光学玻璃透镜模压成型技术
光学玻璃阵列透镜微纳热压成型工艺[发明专利]
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910309977.4(22)申请日 2019.04.17(71)申请人 中国兵器工业第五九研究所地址 400039 重庆市九龙坡区石桥铺渝州路33号申请人 深圳大学 辽宁科技大学(72)发明人 陈强 龚峰 解志文 李康森 黄新放 万元元 (74)专利代理机构 重庆弘旭专利代理有限责任公司 50209代理人 韩绍兴(51)Int.Cl.C03B 23/03(2006.01)C23C 14/35(2006.01)C23C 14/06(2006.01)(54)发明名称光学玻璃阵列透镜微纳热压成型工艺(57)摘要本发明提供了光学玻璃阵列透镜微纳热压成型工艺，步骤包括：采用微细电火花加工工艺制备微孔阵列模具，所述微孔匹配于光学玻璃阵列透镜，所述模具采用具有导电性能、符合强度、温度要求的硬质金属材料；采用磁控溅射技术在微孔阵列模具表面制备纳米氮化物基梯度复合涂层；预制玻璃坯料并置于微孔阵列模具表面，加热玻璃坯料，采用玻璃模压机在真空条件下热压坯料，在氮气氛围中冷却后脱模取样。
采用本发明工艺不仅能够提高制备的光学玻璃阵列透镜表面质量，而且能够降低光学玻璃阵列透镜制造成本和制造难度。
权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 111825311 A 2020.10.27C N 111825311A1.光学玻璃阵列透镜微纳热压成型工艺，其特征在于步骤包括：步骤1：采用微细电火花加工工艺制备微孔阵列模具，所述微孔匹配于光学玻璃阵列透镜，所述模具采用具有导电性能、符合强度、温度要求的硬质金属材料；步骤2：采用磁控溅射技术在微孔阵列模具表面制备纳米氮化物基梯度复合涂层；步骤3：预制玻璃坯料并入模，加热玻璃坯料，采用玻璃模压机在真空条件下热压坯料，在氮气氛围中冷却后脱模取样。
2.根据权利要求1所述的光学玻璃阵列透镜微纳热压成型工艺，其特征在于：所述纳米氮化物基梯度复合涂层为Cr x W y N涂层或Cr x1W y1C z N涂层；Cr x W y N涂层中，20<x<40，20<y<40，余量为N；Cr x1W y1C z N涂层中，10<x1<20,10<y1<20,10<z1<20、余量为N。
超精密光学玻璃元件模压成型制造关键工艺及装备
超精密光学玻璃元件模压成型制造关键工艺及装备在现代光学装备和仪器制造中，光学玻璃元件（如透镜、棱镜、窗口等）作为光学系统的重要组成部分，扮演着至关重要的角色。
而超精密光学玻璃元件的制造则是相当有挑战性的，因为需要高度精确的形状、表面质量和尺寸和构型精度。
模压成型（compression molding）是一种被广泛应用在超精密光学玻璃元件制造中的关键工艺。
它通过在高温和高压的条件下将光学玻璃材料压制成预定形状，在制造过程中可以保持良好的表面质量和较高的精度，同时也可以大幅降低制造成本。
模压成型工艺包括模具设计和制造、原材料选择和加工、热压过程控制等多个环节。
首先，模具的设计和制造是模压成型的关键一步。
模具的设计需要考虑到光学元件的形状、尺寸和精度要求。
在设计时需要注意模具表面的光滑度和尺寸误差控制。
由于超精密光学玻璃元件的尺寸和形状非常精确，所以模具的制造需要采用高精度的数控加工技术或精密电火花加工技术，以确保模具的尺寸精度和表面质量。
其次，原材料的选择和加工也是至关重要的。
光学玻璃材料需要具有良好的光学性能、稳定性和机械性能，以满足光学元件的使用要求。
合适的材料选择可以提高成型效果，并保证元件的性能和寿命。
材料的加工过程中需要控制好温度和压力，以避免材料的变形和应力积累。
热压过程控制是模压成型工艺中的另一个关键环节。
