Оптические материалы и технологии

Д.Г. Денисов, Н.В. Барышников

Оптические материалы и технологии

Учебно-методическое пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

ISBN 978-5-7038-5508-9

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

УДК 535.8
ББК 34.964 
        Д33

Издание доступно в электронном виде по адресу 
https://bmstu.press/catalog/item/7011/

Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы»

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Денисов, Д. Г. 
Оптические материалы и технологии : учебно-методическое пособие / 
Д. Г. Денисов, Н. В. Барышников. — Москва : Издательство МГТУ  
им. Н. Э. Баумана, 2020. — 123, [3] c. : ил.

ISBN 978-5-7038-5508-9

Представлены лабораторные работы, которые содержат технологические процессы управления формообразованием плоских оптических поверхностей и интерференционные методы контроля их статистических параметров, методики контроля параметров форм и радиуса кривизны сферических оптических поверхностей,  
а также методики контроля двойного лучепреломления и оптической однородности 
в плоских оптических заготовках из бесцветного стекла. Подробно рассмотрены 
процессы обработки на стадиях шлифования и полирования плоских оптических 
деталей и факторы, влияющие на эффективность формообразования. Приведены 
особенности технологии склеивания поверхностей сферических линз, оптические 
функциональные схемы и реализованные на их основе методики контроля децентричности, возникающей в процессе сборки блока (склейки из двух оптических 
линз).
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплину «Оптические 
материалы и технологии».

УДК 535.8
ББК 34.964

Д33

Предисловие

Современные оптические материалы и технологии нашли широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря уникальным 
свойствам оптических материалов и сред, а также параметрам качества поверхностей технологических изделий. 
Интенсивное развитие станочного оборудования, перспективных методов 
и приборов контроля показателей качества поверхностей оптических изделий 
в оптических технологиях способствует проектированию современного лабораторного практикума и разработки сопровождающего учебно-методического оснащения в рамках учебной дисциплины «Оптические материалы  
и технологии» при реализации практико-ориентированного обучения как 
элемента диагностики качества подготовки будущих специалистов оптической 
отрасли промышленности. 
Цель данного учебно-методического пособия — изучение в рамках учебной 
дисциплины «Оптические материалы и технологии» базовых принципов технологий создания плоских полированных оптических изделий, методов и 
технических средств аттестационного контроля показателей качества их поверхностей и характеристик материалов, а также формирование навыков 
применения данных принципов и методов на практике у студентов, обучающихся по направлениям подготовки 12.04.02 «Оптотехника», 12.04.05 «Лазерная техника и лазерные технологии» и по специальности 12.05.01 «Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения».
После выполнения лабораторных работ студенты приобретут следующие 
компетенции:
– ознакомятся с технологическими и физико-химическими факторами, 
влияющими на величину съема оптического материала в процессе этапов 
формообразования поверхностей оптических деталей;
– приобретут практические навыки технологических процессов формообразования плоских оптических поверхностей с заданными показателями 
качества;
– овладеют технологическими приемами предварительной настройки  
и наладки оптического станка для последующего формообразования оптических поверхностей;
– ознакомятся с особенностями процесса шлифования поверхностей 
оптических деталей — c классификацией абразивных материалов, c инструментами и оснасткой, режимами обработки;
– ознакомятся с особенностями процесса полирования поверхностей 
оптических деталей — c полирующими суспензиями, с видами полировальных 

инструментов, спецификой их изготовления, эксплуатацией и подготовкой 
к работе;
– приобретут практические навыки исследования параметров формы 
поверхностей плоских оптических деталей и измерения радиуса кривизны 
сферических поверхностей интерференционными методами;
– экспериментально изучат основные элементы и узлы лабораторных 
стендов для измерения двойного лучепреломления и оптической однородности;
– приобретут практические навыки технологии склеивания поверхностей 
сферических линз и контроля децентрировки; 
– получат навыки проведения статистической обработки результатов  
и оценки погрешности измерений. 
Учебно-методическое пособие состоит из шести лабораторных работ. 
Первые три лабораторные работы посвящены исследованию процессов 
формообразования и изучению методов контроля поверхностей оптических 
деталей. Лабораторная работа № 1 посвящена изучению принципов формообразования поверхностей оптических деталей шлифованием и полированием, а в лабораторной работе № 3 изучаются как методы контроля параметров 
плоских и сферических форм, так и методика контроля радиуса кривизны 
сферических зеркал. 
Лабораторные работы № 4–№ 6 ориентированы на изучение методов 
определения характеристик материалов и конструктивных параметров оптических деталей. 
Каждая лабораторная работа содержит краткую вводную теоретическую 
часть, описание лабораторной установки (работы с программным обеспечением), задачи проведения исследований, порядок проведения лабораторной 
работы, требования к отчету и контрольные вопросы.
Выполнение данных лабораторных работ позволит закрепить знания, 
полученные на лекционных и семинарских занятиях в рамках учебных модулей дисциплины «Оптические материалы и технологии»:
– «Физико-химические основы производства оптических сред и правила 
конструирования типовых оптических деталей»;
– «Разработка технологических процессов производства типовых оптических деталей»;
– «Технологии производства и методы контроля изделий лазерной, астрономической и космической оптики».

