光学玻璃的均匀性

0. 简介SCHOTT提供的加工过的光学玻璃，其均匀性可高达H5级。可实现的均匀性主要取决于玻璃型号和尺寸。大多数交付的光学玻璃的均匀性能达到H2级或更好。NBK7就是一种高均匀性的玻璃，可进行大量生产，尺寸大于300mm，均匀性为H2甚至更好。NBK7的尺寸如果小于150mm，大批量提供的产品甚至可以达到H5级。1.均匀性定义光学玻璃最重要的性质之一就是材料折射率的空间均匀性极好。一般而言，人们能够从玻璃均匀性中区分材质折射率的整体或大范围均匀性以及小范围的偏离。条纹就是玻璃均匀性在空间上小范围的变化。小范围变化的范围大约是

2、0.1mm到2mm（条纹的更多信息见Tie25）。但是，折射率空间上大范围的整体均匀性则覆盖了整块玻璃。2.整体非均匀性的产生整体非均匀性的产生有3个原因：l 熔炼工艺：光学玻璃采用连续熔炼工艺生产。熔炼过程中化学组分的梯度会导致折射率的非均匀性。梯度产生的原因是特殊组分的表面挥发和/或者与模具材料接触的部分熔化物发生了反应。由于连续熔炼和浇铸过程中的工艺控制，观察到的折射率只是一个时间函数。在不同时间从浇铸中得到的那些具有最高均匀性的玻璃，其折射率在时间上几乎不变。l 由于热均衡导致的密度变化：密度变化取决于玻璃的热历史。在较高温度，实现均衡密度所用的时间小于较低的温度。在转变温度Tg附近，

3、不同温度实现的均衡密度是不同的。接近Tg温度时，不受控制的玻璃冷却将产生折射率的空间不均匀性。在光学玻璃生产中，连续的精密退火避免了这种不均匀性。为了避免热梯度，玻璃应从稍高于Tg温度的地方开始缓慢冷却。为了获得高均匀性，大尺寸光学玻璃的精密退火是一个非常花费时间的过程。l 在冷却过程中由于温度梯度导致的永久性应力。3.均匀性的级别随着对折射率均匀性要求的不断增长，根据ISO标准10110第4部分5节，玻璃的折射率均匀性可分为5级。单个部件的SCHOTT均匀性级别H1-H5包含在ISO的级别1到5中。SCHOTT使用ISO标准中的0级和1级来描述变化公差。变化公差是从一片到另一片的折射率变化。

4、表1给出了均匀性级别的概要性描述。ISO10110第4部分均匀性级别最大折射率变化SCHOTT均匀性级别实用范围0± 50*10-6S0变化公差，单个切割玻璃的均匀性总是更好1± 20*10-6S1变化公差，用于单个切割玻璃± 20*10-6H1用于单个切割玻璃2± 5*10-6H2用于单个切割玻璃3± 2*10-6H3用于单个切割玻璃，但不适用所有尺寸4± 1*10-6H4用于单个切割玻璃，但不适用所有尺寸，取决于玻璃型号5± 0,5*10-6H5用于单个切割玻璃，但不适用所有尺寸，取决于玻璃型号表1：均匀性级别根据下列公

5、司，光学元件内部的折射率差异会导致通过玻璃块的波阵面的变形：Ds = d × DnDs是波阵面偏移，d是玻璃厚度，Dn是玻璃内最大和最小折射率的变化。例如，一个平面波通过厚度为50mm的H2级平面玻璃时，最大变形为50 mm*10*10-6= 500 nm。同样厚度的H5级玻璃产生的最大波阵面变形是50nm。4.测试方法有两种方法可以测量光学玻璃的非均匀性：l 积分法，采用干涉测量法测积分，最好是相位测量干涉测量法。由于可以直接测量进入的波阵面的变形，这是最优选的方法。均匀性可以通过对玻璃样品内的光路积分进行评估。因此，不能探测光束方向上折射率的线性梯度。为了减少玻璃样品的表面不规则

6、性，玻璃样品放置于板（plate）上的两个夹层油（sandwich oil）之间，板接触浸入油（immersion oil），或者样品在不同的方向上进行抛光和测量，以避免表面影响。这两种方法SCHOTT都在使用。l 统计法。从待检测的玻璃板中切割几个分散的样品。使用双缝干涉计检测这些样品的折射率差异。SCHOTT也使用这种方法，其解释见6。5. Direct100型Fizeau干涉仪美因茨的SCHOTT使用蔡司的Direct100型Fizeau干涉仪测量均匀性，最大孔径为508mm（20英寸）。采用不同的干涉仪可能实现600mm的测量孔径，精确度小一点。Direct100型的装备图解总貌见图1