热压过程需要精确控制温度、压力和时间，以保证光学玻璃材料在模具中得到均匀的变形和冷却。
温度的控制需要考虑到光学玻璃的熔化温度和软化温度。
压力的控制需要根据光学玻璃的特性和形状来确定，以避免过量或不足的压力导致的问题。
时间的控制需要根据光学玻璃的稳定性和冷却速率来确定，以保证成型品的结构和性能。
在模压成型过程中，各种装备也是至关重要的。
高质量的模具、精确的温控设备、稳定的压力控制系统，都对成型质量和生产效率有着重要的影响。
同时，模压成型装备还需要具备可靠的自动化能力，以提高生产效率和降低人工操作的风险。
光学玻璃透镜制造工艺
光学玻璃透镜制造工艺1.1 光学零件制造工艺的特点及一般过程制作光学零件的常见材料有三大类，即光学玻璃、光学晶体和光学塑料，其中以光学玻璃，特别是无色光学玻璃的使用量最大。
虽然光学零件的加工按行业划分归入机械加工一类，但由于加工对象的材料性质和加工精度要求显著地不同于金属材料，因而加工工艺上也完全不同于金属工艺而具有特殊性。
1.1.1 光学零件的加工精度及其表示光学零件属于高精度零件。
平面零件的加工精度主要有角度和平面面形；球面零件的加工精度要求主要有曲率半径和球面面形。
高精度棱镜的角误差要求达到秒级。
高精度平面面形精度可达到几十分之一到几百分之一波长。
平面零件的平面性和球面零件的球面性统一称为面形要求。
光学车间一般用干涉法计量，用样板叠合观察等厚干涉条纹（俗称看光圈）。
表示面形误差的光圈数符号是N，不规则性（或称局部误差）符号是△N。
除面形精度外，光学零件表面还要有粗糙度要求。
光学加工中各工序的表面粗糙度如表6-1所示。
光学零件抛光表面粗糙度用微观不平十点高度表示为R2=0.025um，用轮廓算术平均偏差表示为R2=0.025um，用符号表示则为0.008，在此基础上，还有表面疵病要求，即对表面亮丝、擦痕、麻点的限制。
1.1.2 光学零件加工的一般工艺过程及特点光学零件加工的工艺过程随加工方式不同而异。
光学零件的加工方式主要有两类：传统（古典）加工工艺和机械化加工工艺，这里我们只介绍传统加工工艺。
传统工艺的特点主要有：（1）使用散粒磨料及通用机床，以轮廓成形法对光学玻璃进行研磨加工。
操作中以松香柏油粘结胶为主进行粘结上盘。
先用金刚砂对零件进行粗磨与精磨，然后使用松香柏油抛光模与抛光粉（主要是氧化铈）对零件进行抛光加工。
影响工艺的因素多而易变，加工精度可变性也大，通常是几个波长数量级。
高精度者可达几百分之一波长数量级。
（2）手工操作量大，工序多，操作人员技术要求高。
对机床精度，工夹磨具要求不那么苛刻，适于多品种，小批量、精度变化大的加工工艺采用。
光学玻璃模压成型技术
光学玻璃模压成型技术摘要光学玻璃模压成型法由于能直接一次成型，因而大大节省了材辅料、时间、设备及人力，且能模压出不同形状。
在非球面光学玻璃零件和小型、微型光学元件制造方面，有着广阔的应用前景。
通过阐述该项综合技术所涉及的低熔点玻璃材料的要求与现状、模具材料与加工、模压工艺和设备，详细介绍了光学玻璃模压成型技术的概况与关键点，指出我国应继续大力发展该项技术。
关键词光学玻璃；模压成型；低熔点玻璃；模具工艺Abstract Because of directly forming, optical glass molding technology could save the material, time, equipment and manpower, and different shapes could be molded into. It had wide application prospects in manufacturing of aspheric optical glass parts and small, micro optical element. Optical glass molding technology