光学镜片模技术

光学镜片模造技术 ➢ 前言： ➢ 1:传统玻璃光学镜片： ➢ 2:非球面镜片： ➢ 3:玻璃材质非球面镜片： ➢ 4:玻璃镜片制作方法与制程数比： ➢ 5:模造加工方式： ➢ 6:模造加工设备： ➢ 7:模造用玻璃特性与玻璃粗胚： ➢ 结语： 光学镜片模造技术～前言光学镜片模造技术～前言 所谓玻璃镜片模造加工法是先将玻璃素材加热软化，之后 利用具有高精密表面的成型模具加压转写制成非球面形状。 根本上模 造加工法属于热作加工技术，模造非球面镜片要求0.1～0.2mm 以下 的形状精度，而且模造加工法是由许多关键技术构成。 1:1:传统玻璃光学镜片传统玻璃光学镜片 传统玻璃光学镜片通常是利用高温将玻璃素材溶化作成镜片粗 胚，之后经过研削、研 磨制成球面状镜片。 2:2:非球面镜片非球面镜片 在光学领域中非球面镜片具有消除收差、可简化系统镜片数量， 高性能，可小型化等优点， 不过非球面镜片不易利用研削、研磨加工 刊式大量制作，尤其是属于冷作技术的研削加工， 理论上几乎无法获 得高精度非球面状镜片。 3:3:玻璃材质非球面镜片玻璃材质非球面镜片 虽然塑料射出戌形法可以大量制作树脂材质非球面镜片，不过玻璃的高折射 率、低复折射率、低色收差、耐高温、高稳定性等物理特性远比树脂镜片优秀， 因此玻璃材质非球面镜片一直被视为高附加价值光学组件。 82 年美国柯达首度将非球面模造光学镜片应用于传统相机，从此玻璃材质 非球面镜片正式进入消费性领域。 4:4:玻璃镜片制作发方法与制程数比玻璃镜片制作发方法与制程数比( (图一图一) ) (下图)是传统球面玻璃镜片的制作过程，相较之下 80 年代发展的模造玻璃 加工法可简化其中大约十个制程，换言之， 模造加上技术除了可改善作业环境之 外，更可迅速获得大量的玻璃材质!非球面镜片达到量产经济效益。 如下将要深入探讨模造加工法的精密成形设备、制程、玻璃特性、模具 材料、模具加工、成形技术以及成形实例。 5:5: 模造加工方法模造加工方法: : 模造法可分为直接压缩方式(dircct prcss)与预热压缩方式(re-hcat press)两种， 直接压缩方式将黏度为 Pa 从导管流出的溶融状玻璃，流入温度比玻璃转移点低 的精密金属模具内压缩成形:预热压缩方式是将黏度为 Pa，表面涂有脱模剂的玻 璃粗胚预先加热，之后放置于精密金属模具内压缩成形。 6:6:模造加工设备模造加工设备 (图二)是日本东芝机械 93 年开发的玻璃镜片模造机的结构，该成形机具有以 下特征: ■ 利用红外线灯管加热，模具整体加热均匀，且.温度维持性稳定。 ■ .高达 I u m 以上之 NC 控制模具定位精度。 ■ .可作 10N 高精度精度压缩力控制。 ■ .可作精密加热、冷却控制。 6-1:如图所示机台上 方是被石英筒包覆的 成形室， 外侧周围是由 红外线灯管加热器所 构成的加热部与模具 驱动部: 上、下模设于 成形室内，下模利用 NC 控制上下脱、合模 动作， 设于下力模具驱 动轴之测重器(load cell)，可检测负载测并 将数据回馈(feed back)NC 控制器调整 成形压缩力。 成形室内 填充氮气防止模具氧 化， 此外成形后的成品 与模具也是使用经过 精密流量控制的氮气 冷却。 6-2:6-2: 成形温度」与「玻璃物性」成形温度」与「玻璃物性」 成形条件取决于「成形温度」与「玻璃物性」两关键要素。