光学镜片的超声波清洗工艺

光学镜片的超声波清洗工艺
摘要：光学镜片清洗是指镜片在抛光，磨边，镀膜，粘合和涂墨加工时，表面
附着的各种脏污的清洗。

传统的清洗方法是手工清擦。

这种方法费时费力．清洁
度差，不适应现代规模化的光学冷加工行业。

在上世纪八十年代，日本率先制造
出较为先进的光学镜片超声波清洗机，随后超声波清洗设备在国内推广，
推动了光学冷加工业的发展。

本文将主要从两个方面展开论述，即：（1）超声波清洗原理及机台设计选用；（2）光
学镜片超声波清洗；（3）超声波清洗的优势。

关键词：光学镜片；超声波清洗；应用随着光学产业的飞速发展，光学产品层出不穷，应用领域也越来越广泛，从国防军事，
医疗器械，教育，安防，车载以及生活电器等，产品需求量也越来越大，产量提升是所有光学产业的追求目标。

超声波清洗在光学产业的推广应用，对产品质量，产量的提升起着至关
重要的作用。

一、超声波清洗原理及机台设计选用
1、超声波清洗原理：超声波是一种频率超出人类听觉范围 17kHz 以上的声波。

超声波在水中产生足够的能量，让水内部发生“空化效应”，使得需清洗物体表面的污染物快速脱离。

超声波清洗的适用范围很广，金属部件、光学镜片、电子芯片、晶片等都可以清洗的很好。

超声波清洗最早被应用于上世纪五十年代，清洗领域有电子领域、光学领域、医药领域等。

2、洗净机台的设计或选用：超声波清洗机设计或选用是要根据镜片加工过程中，不同
加工状态下附着物的种类及特性，选用相应的处理方法来确定洗净机台的结构和洗净机槽使
用成分。

以抛光镜片为例，光学镜片在进行单面，双面或多面抛光时，除使用抛光液以外，
在加工过程中还要使用保护漆类，对已抛光面进行保护，另外为了确保镜片加工的精度，还
要使用胶、蜡等辅材。

镜片抛光完成后，要对附着镜片表面的各种物质进行预洗处理，处理
方法一般采用相似相溶原理，可使用加热和超声辅助，加速预洗效果，预洗后再进行清洗漂
洗操作。

根据需要清洗镜片表面脏污的种类，清洗的方式，需要使用的清洗液的成分和使用
方法，确定洗净机台的结构设计。

对于已有的洗净机台，根据需求，可增加单槽机或多槽机
辅助。

二、光学镜片超声波清洗
光学镜片材料理化性质。

目前用于光学镜片加工玻璃材料有 200 多种，与普通玻璃相比，它们的耐化学腐蚀性和物理强度都比较差。

光学镜片的超声波清洗条件，是根据被洗镜片的
理化性质确定的，每种光学镜片材料的理化性质都不同，国内外不同光学硝材厂家对生产的
硝材理化性能检测方式基本相同，但由于测试多个数据的误差累加，实验所得的性质参数会
有差异。

如折射率 Nd 为 1.6385 的硝材理化性能参数如下：
豪雅材料 BACD18，磨耗度 150，粉末法耐水性 DW：1，表面法耐青霉值 TBlue：4；对
水的真实化学耐久性 Do:3；粉末法耐酸作用稳定性 DA：4；表面法耐潜伤性 DNaOH:2；表面
法耐潜伤性 Dstpp:2
小原 S-BSM18；磨耗度 Aa：155，粉末法耐水稳定性 RW：1；表面发抗潮稳定性WS：2，粉末法耐酸作用稳定性RA：3；表面法耐酸（硝酸）作用稳定性 SR：51.2；表面法耐洗剂性PR：2.0；
成都光明H-ZK11，磨耗度 165，粉末法耐水作用稳定性 DW：2，表面法耐潮稳定性 RC （S）：1，粉末法耐酸作用稳定性 DA：4，表面法耐酸（醋酸）作用稳定性 RA：3
磨耗度是镜片的物理性质，可以理解为镜片的软硬程度，磨耗度越大，镜片在超声波中
耐洗的时间就越短，越容易产生细伤不良。