overview and key points were introduced in detail through elaborating the comprehensive technology which involves the low melting point glass material requirements and current situation, the mold material and processing, molding process and equipment. In the end, pointed out that our country should continue to develop molding technology vigorously.Keywords optical glass; molding; low Tg glass; process0 引言光学玻璃模压成型技术，是利用了玻璃从熔融态向固态转化的过程是连续可逆的热加工性质，在玻璃的转变温度Tg附近，在无氧条件下，对玻璃和模具进行加温加压，一次性将光学玻璃模压成达到使用要求的光学零件[1]。
光学玻璃透镜模压成形的数值仿真和实验
将连续的求解域离散为有限个小的、相互连接但不重叠的单元，通过对这些单元进行分片插值，得到对整个连 续域的近似解。
有限元法的求解步骤
建立离散模型、构造刚度矩阵、求解线性方程组、得到位移场、计算应力应变等。
有限元法在光学玻璃透镜模压成形中的应用
有限元法在光学玻璃透镜模压成形中的优势
可以模拟复杂的几何形状、非线性材料行为、接触条件以及边界条件等。
光学玻璃透镜模压成形的 基本原理
光学玻璃透镜模压成形的基本工艺流程
模具准备
设计并制造模具，包括上下模 具、加热元件等。
加热和冷却
通过加热元件对模具进行加热 ，使玻璃达到熔融状态，然后 进行冷却，使玻璃固化。
原材料准备
选择合适的玻璃材料，并进行 切割和研磨，使其具备所需的 形状和尺寸。
玻璃装载
将玻璃放入模具中，并施加压 力，使其平整地贴合在模具上 。
模具设计
根据所需透镜的形状和尺 寸设计模具，并考虑如何 施加压力、如何进行加热 和冷却等因素。
模具制造
根据设计图纸制造模具， 通常使用金属材料如不锈 钢或铝合金。
模具检测
对制造完成的模具进行检 测，确保其符合设计要求 ，并进行必要的调整。
03
数值仿真方法及其在光学 玻璃透镜模压成形中的应
用
有限元法的基本原理和方法
VS
发展趋势
阐述光学玻璃透镜制造和数值仿真研究的 发展趋势，包括新材料、新工艺、新方法 等方面。
研究内容和目的
研究内容
介绍本研究的主要研究内容，包括光学玻璃透镜的材料选择、模具设计、数 值模拟和实验验证等。
研究目的
阐述本研究的主要目的，包括提高光学玻璃透镜的制造效率、降低成本、提 高性能等。
光学玻璃透镜模压成形的数值仿真和实验研究
光学玻璃透镜模压成形的数值仿真和实验研
究
光学玻璃透镜模压成形是一种制造高品质透镜的工艺，它与常规
的磨削方法不同，可以减少制造成本和周期。
在这个工艺中，光学玻
璃在高温和压力下被压成设计好的形状，从而制造出透镜。
在这个过
程中，数值仿真和实验研究都起到了关键的作用。
数值仿真方面，通过计算机模拟压模成形过程，可以预测透镜的
形状、抛光难度和成品质量等关键参数。
这个过程需要考虑多个因素，包括玻璃的物理特性、压力和温度变化、材料流动模式和分布、以及
实验设备的几何形状等等。
通过计算机模拟，可以优化透镜的制造过程，从而提高其制造效率和品质。
实验研究方面，通过实验验证数值仿真预测的结果，确定压模成
形的实际有效性和可行性。
这个过程需要使用实际的玻璃样本和压模
成形设备，对多个参数进行测试和调节，以达到理想的透镜形状和品质。
实验研究通常包括多个阶段，包括制造玻璃样本、进行压模成形、抛光和测量形状和品质等等。
