玻璃非球面透镜模造制程技术的主要原理

玻璃非球面透镜模造制程技术的主要原理

广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂

          玻璃模造制程技术的主要原理，是利用玻璃随温度升高粘滞度降低的特性，将已初形成的玻璃预形体置于精密加工成型的模具内，在适当的环境气氛下，升温至介于玻璃转换温度即Tg点到软化点Ts之间，藉由模仁表面施压使玻璃变形，转造模仁形状，冷却后去除应力，分模，取出成品。

        传统的研磨方式不易制作出非球面透镜，成本也奇高，玻璃模造技术制作非球面透镜，工艺简单，成本相对较低，可实现大批量生产。
以Toshiba公司的玻璃模造机来说明，玻璃模造制作流程：
         在做玻璃模造制成的时候，我们先将预形体放在上模仁和下模仁之间，这一步骤可以人工完成也可以机械手完成，从目前行业来看大多都是有专门的机械手来完成。利用私服马达，推动上下模仁，挤压预形体成为我们需要的镜片形状。它的加热方式为红外辐射加热，室内充满氮气，使氧含量低于5ppm浓度，避免玻璃和模仁与空气中的氧气发生反应。压力传感器可读取施压大小，工程师可据此来调节模造的压力大小，模造的温度以及时间，以期达到光学品质的镜片。

          对一个典型的非球面透镜，光学设计者会标示出镜片的尺寸大小，折射率，表面粗糙度，形状精度，在非球面的这一面，会标出非球面系数，也就是构成非球面曲度的系数。根据这些信息，选择适合模造的玻璃牌号。一般而言，适合运用模造的玻璃在600摄氏度左右，光学设计者会以Tg点匹配折射率，作为模造玻璃的选择依据。
             模造玻璃选好后关键的一部就是要制作预形体，计算好非球面透镜的体积，也就是说要根据成品玻璃透镜的体积来设计玻璃预形体。
预形体大致分为3种：第一种为球预形体，主要用于制造小尺寸高精度镜片，因为重量和形状的关系，球型预形体置入模仁后能够自行定位，缺点就是研磨成本高价格贵。第二种为碁子状预形体，它的成本低廉，但是在模仁定位上要特别注意，否则出现压造不均匀出现，碁子预形体适合做中小尺寸镜片。最后一种是球面镜片，它的形状已经接近成品，因此成型距离小，然而研磨抛光成本高，适合做中大尺寸镜片。
球状预形体的制造
           玻璃出厂都是板材的形式，先将玻璃切割成条状，再切割成方块状，最后去角磨圆，做成预形体粗胚，再通过铸铁盘研磨，最后用钻石磨盘精磨细磨的工序，才能达到预形体的形体精度和表面光洁度。
因为玻璃模造在高温下进行，因此模仁和硬膜的选择非常重要。首先是离形性，就是模仁在高温下不能跟玻璃反应，其二模仁需要足够的硬度和机械强度，材质过软在模造的过程中容易被玻璃划伤，模仁硬度通常要求在HRA90以上，其三就是高温稳定性，为了不让模仁跟空气中的氧气发生反应，模造的过程中腔体内充入大量的氮气，因此良好的模仁不能跟氮气反应，其四就是耐热冲击性，模仁在使用过程中要经过几千次的升温到600摄氏度又降到室温的操作，耐热冲击不好的话，就会脆化裂化，模仁寿命会很低，最后就是可加工性，模仁能够用钻石磨轮或者车刀加工，且能够达到光学表面等级要求。目前模仁通常采用碳化钨WC，碳化钨为超硬合金的一种。经过研究发现碳化钨在400-600摄氏度时上述条件都有很好的表现，是最适合做模仁的材料。

超精密加工技术：
           非球面镜片有其系数，对应的在制作模仁时也需要换算模仁的非球面系数，这样转造的非球面镜片才能达到光学设计要求的形状精度。用于超精密模仁的加工机，以钻石轮磨的方式加工模仁，在有效径15mm内，面精度Pv值可以达到0.1842μm，表面光洁度达到4.9nm,这样的精度达到了制造精密光学非球面透镜的要求。
硬膜披覆
            除了碳化钨模仁本身，会在模仁表面披覆一层或多层硬质保护膜，简称硬膜。硬膜的主要作用是保护模仁免于高温氧化和高温腐蚀，也能防护玻璃与模仁的黏连。目前通常的做法是用磁控溅射的方式在模仁表面镀一层氮化钛或类金刚石模（DLC）。