7、。该装备包括一个He-Ne激光源和一个大型准直仪，它把激光束转化为全孔径。这种校准过的平行的光束通过一个部分反射的Fizeau板。部分光线被Fizeau板反射。余下的光线进入腔体，并首次通过样品。通过样品之后，在光线干涉来自记录干扰带的CCD阵列上的Fizeau板的反射光之前，光线被一个平面镜反射，第二次通过样品、Fizeau板和准直仪。Fizeau板和自准直仪镜由ZERODUR制造。干涉仪使用卡尔蔡司1的直接测量干涉测量法。这种方法能够提供干涉图，并实时计算来自干涉带的波阵面。单个干涉图的数据可以在2兆秒（ms）内得到。整个波阵面数据集在40兆秒（ms）后得到。因此，它可能在3分钟之内平均4

8、000个波阵面数据集。腔体样品镜面Fizeau板校准系统激光图1：干涉仪装备图示玻璃的折射率差异依赖于热光效应的温度。因此，玻璃内部的温度梯度影响测试精度。特殊测试必须降低样品内的温度差异。干涉仪室应有空调。干涉仪腔体被一个特殊的箱子（见图2）把它从干涉仪室分开。该箱子的温度稳定性是±0,05°C，箱子周围的温度稳定性是±0,25°C。使用特殊的运输系统把准备好的样品移进干涉仪腔体内。图2：左：没有腔体的DIRECT100；右：从外部看的内空调室6.均匀性测试方法在均匀性测试中，必须避免样品表面的影响。SCHOTT有两种测试均匀性的方法：“油在板上的夹层

9、法”和“样品抛光法”。图3：油在板上测量法的装备图在“油在板上的夹层测量法”中，样品放置在两块玻璃板之间（图3中的s1和s2）。这些玻璃板具有精确的抛光表面。玻璃板使用浸入油（O）与样品相连，浸入油与样品的折射率一致。使用这种方法，样品（G）进行测量不需要抛光。仅仅要求重叠表面的平直度为3m。这种测量中，开始只单独测量没有样品（W1）的油在板上的夹层，减去有样品（W2）的油在板上的夹层的测量值。结果就是样品的均匀性图。浸入油非常精确的匹配样品折射率（Dn小于1×10-4），对这种方法的精度非常重要。为了测量光学玻璃的多样性，使用两种不同折射率的浸入油混合物。折射率从1.473到1.6

10、51的光学玻璃，可以使用“油在板上夹层法”进行测量。F：Fizeau板A：参考镜G：有楔形的玻璃片d：厚度图4：抛光样品测量法对于那些不能使用“油在板上夹层法”测量的光学玻璃，必须使用“抛光样品”法3。这种方法中，样品必须两面抛光，获得合适的光学质量。另外，在前表面和后表面之间，应有一些角度很小的楔形。均匀性测量包括按顺序进行4个独立的测量（见图4）。首先，有必要测量空腔。然后，对样品进行3次测量。样品从背面进行传输和反射测量，从前表面进行发射测量。这4个测量按顺序联合在一起，能评估均匀性分布。与“油在板上夹层法”相比，“抛光样品法”需要花费更多的时间和努力。7.测量精度如前所述，光学玻璃的均

11、匀性使用干涉测量技术通过评估波阵面的偏移进行测量。因此，干涉仪的测量精度给定nm波阵面偏移（波峰到波谷）。干涉仪的精度能够通过空腔的重复测量进行评估。重复性存在的范围是3-4nm波峰到波谷，这就是所谓的干涉仪的“噪音”。波阵面测量的整体精度受温度均匀性、浸入油液体的匹配精度以及操作（油在板上测量法的配置，以及抛光法的样品准备）的影响。油在板上测量法的标准偏移范围是-10nm波阵面偏移（波峰到波谷）。-10nm波阵面精度的现实意义是，测量均匀性级别H5(± 5*10-7)时，样品需要至少10-20mm的厚度。测量的灵敏性随着样品厚度的增加而增加。8.检测证书和测量结果的解释每测量一次均