通过实验验证，可以不断改进和优化制
造过程，从而提高透镜的品质和成本效益。
综合以上两方面的研究，可以建立起透镜模压成形的优化制造过程，从而实现更高效、更可靠和更经济的高品质透镜制造。
这个过程
需要多个科学领域的共同合作，包括材料科学、机械工程、计算机科
学等等。
光学透镜的加工工艺
光学玻璃透镜模压成型技术1 成型方法玻璃之所以能够精密模压成型，主要是因为开发了与软化的玻璃不发生粘连的模具材料。
原来的玻璃透镜模压成型法，是将熔融状态的光学玻璃毛坯倒入高于玻璃转化点50℃以上的低温模具中加压成形。
这种方法不仅容易发生玻璃粘连在模具的模面上，而且产品还容易产生气孔和冷模痕迹（皱{TodayHot}纹），不易获得理想的形状和面形精度。
后来，采用特殊材料精密加工成的压型模具，在无氧化气氛的环境中，将玻璃和模具一起加热升温至玻璃的软化点附近，在玻璃和模具大致处于相同温度条件下，利用模具对玻璃施压。
接下来，在保持所施压力的状态下，一边冷却模具，使其温度降至玻璃的转化点以下（玻璃的软化点时的玻璃粘度约为107。
6泊，玻璃的转化点时的玻璃粘度约为1013。
4泊）。
这种将玻璃与模具一起实施等温加压的办法叫等温加压法，是一种比较容易获得高精度，即容易精密地将模具形状表面复制下来的方法。
这种玻璃光学零件的制造方法缺点是：加热升温、冷却降温都需要很长的时间，因此生产速度很慢。
为了解决这个问题，于是对此方法进行了卓有成效的改进，即在一个模压装置中使用数个模具，以提高生产效率。
然而非球面模具的造价很高，采用多个模具势必造成成本过高。
针对这种情况，进一步研究开发出与原来的透镜毛坯成型条件比较相近一点的非等温加压法，借以提高每一个模具的生产速度和模具的使用寿命。
另外，还有人正在研究开发把由熔融炉中流出来的玻璃直接精密成型的方法。
2 玻璃的种类和毛坯{HotTag}玻璃毛坯与模压成型品的质量有直接的关系。
按道理，大部分的光学玻璃都可用来模压成成型品。
但是，软化点高的玻璃，由于成型温度高，与模具稍微有些反应，致使模具的使用寿命很短。
所以，从模具材料容易选择、模具的使用寿命能够延长的观点出发，应开发适合低温（600℃左右）条件下模压成型的玻璃。
然而，开发的适合低温模压成型的玻璃必需符合能够廉价地制造毛坯和不含有污染环境的物质（如PbO、As2O3）的要求。
光学玻璃透镜精密热压成型工艺
光学玻璃透镜精密热压成型工艺
光学玻璃透镜精密热压成型工艺是一门新兴的精密光学玻璃元件制作工艺。
玻璃材料的物理属性在热压过程中会发生变化,从而对热压成型透镜的光学性能造成一定的影响。
本公司采用实验和与仿真研究相结合的方法,就透镜的精密热压成型工艺对透镜在精密热成型过程中的折射率和密度变化规律、产生机理及其对光学系统所造成的影响进行了深入研究,最后还探索了精密热成型透镜折射率偏差的矫正方法。
为了探索精密热处理透镜的内部折射率场的分布规律,本公司在精密热成型炉中开展了多种条件下的精密热处理实验,得到了一批不同热处理条件下的玻璃样品。
研究并实现了对玻璃透镜折射率场的无损测量方法,引入计算机断层扫描重建(Computed Tomography,CT)技术的基本原理,获得了透镜的三维折射率场分布信息。
研究中,搭建了基于Mach-Zehnder干涉仪的光学测量系统,获得了各个精密热处理透镜样品在不同波长激光测量下的一系列干涉图像,自行编写了图像处理系统,提取了各干涉图像中所携带的波前相位信息。
最后根据滤波反投影算法(Filtered Back-Projection,FBP)算法,逐层重建了玻璃透镜的折射率场,并最终获得了透镜的3D折射率分布。
这种高精度无损地探索透镜折射率分布的新方法获得的透镜折射率场重建精度达5.5×10-5。
玻璃光学元件精密模压成形技术