Правила безопасности при работе в лаборатории

Перед началом работы каждого студента на лабораторной установке преподаватель проверяет ее техническое состояние и исправность.
При выполнении лабораторных работ необходимо строго придерживаться следующих правил техники безопасности.
1. Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомиться с заданием и правилами безопасности работ.
2. Не трогать, не включать и не выключать без разрешения руководителя 
занятий рубильники, тумблеры или вилки приборов.
3. Выполнение лабораторных работ следует проводить в соответствии  
с методическими описаниями. Включение и выключение лабораторных 
стендов производить только в указанной последовательности.
4. Немедленно сообщить руководителю о замеченных неисправностях  
и нарушении правил и норм техники безопасности.
ВНИМАНИЕ! Запрещается работать на неисправном оборудовании и 
самостоятельно проводить его ремонт.
5. Не загромождать рабочее место и проходы между столами личными 
вещами.
6. Категорически воспрещается выполнять не порученную преподавателем 
работу. 
7. Во время лабораторных работ нельзя без необходимости ходить по 
лаборатории, так как при этом отвлекается внимание студентов от выполнения работы, оставленная без наблюдения работа может привести к несчастным случаям.
8. Бережно относиться к приборам и лабораторному оборудованию.
9. Запрещается находиться в лаборатории в верхней одежде и приносить ее.
10. По окончании экспериментальной части работы следует доложить об 
этом руководителю и выключить установку с его разрешения.
11. По окончании всех работ необходимо привести в порядок рабочее 
место и поставить в известность об этом руководителя, только после его разрешения можно покинуть лабораторию.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Технологии формообразования плоских оптических поверхностей

1.1. Общие теоретические положения лабораторной работы

Определения технологических процессов  
шлифования и полирования

Цель работы — изучение теоретических основ и освоение практических 
навыков технологии формообразования плоских полированных оптических 

парой «инструмент—заготовка» способом свободной притирки с применением абразивных и полирующих суспензий. 
Технологические процессы шлифовки и полировки поверхностей оптических деталей являются наиболее важными операциями формообразования 
во всем технологическом процессе производства оптической детали и выполняются на шлифовально-полировальных (ШП) или полировально-доводочных (ПД) станках с использованием абразивной и полирующих суспензий различной фракции.
Отличительной особенностью оптических станков, работающих на основе способа свободной притирки, по отношению к металлообрабатывающим 
станкам является силовое замыкание верхнего (инструмент либо деталь) и 
нижнего (деталь либо инструмент) звеньев по их поверхностям с помощью 
суспензий абразивных и полирующих порошков.
Производительность процессов шлифования и полирования определяется многими факторами: механические и химические свойства обрабатываемых 
материалов, глубина рельефного и разрушенного слоя — одни из важнейших. 
Технологический процесс шлифования — физико-химический процесс, 
при котором обрабатываемая поверхность достигает определенных показателей формы, нормируемых на чертежах оптических деталей, согласно  
ГОСТ 2.412–811 в виде параметров: N — предельного отклонения стрелки 
кривизны поверхности детали от стрелки кривизны поверхности пробного 
стекла (измеряется в кольцах или долях колец Ньютона); ∆N  — предельного 
отклонения формы поверхности от формы эталонной поверхности (измеряется в кольцах или долях колец Ньютона); P — класса оптической частоты. 

1 ГОСТ 2.412–81. Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Правила выполнения чертежей и схем оптических изделий.

деталей на оптическом полировально-доводочном станке с кинематической 

Технологический процесс полирования — физико-химический процесс, 
при котором профиль поверхности готового оптического изделия получает 
окончательные показатели качества. Согласно ГОСТ 2789–731, под показателями качества полированного профиля поверхности понимают совокупность его параметров остаточной шероховатости соотнесенных с длиной 
волны оптического контроля λ: высотных (Ra — среднеарифметическое отклонение профиля; Rz — наибольшая высота профиля; Rmax — полная высота профиля и др.), шаговых (S — средний шаг местных выступов профиля; 
Sm — средний шаг неровностей) и структурных (tp — относительная опорная 
длина профиля; p — уровень сечения профиля).
Формируемые параметры и характеристики обрабатываемых исполнительных оптических поверхностей на этапах шлифования и полирования 
представлены на рис. 1.1.

