与直接制版机 546

12.1.1　通用基本部件 546

12.1.2　光学成像系统结构 546

12.1.3　成像系统结构比较 549

12.2　静电照相成像光源 549

12.2.1　LED 549

12.2.2　激光与LED成像 551

12.3 静电照相成像打印机与数字印刷机 552

12.3.1　概述 553

12.3.2　成像系统 553

12.3.3 彩色数字复印机／打印机系统 555

12.4　某些特殊问题 559

12.4.1　光点（斑）形状的合理性问题 559

12.4.2　光束强度分布 560

附录 562

附录A　光亮度单位换算表 562

附录B　光照度单位换算表 562

附录C　波长单位换算表 562

附录D 日本HOYA光学玻璃谱线折射率 563

附录E　德国SCHOTT光学玻璃谱线折射率 570

附录F 国产光学玻璃常用激光谱线折射率 582

附录G　光学塑料谱线折射率 584

附录H　光学塑料ZEONEX谱线折射率 585

附录I　眼镜镜片屈光度及其偏差 585

附录J　傅里叶变换物镜 586

附录K　FΘ透镜 590

附录L　数码照相机分辨率的测量 592

附录M　体积显微镜光学和力学性能 592

附录N　显微镜物镜 593

附录O　常用英文缩写字母中英文注译 594