玻璃光学元件精密模压成形技术哎呀呀，这“玻璃光学元件精密模压成形技术”，听起来是不是超级厉害又神秘？反正我这个小学生一开始听到的时候，那是满脑袋的问号，这到底是啥呀？有一天，我和小伙伴们一起在科学实验室里玩耍，老师走进来神秘兮兮地说：“孩子们，今天咱们来了解一项超级神奇的技术——玻璃光学元件精密模压成形技术！”我瞪大眼睛问：“老师，这到底是啥呀？”老师笑着说：“就好比咱们做手工捏橡皮泥，把一块橡皮泥捏成想要的形状。
这个技术呢，就是把玻璃像橡皮泥一样，压成特别精密、特别准确的光学元件。
”“哇！”小伙伴们都惊叹起来。
老师接着说：“你们想想啊，咱们戴的眼镜，那镜片就是光学元件的一种。
要是没有这项技术，眼镜片能做得那么清晰、那么合适吗？”我忍不住又问：“那它是怎么做到的呀？”老师耐心地解释：“这可复杂啦！首先得有特别厉害的机器，能产生巨大的压力，然后把加热到一定温度的玻璃放到模具里，一压，就成啦！”“这也太简单了吧？”有个小伙伴说道。
老师摇摇头：“才不是呢！这里面的学问大着呢！温度要控制得刚刚好，压力也要恰到好处，模具更是要做得特别精确，稍微有一点点差错，做出来的东西就不合格啦！这就像你们考试，差一分都不行，是不是？”我们纷纷点头。
老师还说：“这技术可不光能做眼镜片，还能做照相机里的镜头、望远镜里的镜片，甚至是卫星上用的那些高级的光学元件呢！”“真的吗？太不可思议啦！”我们都惊讶得合不拢嘴。
你说，这技术是不是就像一个神奇的魔法，能把普普通通的玻璃变成这么多有用又厉害的东西？我觉得啊，这项技术简直就是人类智慧的结晶！它让我们的生活变得更加美好，能看到更清晰的世界，探索到更远的地方。
它就像一把神奇的钥匙，打开了一扇通往无限可能的大门！。
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项技术自 80 年代中期开发成功至今已有十几年 的历史了，现在已成为国际上最先进的光学零件 制造技术方法之一，在许多国家已进入生产实用 阶段。这项技术的普及推广应用是光学行业在光
③可很容易经济地实现精密非球面光学零
件的批量生产；
④只要精确地控制模压成型过程中的温度
爱是因为花的美丽，如果花蔫了，外在的美消失了
和压力等工艺参数，就能保证模压成型光学零件 的尺寸精度和重复精度； ⑤可以模压小型非球面透镜阵列；
⑥光学零件和安装基准件可以制成一个整
体。
目前批量生产的模压成型非球面光学零件
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学玻璃零件加工方面的重大革命。由于此项技术 能够直接压制成型精密的非球面光学零件，从此 便开创了光学仪器可以广泛采用非球面玻璃光 学零件的时代。因此，也给光电仪器的光学系统
设计带来了新的变化和发展，不仅使光学仪器缩 小了体积、减少了重量、节省了材料、减少了光 学零件镀膜和工件装配的工作量、降低了成本， 而且还改善了光学仪器的性能，提高了光学成像
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的直径为 2～50mm，直径公差为±0.01mm； 厚度为 0.4～25mm，厚度公差为±0.01mm； 曲率半径可达 5mm；面形精度为 1.5λ， 表面粗糙度符合美国军标为 80－50；折射率可控
制到±5×10－4mm，折射均匀性可 以控制到
2fb0f5c7a 光学学会 /
爱是因为花的美丽，如果花蔫了，外在的美消失了
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的质量。 光学玻璃模压成型法制造光学零件有如下 优点：
不需要传统的粗磨、精磨、抛光、磨边定中 心等工序，就能使零件达到较高的尺寸精度、面 形精度和表面粗糙度；
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②能够节省大量的生产一个小型车间就可 具备很高的生产力；