12、匀性，客户均可得到一个均匀性检测证书。使用DIRECT100进行的测量，检测证书包括一个被测样品的均匀性图。这种彩色的编码均匀性图显示了在测量孔径内的折射率差异。不同的颜色显示不同的折射率值。因此，颜色变化显示折射率变化，换句话说：非均匀性。在这种均匀性图中，均匀性作为波峰到波谷的差异给出。图5显示了典型的均匀性分布色图和在色图中沿箭头方向的1D“高度”剖面图。图5：2D均匀性色图和沿箭头方向的1D剖面图波阵面变形的形状（因此也是均匀性分布）能够被数学描述为一个独立像差条件集合的多项式函数。这些条件包括下列系数，焦点的数量，散光，以及波阵面内部的慧差和球面像差。预先从波阵面中减去活塞和倾斜误差

13、（piston and tilt deviations）。SCHOTT使用Zernike多项式膨胀2进行波阵面分解。一个给定的波阵面的Zernike多项式膨胀仅仅在波阵面显示圆形孔径的时候才有效。在一定的运用中，知道Zernike系数非常重要，以便在光学配置元件中模拟波阵面变形，因此SCHOTT的圆形孔径均匀性测试证书包括Zernike系数的信息。图6显示了具有合适的主要像差的1D均匀性分布。图的右边显示了3D均匀性分布。图6：Zernike多项式膨胀的例子对光学玻璃的大多数运用来说，能够在透镜设计中通过调整透镜的距离进行再聚焦来补偿聚焦条件。在大多数情况下，从整个波阵面中减去聚焦条件后从波峰

14、到波谷的均匀性远远低于初始值（见图7）。图7：有聚焦像差和没有聚焦像差的N-BK7板9.材料选择/建议从熔炼活动中选择均匀性材料有几种标准。在熔炼过程中与时间相对应的折射率图用来评估生产的玻璃是否具有较高的均匀性。如果折射率在时间上保持稳定，是获得的最好结果，这意味高着高均匀性玻璃应来自那些折射率图的斜率接近0的区域。选择高均匀性玻璃的另一个标准是条纹检测。作为一个原则，具有非常好的整体均匀性的玻璃没有条纹。图8a显示了没有条纹的N-BAK1玻璃块的均匀性测试，图8b显示了来自同一熔炉的带条纹的N-BAK1玻璃块的均匀性测试。没有条纹的玻璃块的均匀性比有条纹的好2倍。DIRECT100型干涉仪

15、的空间解决能力太小不能使条纹本身可见。图8：条纹的含量作为均匀性玻璃的选择标准不管玻璃是圆形或块状，大多数均匀性分布显示为旋转对称。因此，如果通过切割和打磨来降低大直径玻璃的直径，其均匀性增加。图9显示了圆形NBK7部件的均匀性和直径函数。在直径为260mm时，均匀性为H2，250mm时H3，210mm时H4，170mm时H5。总之，可以观察到均匀性随着直径的减少而增加。图9：均匀性与直径函数在玻璃盘边缘附近会发现最大的均匀性差异。朝模具壁方向均匀性降低的原因可以在浇铸工艺中找到。浇铸中的玻璃流形成特殊的对流方式。坩埚的填充方式是从底部到顶部，从中心到外部。填充坩埚所需的时间内，折射率的轻微变

16、化会对后来的折射率分布产生影响。这种现象尤其对大块的生产产生影响。耐火材料墙壁材料的额外反应能够损害外部玻璃的均匀性。图10显示了直径为840mm 的NBK7盘的均匀性测量结果。在464mm的孔径内，获得的均匀性级别是H4。图10.直径为840mm的NBK7盘的均匀性浇铸时间内熔融玻璃折射率的轻微变化对均匀性测量的影响，在边/边方向上比在顶部/底部方向上的大。图11显示了NBK7玻璃块在顶部/底部和边/边方向上的均匀性分布。在边/边方向上的均匀性小于顶部/底部方向上的均匀性。这一点对选择高质量的棱镜运用材料非常重要。图11：均匀性与视角方向有关获得的均匀性也与玻璃型号和生产工艺关系密切。能生产的具有良好光学均匀性的最普通的大直径高产量的光学玻璃是NBK7。图12显示了280次NBK7均匀性测量的频率分布图，这些玻璃直径不同，没有采取得到高均匀性的特殊措施。可以看到直径范围在300mm内，所有测量的玻璃块有接近