光学镜片模造技术

1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：2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: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: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: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。382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:玻璃镜片制作发方法与制程数比(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4材料、模具加工、成形技术以及成形实例。5:模造加工方法:模造法可分为直接压缩方式(dircctprcss)与预热压缩方式(re-hcatpress)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: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Ium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(loadcell)，可检测负载测并将数据回馈(feedback)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5冷却。6-2: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。66-3: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。76-5(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。6-6(图七)是直接压缩成形的特性曲线图86-7(下图)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。7-1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)。97-3(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。10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。