1 ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

Рис. 1.1. Метод свободного притира:
а, б — вид сбоку и сверху на кинематические звенья (1 — ось вращения нижнего звена; 2 — ось 
вращения верхнего звена); в — процессы формообразования параметров и характеристик профиля оптической поверхности, формируемых на стадиях шлифования и полирования в схеме 
работы свободного абразивного зерна 

На рис. 1.1, а, б представлены кинематические звенья (нижнее и верхнее), 
представляющие собой обрабатываемую поверхность и поверхность инструмента, причем верхнее звено может быть расположено на месте нижнего  
в зависимости от конструкции и типа оптического станка. На рис. 1.1, в показано относительное движение пары «стекло — инструмент», которое происходит при некоторой силе нажатия верхнего звена массой 


Q  на нижнее 
звено и силе нажатия поводка 


P  станка, причем зерна перекатываются или 
проскальзывают с некоторой линейной скоростью 


Vотн. Абразивные зерна 
при встрече с выступами сопряженной поверхности парного притирающегося звена получают тангенциальный удар с силой 


R. Сила 


Fн  направлена 
перпендикулярно вектору относительной скорости 


Vотн,  поэтому не может 
производить работу по удалению припуска. Сила 


Fн  обеспечивает контакт 
между инструментом, абразивным зерном и стеклом, вызывает появление 
трещин в стекле и упругих деформаций инструмента. Сила 


Fк,  являясь ударно- 
действующей силой, при удалении слоя припуска стекла направлена по касательной к обрабатываемой поверхности и вызывает изнашивание рабочей 
поверхности инструмента и скалывание вершин поверхностных неровностей, 
характеризуемых определенными показателями качества. Каждый из представленных показателей качества профиля обрабатываемой оптической детали определяется спецификой целого набора технологических факторов. 
Так, непрямолинейность и волнистость, формируемые на этапах шлифования, 
определяются погрешностями и структурой средств обработки (инструментов) 
и несовершенством процесса обработки в методе свободного притира и характеризуются параметрами N, ∆N  и P. Важным параметром обработки 
поверхности заготовки из оптического стекла служит значение относительной 
твердости Hотн, определяемое как отношение объема сошлифованного свободным абразивом стекла марки K8 к объему стекла заданной марки, сошлифованному в тех же условиях. Значение Hотн  служит также технологическим критерием скорости износа стекла при шлифовании.
Наибольшей твердостью обладают ситаллы (стеклокристаллические материалы (название «ситалл» образовано заглавными буквами названия химических соединений, входящих в его состав : SiO2-TiO2-Al2O3-LiO2)) и кварцевые стекла (Hотн  = 1,5...1,9), наименьшей — стекла типа ФК (Hотн  = 0,2) 
и тяжелые флинты (Hотн  = 0,5).
Шероховатость и локальные дефекты на поверхности оптической детали, 
формируемые на этапах полирования, определяются структурой оптического материала заготовки, используемых абразивных суспензий и полиритов, 
материала подложки инструмента, конструкция которого может быть изготовлена на основе смолы, искусственной кожи (фетра) либо полиуретана. 
Шероховатость оптической поверхности характеризуется приведенными 
выше высотными, шаговыми и структурными параметрами профиля.
Формируемый на этапах шлифования и полирования профиль оптической 
поверхности h x
( )  (см. рис. 1.1) представляет собой непериодическую функцию, представленную рядом Фурье: 

h x
a
a
к
T x
b
к
T x
к
к
x
к
x
к
( )
cos
sin
=
+ ∑





 +






∑
=

=

=−∞

∞

=−∞

∞
0
2
2
2
π
π

a
d
к
T x
к
x
к
к
2
2
+
+






∑
=−∞

∞
cos
,
π
φ

 

(1.1)

г д е  d
a
b
к
к
к
=
+
2
2;  φк
к

к

b
a
=
−
arctg
;  к =
∞
1 2
, ,... ;  
к
Tx

 —  ч а с т о т а ;  a 0 = 

 =
∫
2

0
T
x dx
x

Tx
h( )
;  a
T
x
к
T x dx
к

x
x

Tx
=






∫
2
2
0
h( )cos
;
π
 b
T
x
к
T x dx
к

x
x

x
=






∫
2
2
0
h( )sin
.
π

Величина a0

2  выражает среднее значение функции за период Tx  и на
зывается постоянной составляющей. Остальные слагаемые представляют 
собой гармоники с амплитудами aк bк dк
,
,
.

