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

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。

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: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

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(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: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: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: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(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

6-7(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)。

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。