有关成形温 度传统方法是依照变形能量与冷却收缩量决定设定值，不过东芝机械的模造 机具有模贝精密定位与可设定压缩力等功能，所以 可制作高精度成品。 (图三)是玻璃的温度与热膨胀量的依存特性曲线， 理论上低于转移点 Tg 温度的玻璃会受到破坏无法成形， 屈服点 At 以上， 软化点 Sp 附近的玻璃变形能量很大， 虽然这种特性的玻璃较易成形， 不过随 着温度逐渐冷却，成品的收缩量变得非常大，进而产生所谓的裂纹现象，导 致成品形状精度大幅下跌。 6-3:6-3: 为弥补冷却时为弥补冷却时玻璃的收 缩量，东芝机械研发如(图四)所 示二段 式成形法， 它的动作原理是在转 移点 Tg 温度附近，再次施加压 缩减缓裂纹的发生， 6-4:(图五)是利用二段式成形法制成的模造玻璃镜片外观，由图可以清楚区 分改善后的成品形状精度。 6-5(6-5(图图六)是美国柯达开发的直接压缩成形模造机外观， 基本上它 6-6(6-6(图七图七) )是直接压缩成形的特性曲线图是直接压缩成形的特性曲线图 是将软化点 Pa 附近软化 玻璃压入模 具内，持续加 温使玻璃与 成形模具温 度相同，之后 加压一直到 成品温度降 至玻璃转移 点以下为止， 才取出镜片 成品。 6-7(6-7(下图下图) )是旋转式模造法的模具构造是旋转式模造法的模具构造，为了符合高精度肉厚、外径、偏心度 等要求， 因此加压后至成品冷却前， 上模会随着玻璃的收缩量微调相对位置， 如此便可获得极高的面精度。 7-17-1 模造用玻璃特性与玻璃粗胚模造用玻璃特性与玻璃粗胚 玻璃镜片模造成形加工时，为了防止模具氧化。通常是在非氧化环境 下作业。 此外基于增加模具材料的选择空间与使用寿命，以及降低模造成形温 度等考虑，因此相关业者陆续开发模造成形用玻璃与玻璃粗胚。 7-2:例如东芝机械就提供下列四种标准玻璃粗胚供客户选择 ( 1 )球形粗胚(滴下法制成)。 (2)光面球形粗胚(高精度之尺寸与重量)。 (3)平板、圆柱形粗胚(已裁切、研磨加工过)。 (4)半成品粗胚(球面镜片欲加工成球状或是板状非球面镜时用)。 7-3(下图)是上述第(1 )项球形玻璃粗胚的成形方法， 如图所示从导管 向下方流出的熔融状玻璃， 被高压气流托住形成无表面瑕疵的球形玻璃粗胚。 除此之外还可利用热作技术，直接将熔融状玻璃制成玻璃粗胚，但是不论使 用何种方式，玻璃粗胚的制作必需满足低成本的基本要求。 7-4 典型的低软化点玻璃可分为氟磷酸盐系玻璃与铅系玻璃两种，前 者不易作玻璃粗胚加工;后者含有铅成份加工时会污染环境。随着模造玻璃软 化点逐年降低，低软化点玻璃粗胚对化学的耐久性也逐年下降，而热膨涨系 数却越来越大，使得模造成形时成品面临容易破裂等困扰。 (上图)是日本 HOYA开发的模造成形用「中软化点玻璃」的特性。 结语结语: : 模造成形时，由于玻璃的熔着与铅的析出， 造成材质为碳化硅 之模贝表面产生网点状凹痕伤害。模造成形用光学玻璃特性包含 转移点、屈服点、软化点。使用高转移点玻璃模造成形时必需加 高模具温度，相对的模具使用寿命会大幅降低，模具无法维持高 表面精度，最后造成模具维修次数暴增，制作成本急遽上升等梦 魇，因此模造成形用光学玻璃的转移点通常不可超过。 凸凹镜片比两凹、两凸镜片更不易获得面精度， 因 此模造加工时压缩成形条件的设定与最佳化成为关键性技术。 利用有限元素分析法， 配合长期累积的经实作经验 与基础资料，可作更科学化演算(algorithm)的分析。