Совокупность амплитуд формируемых параметров и характеристик профиля h x
( )  оптической поверхности называется спектром амплитуд (амплитудно-частотным спектром) поверхностных неоднородностей. Данное представление существующих отклонений профиля оптической поверхности 
позволяет выделить гармоники низких и средних пространственных частот 
(параметры непрямолинейности и волнистости профиля), а также высоких 
пространственных частот (параметры и характеристики шероховатости  
и трещиноватого слоя) при математическом анализе и последующей обработке профилограмм. 
Рассмотрим специфику технологических операций шлифования и полирования поверхностей оптических деталей. 

Шлифование суспензиями абразивных порошков оптических поверхностей 
плоской формы: задача и описание операций, классификация  
и маркировка абразивных материалов, инструменты 

Задачей технологических операций шлифования является дальнейшее 
уточнение формы и размеров заготовки и подготовка поверхности к технологическому этапу полирования. Различают виды шлифования: грубое, 
среднее и тонкое. Каждый из видов определяется типом блокировки (эластичное (при единичном и мелкосерийном типах производства) либо жесткое 
(при массовом и крупносерийном типах производства)) оптической детали 
на наклеечном плане и особенностью обрабатываемых инструментов и материалов.
Природа обработки стекла водными суспензиями зерен абразивных порошков имеет двоякий характер. С точки зрения физики протекающих процессов — это процесс механического разрушения стекла абразивными зернами. Основой процесса является возникновение внутри поверхностного 

1 ГОСТ 3647–80. Материалы шлифовальные. Классификация. Зернистость и 
зерновой состав. Методы контроля.

2 ОСТ 3-3515–85. Инструмент абразивный, алмазный и абразивные материалы.

слоя хрупкого тела трещин, пересекающихся между собой и создающих 
ослабление связей между соседними объемами материала. С точки зрения 
химических реакций — это процесс взаимодействия водных суспензий  
с растворимыми в них частичками абразивного зерна и смазочно-охлаждающих жидкостей с составом химических компонентов материалов и сред 
обрабатываемого стекла. 
На рис. 1.1 приведены процессы формообразования параметров и характеристик профиля оптической поверхности, формируемых на стадиях шлифования и полирования в схеме работы свободного абразивного зерна и 
определяемых, согласно (1.1). Шлифующая суспензия представляет собой 
взвесь порошка абразивных зерен в воде. 
К абразивным материалам относят порошкообразные твердые кристаллические вещества, зерна которых при раскалывании образуют острые режущие грани, способные самозатачиваться при изнашивании. 
Все шлифующие абразивы в зависимости от размера зерна разделены на 
группы, а внутри каждой группы по этому же признаку — на номера зернистости. Содержание абразива каждого номера зернистости составляет несколько фракций: основная, принятая за характеризующую данный номер 
зернистости, и побочные с зернами крупнее и мельче основной. Количественное содержание фракций определяет зерновой состав абразива.
Порошки электрокорунда и других абразивов (кроме алмаза) в зависимости от способа классификации условно делят на два класса. К одному относят продукты, разделяемые на ситах, к другому — разделяемые в восходящем 
потоке жидкости, гидроциклонах, цeнтрифугах. Продукты просеивания делят 
на шлифзерно и шлифпорошки, а продукты классификации в восходящем 
потоке жидкости — на микропорошки и тонкие микропорошки.  
В соответствии с ГОСТ 3647–801 для каждой из этих групп установлены 
номера зернистости (табл. 1.1).
Маркировка абразивов, относящихся к шлифзерну и шлифпорошку, соответствует размеру (в сотых долях миллиметра) ячейки тогo сита, на котором 
задерживаются зерна основной фракции абразива данного номера зернистости. Маркировка микропорошков и тонких микропорошков обозначает 
размер (в микрометрах) наибольшего зерна основной фракции. 
В лабораторной работе в качестве шлифовальных порошков применяется электрокорунд (кристаллический оксид алюминия Al2O3) с различной 
зернистостью, разбавленный водным раствором (рис. 1.2).
Для шлифования свободным абразивом плоских оптических поверхностей 
используют плоские планшайбы четырех типов ОСТ 3-3515–852 (рис. 1.3, а–г) 
в зависимости от диаметра и конструкции хвостовика, устанавливаемого на 
шпиндель станка с метрической резьбой M14, M20 M27 и M35 (рис. 1.3, д).