帶你了解一下光學玻璃非球面透鏡玻璃鏡片加工

帶你了解一下光學玻璃非球面透鏡玻璃鏡片加工

成都中宇光電科技發展有限公司(http://zhongyuguangdian.com/)非球面透鏡生產工廠

一、成型方法

玻璃之所以能夠精密模壓成型，主要是因為開發了與軟化的玻璃不發生粘連的模具材料。

原來的玻璃透鏡模壓成型法，是將熔融狀態的光學玻璃毛坯倒入高于玻璃轉化點50℃以上的低溫模具中加壓成形。這種方法不僅容易發生玻璃粘連在模具的模面上，而且產品還容易產生氣孔和冷模痕跡（皺{TodayHot}紋），不易獲得理想的形狀和面形精度。后來，采用特殊材料精密加工成的壓型模具，在無氧化氣氛的環境中，將玻璃和模具一起加熱升溫至玻璃的軟化點附近，在玻璃和模具大致處于相同溫度條件下，利用模具對玻璃施壓。接下來，在保持所施壓力的狀態下，一邊冷卻模具，使其溫度降至玻璃的轉化點以下（玻璃的軟化點時的玻璃粘度約為107。6泊，玻璃的轉化點時的玻璃粘度約為1013。4泊）。這種將玻璃與模具一起實施等溫加壓的辦法叫等溫加壓法，是一種比較容易獲得高精度，即容易精密地將模具形狀表面復制下來的方法。這種玻璃光學零件的制造方法缺點是：加熱升溫、冷卻降溫都需要很長的時間，因此生產速度很慢。

 

 

 

為了解決這個問題，于是對此方法進行了卓有成效的改進，即在一個模壓裝置中使用數個模具，以提高生產效率。然而非球面模具的造價很高，采用多個模具勢必造成成本過高。針對這種情況，進一步研究開發出與原來的透鏡毛坯成型條件比較相近一點的非等溫加壓法，借以提高每一個模具的生產速度和模具的使用壽命。另外，還有人正在研究開發把由熔融爐中流出來的玻璃直接精密成型的方法。

 

 

二、玻璃的種類和毛坯

 

 

玻璃毛坯與模壓成型品的質量有直接的關系。按道理，大部分的光學玻璃都可用來模壓成成型品。但是，軟化點高的玻璃，由于成型溫度高，與模具稍微有些反應，致使模具的使用壽命很短。所以，從模具材料容易選擇、模具的使用壽命能夠延長的觀點出發，應開發適合低溫（600℃左右）條件下模壓成型的玻璃。然而，開發的適合低溫模壓成型的玻璃必需符合能夠廉價地制造毛坯和不含有污染環境的物質（如PbO、As2O3）的要求。對模壓成型使用的玻璃毛坯是有要求的：

 

 

① 壓型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清潔；

 

 

②呈適當的幾何形狀；

 

 

③有所需要的容量。毛坯一般都選用球形、圓餅形或球面形狀，采用冷研磨成型或熱壓成型。

 

 

隨著光電通訊、光學、汽車、生物工程、航空航天技術、電子及軍用武器裝備的迅速發展，光學玻璃應用日趨廣泛。非球面玻璃透鏡因為能夠有效減小影像畸變、彗星像差，改善成像質量，提高系統鑒別能力，并簡化儀器結構等^[1]而成為備受重視。與塑膠鏡片相比，玻璃鏡片具有較高折射率、低吸收率、寬的光穿透頻譜范圍、高抗變形性、高抗高溫性、高抗濕性、硬度高等特性。因此，非球面玻璃透鏡成為光學領域的研究重點。

 

 

傳統非球面玻璃透鏡的冷加工以磨拋為主，經過粗磨、精磨、拋光、磨邊等十幾道工序加工而成，制造周期長，加工精度不穩定。其生產效率和工藝穩定性無法滿足迅速發展的行業需求。近年發展起來一種新型的光學玻璃模壓成形技術，就是在一定溫度、壓力下，用具有預定產品形狀的高精度模具模壓玻璃預制件，從而獲得具有最終產品形狀和光學功能的玻璃透鏡^[2]，該技術開創了大批量、高效率制造非球面透鏡玻璃的新時代，并能減少原材料消耗，降低人力和物力成本，減少環境污染。目前模壓成形常用于100 mm 口徑以下的非球面光學玻璃的制造。

 

 

使用玻璃模壓成形法制造光學玻璃有如下優點^[3]：①不需要傳統加工的十幾道工序，就能達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；②能夠節省大量的人力與物力，一個小型車間就可具備較高的生產力；③容易經濟地實現精密非球面光學零件的大批量生產；④精確地控制模壓成形過程中工藝參數，可保證模壓成形光學零件的精度；⑤可以模壓小型非球面透鏡陣列；⑥光學零件和安裝基準件可以制成一個整體。

 

 

三、模具材料與模具加工

 

 

模具材料需要具備如下特征：

 