耐水性，耐酸性，耐碱性是镜片的化学性质，有
1-3,1-4，1-5，1-6，不同的等级，级别越高，镜片的稳定性越差，在这类环境中停留的时间
就越短，在超声波的作用下，会加快镜片的腐蚀速度，所以在有超声波的溶液中洗净时，时
间还要更短。

1、光学镜片一般清洗流程为：
预洗→清洗→漂洗→（甩干干燥）→脱水→（烘干干燥）
、预洗处理是镜片在清洗前，对镜片加工使用的辅料进行溶解或软化处理，如抛光使用
的保护漆，成盘使用的胶类，磨边加工的油类冷却液。

预洗多使用亲油的烷烃类，卤代烃类，也有专门针对性的如清胶液，除蜡液等，这些溶液一般使用非极性原料，即使是材料稳定性较差的镜片不易造成潜伤，色斑等不良，缺点是对亲水性的污垢去除效果较差。

预洗处理可
使用超声波辅助或常温浸泡，沸点较高的可使用恒温加热，对于易挥发的溶剂和味道较重的
溶剂需安装排
风装置
、清洗一般使用脱脂能力较好的碱性洗剂，pH 值控制在8.5-12.5，大多数光学镜片耐酸
性较差，超声波清洗机金属配件也容易被酸腐蚀，所以超声波清洗较少使用酸性洗剂。

超声
波清洗是利用洗涤剂对镜片表面的湿润、渗透、乳化综合形成去污作用。

、纯水漂洗。

纯水可充当杂质产生化学反应的介质，起到溶除杂质的目的。

因为纯水的
洁净度是最高的，漂洗使用纯水可达到最好的效果。

一般来说温度越高，物质的溶解度越大，漂洗的效果更好，但对一些化学稳定性较差的镜片，如豪雅的 FCD1 材料，当纯水温度高于30℃时，镜片在有超声波的的纯水中洗净约 15 秒，镜片表面就开始产生细伤，纯水温度低于35℃时，洗净时间约 30 秒开始出现细伤。

在一定量的纯水用量下，漂洗的次数越多，表面残余的液体量越少，镜片也就越干净。

常规烘干方式干燥的超声波清洗机，一般使用流动的纯
水槽2-3 个，流量大于0.6T/H，使用甩干方式干燥的超声波清洗机，纯水槽数量需要4-5 个，流量大于 0.8T/H，对洁净度要求较高的产品，需要使用更多的纯水槽漂洗，并且在洗净机上
搭载 FFU 空气净化装置或在洁净室内。

甩干。

镜片经过纯水漂洗后，可使用离心机甩干干燥。

甩干
干燥方式节能，安全，环保，近年来在光学镜片清洗中已广泛应用。

甩干干燥对纯水的
洁净度，环境的洁净度要求较高，一些倒角比较小，外径比较大或者很薄的镜片，在没有合适的洗净治具的情况下，不适合使用甩干。

、脱水。

使用蒸汽烘干方式干燥镜片的工艺，烘干前必须先脱水处理，脱水使用具有挥
发性和可与水互溶的有机溶剂，一般使用无水乙醇或异丙醇，为防止溶剂在超声波作用下升温，需配备降温装置，控制温度低于 25 摄氏度以下。

脱水和纯水漂洗原理相同，一般也使
用多槽脱水，浓度由低到高，使用时需做好浓度管理。

值得注意的是对于镜片材料耐水性或
耐候性较差的，在浓度低于 90% 的脱水槽不宜停留时间过长，否则镜片镀膜白雾状膜脏或色斑。

、烘干。

烘干常使用的原料为异丙醇，表面要求不高的镜片也可使用酒精和丙酮。

有些
光学镜片清洗机使用氟氯烷烃做干燥剂，由于氟氯烷烃会对臭氧造成破坏，现基本被取代。

烘干使用溶剂干燥法是利用溶剂的易挥发性和沸点低的特点，这些溶剂在油浴、水域或加热
板的加热下，达到持续沸腾状态，将镜片置于蒸汽域内，加热干燥。

由于烘干使用的溶剂多
为易燃易爆的危险品，作业人员需要经过专业的安全教育培训才能上岗。

因此近些年，超声波清洗后的干燥工艺有研发出超纯水漂洗 + 热风干燥法，红外加热真空干燥法，这些干燥方式安全环保，由于光学镜片材料的不稳定性，还未广泛推广。

2、光学镜片超声波清洗条件确定
光学镜片超声波清洗条件一般根据镜片的磨耗度、耐水性和耐碱性确定可洗净的时间，若洗净要经过酸性的清洗槽，还需要确认镜片的耐酸性参数，以前面介绍镜片材料化学稳定性中提到的成都光明H-ZK11 为例，镜片磨耗度：165，耐水：2，耐潮稳定性：1，耐候性：3，耐碱性无。