 

① 表面無疵病，能夠研磨成無氣孔、光滑的光學鏡面；

 

 

② 在高溫環境條件下具有很高的耐氧化性能，而且結構等不發生變化，表面質量穩定，面形精度和光潔度保持不變；

 

 

③ 不與玻璃起反應、發生粘連現象，脫模性能好；

 

 

④在高溫條件下具有很高的硬度和強度等。

 

 

現在已有不少有關開發模具材料的專利，最有代表性的模具材料是：以超硬合金做基體，表面鍍有貴金屬合金和氮化鈦等薄膜；以碳化硅和超硬合金做基體，表面鍍有硬質碳、金剛石狀碳等碳系薄膜；以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。

 

 

1.4 低熔點及環保的發展趨勢

 

 

軟化點高的玻璃，成形溫度高，在高溫條件下可能與模芯發生反應，容易導致模芯的使用壽命變短。從能夠延長模芯使用壽命的觀點出發，應開發適合低溫(600 ℃左右)條件下模壓成形的玻璃^[8]。近年來，低熔點磷酸鹽玻璃逐漸被開發出來。日本和美國在低熔點玻璃的研究起步較早，技術水平較先進。美國的康寧、日本的豪雅、小原和住田、德國的肖特等對低熔點玻璃材料進行了大量研究，并已開發出多種類型的成熟產品。

 

 

另外，隨著世界性環保呼聲的日益高漲，各國紛紛建立了自己的環境保護法，傳統火石類光學玻璃及其制品因含鉛、鎘等有害環境的重金屬元素，其應用受到了限制。因此，開發的適合低溫模壓成形的玻璃必需符合能夠廉價地制造毛坯和不含有污染環境的物質(如PbO、As₂O₃)的要求。

 

 

1.5 超精密模壓用預形體的選擇

 

 

合適形狀的玻璃預形體與模壓成形品的質量有直接的關系^[9]。一般依據目標非球面透鏡的形狀、大小、玻璃種類、模芯材質及形狀精度的要求來綜合考慮選擇。圖3為住田的一些玻璃預形體。玻璃預形體的制造工藝大致可分為2類：①由玻璃熔爐直接供給玻璃毛坯(gob)的方法；②去除加工制作預形體的方法。在進行超精密玻璃模壓成形時，一般先將玻璃坯料加工成特定形狀的預形體，且形狀精度小于0.1 μm。同時預形體的重量誤差需控制在0.5%以內，以確保成品的厚度及光學特性。對模壓成形使用的玻璃毛坯的要求是：① 壓型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清潔；② 適當的幾何形狀；③ 有所需要的體積容量或重

 

 

玻璃透鏡壓型用的模具材料，一般都是硬脆材料，要想把這些模具材料精密加工成模具，必需使用高剛性的、分辨率能達到0.01μm以下的高分辨率超精密計算機數字控制加工機床，用金剛石磨輪進行磨削加

 

 

隨著溫度的改變，玻璃的性質也相應改變。例如比容、焓和熵等是按Ⅰ型變化的，先遞增然后遞減；另一些性質，例如熱容、熱膨脹系數、壓縮系數等是按Ⅱ型變化的，在轉變溫度附近，變化大大提速。III型則是如導熱系數和彈性系數等機械性質隨溫度遞增而遞增變化的曲線^[4]。

 

 

1.2 光學玻璃的主要構成成分

 

 

用于模壓成形的光學玻璃材料組成可分玻璃形成劑，中間劑與網狀修飾劑等^[5]。

 

 

玻璃形成劑約占40~50%，為玻璃網狀結構的主要架構，大多是IIIA與IVA族的氧化物。中間劑用來增加玻璃的耐蝕性，主要有Al₂O₃、TiO₂和ZrO₂等。網狀修飾劑的應用目的是為了降低玻璃之黏滯性，使玻璃的網狀結構遭受局部破壞，降低粘度，有助于更容易實現模壓成形。網狀修飾劑的主要材料有兩大類：一類為IA族的氧化物，例如Li₂O、Na₂O和K₂O₃等組成，約占20~30%，可大幅度降低玻璃的軟化溫度；另一類為IIA族的氧化物，如CaO、BaO、ZnO及SrO等組成，約占0~30%，除了可降低軟化溫度，還可增加耐蝕性。

 

 

因此，根據光學玻璃的設計要求，在分析現有設備、工藝流程和模芯材料的基礎上，選擇合適的玻璃成分組成，尤其選擇合適的網狀修飾劑來降低粘度和軟化溫度，是整個玻璃模壓成形技術首先要考慮的問題。

 

 

工。磨削加工可獲得所期盼的形狀精度，但然后還需再稍加拋光精加工成光學鏡面才行。在進行高精度的非球面加工中，非球面面形的測試與評價技術是非常重要的。對微型透鏡壓型用模的加工，要求更加嚴格，必需進一步提高精度和減輕磨削的痕跡。