在这种镜片材料耐碱稳定性还不能确定清楚的情况下，根据光学玻璃牌号对照表，查找对应牌号的其他公司的对应硝材的理化性质来作为参考。

在前文中有豪雅和小原的耐NAOH 和Na5P3O10（三聚磷酸钠）参数是 2，根据这些参数的信息，推断这个材料在水中洗净的总的时间约 30min，再将这些时间分担给洗剂槽，漂洗槽和脱水槽的清洗时间，镜片加工工程中，还要考虑镜片重洗的情况，所以分担出的时间总和要小于 30min。

抛光洗净：洗剂（1-1.5min）, 漂洗（3-4min）脱水（4-5min）干燥（≤ 1min）；
磨边洗净：洗剂（1-1.5min）, 漂洗（3-4min）脱水（4-5min）干燥（≤ 1min）；
镀前洗净：洗剂（0.5-1min）, 漂洗（3-4min）脱水（4-5min）干燥（≤ 1min）；
镀一面洗净：洗剂（0.5-1min）, 漂洗（3-4min）脱水（4-5min）干燥（≤ 1min）；
镀二面洗净：洗剂（2-4min）, 漂洗（2-6min）脱水（2-6min）干燥（≤ 1min）；
预洗使用的溶剂一般对镜片不造成伤害，洗净时间一般不严格管控，但预洗对镜片洁净度影响较大，预洗时间要充足，根据机台的节拍和负荷，确定预洗的标准时间范围。

如果预洗使用的是极性溶剂，必须要考虑溶液的酸碱性，确定清洗时间，其它各槽的洗净时间也要随之调整。

镀膜完品的镜片表面有膜层可以阻挡镜片抛光面与液体的接触，洗净时间可适当加长，如果膜层使用了化学稳定性较差的膜料，如 Al2O3，则一定要注意各槽的洗净时间，洗剂的 pH 值，镜片洗净后还要确认膜层分光的变化。

三、超声波清洗的优势
近年来，国内经济发展迅速，人民生活水平不断提高，人工成本对于企业越来越大，自动化，人工智能在制造加工业广发推广，光学行业相关产品在无人机，自动驾驶，人脸识别等产品上广泛应用。

光学镜片加工使用超声波清洗，有利于规模化生产，提升效率，主要优势体现在以下几个方面：
1、有利于批量生产加工，清洗效果好，节省人员。

就清洗方式而言，用于光学镜片的清洗方式一般为手工清擦和超声波清洗。

光学镜片使用手工擦拭时，镜片在 R 值较大时，镜片表面相对平整，易于擦拭，若镜片 R 值较小，则镜片表面比较凸或者比较凹，这类镜片比较难擦拭，使用超声波清洗明显体现出它的优势。

下面以φ20mmR 值为∞ 的平面镜片为例，每分钟可擦拭约 6 片，按 10 小时算可清擦 3600 片；
使用超声波清洗，按公司现使用的洗净篮框计算，每小时可洗净约 50篮，每篮可装 144 片镜片，按工作时间 10 小时，减掉镜片下槽洗净约半小时后可连续处产品的用时，一个工作周期可洗净镜片 68400 片，相当于 19 人清擦的工作量。

2、清洗成本低。

在所有清洗方式中，清洗成本包含：人工，辅材，水电费，设备折旧等。

根据公司现使用的超声波清洗机使用成本和人工擦拭成本，按 10H 的作业时间费用成本对比表。

总之，光学镜片使用超声波清洗有其他清洗方式无法比拟的优点，随着超声波清洗机改进，清洗剂的配方优化改良，清洗技术提升，对光学镜片产品的量化生产和品质改善，都将发挥重要的作用。

参考文献
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