詳解光學實用技術:光學玻璃透鏡模壓成型光...

詳解光學實用技術:光學玻璃透鏡模壓成型


光學玻璃透鏡模壓成型技術是一種高精度光學元件加工技術,它是把軟化的玻璃放入高精度的模具中,在加溫加壓和無氧的條件下,一次性直接模壓成型出達到使用要求的光學零件。由于此項技術能夠直接壓制成型精密的非球面光學零件,從此便開創了光學儀器可以廣泛采用非球面玻璃光學零件的時代,給光電儀器的光學系統設計帶來了新的變化和發展,不僅使光學儀器縮小了體積、減少了重量、節省了材料、減少了光學零件鍍膜和工件裝配的工作量、降低了成本,而且還改善了光學儀器的性能,提高了光學成像的質量。


光學玻璃模壓成型法制造光學零件有如下優點:
①不需要傳統的粗磨、精磨、拋光、磨邊定中心等工序,就能使零件達到較高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度;
②能夠節省大量的生產設備、工裝輔料、廠房面積和熟練的技術工人,使一個小型車間就可具備很高的生產力;
③可很容易經濟地實現精密非球面光學零件的批量生產;
④只要精確地控制模壓成型過程中的溫度和壓力等工藝參數,就能保證模壓成型光學零件的尺寸精度和重復精度;
⑤可以模壓小型非球面透鏡陣列;
⑥光學零件和安裝基準件可以制成一個整體。


現在,世界上已掌握這項先進玻璃光學零件制造技術的著名公司和廠家有美國的柯達、康寧公司,日本的大原、保谷、歐林巴斯、松下公司,德國的蔡司公司和荷蘭的菲利浦公司等。
玻璃光學零件模壓成型技術是一項綜合技術,需要設計專用的模壓機床,采用高質量的模具和選用合理的工藝參數。成型的方法,玻璃的種類和毛坯,模具材料與模具制作,都是玻璃模壓成型中的關鍵技術。


1、成型方法

玻璃之所以能夠精密模壓成型,主要是因為開發了與軟化的玻璃不發生粘連的模具材料。

原來的玻璃透鏡模壓成型法,是將熔融狀態的光學玻璃毛坯倒入高于玻璃轉化點50℃以上的低溫模具中加壓成形。這種方法不僅容易發生玻璃粘連在模具的模面上,而且產品還容易產生氣孔和冷模痕跡(皺紋),不易獲得理想的形狀和面形精度。后來,采用特殊材料精密加工成的壓型模具,在無氧化氣氛的環境中,將玻璃和模具一起加熱升溫至玻璃的軟化點附近,在玻璃和模具大致處于相同溫度條件下,利用模具對玻璃施壓。接下來,在保持所施壓力的狀態下,一邊冷卻模具,使其溫度降至玻璃的轉化點以下(玻璃的軟化點時的玻璃粘度約為107。6泊,玻璃的轉化點時的玻璃粘度約為1013。4泊)。這種將玻璃與模具一起實施等溫加壓的辦法叫等溫加壓法,是一種比較容易獲得高精度,即容易精密地將模具形狀表面復制下來的方法。


2、玻璃的種類和毛坯

玻璃毛坯與模壓成型品的質量有直接的關系。按道理,大部分的光學玻璃都可用來模壓成成型品。但是,軟化點高的玻璃,由于成型溫度高,與模具稍微有些反應,致使模具的使用壽命很短。所以,從模具材料容易選擇、模具的使用壽命能夠延長的觀點出發,應開發適合低溫(600℃左右)條件下模壓成型的玻璃。然而,開發的適合低溫模壓成型的玻璃必須符合能夠廉價地制造毛坯和不含有污染環境的物質(如PbO、As2O3)的要求。對模壓成型使用的玻璃毛坯是有要求的:①壓型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清潔;②呈適當的幾何形狀;③有所需要的容量。毛坯一般都選用球形、圓餅形或球面形狀,采用冷研磨成型或熱壓成型。


3、模具材料與模具加工

模具材料需要具備如下特征:①表面無疵病,能夠研磨成無氣孔、光滑的光學鏡面;②在高溫環境條件下具有很高的耐氧化性能,而且結構等不發生變化,表面質量穩定,面形精度和光潔度保持不變;③不與玻璃起反應、發生粘連現象,脫模性能好;④在高溫條件下具有很高的硬度和強度等。
現在已有不少有關開發模具材料的專利,最有代表性的模具材料是:以超硬合金做基體,表面鍍有貴金屬合金和氮化鈦等薄膜;以碳化硅和超硬合金做基體,表面鍍有硬質碳、金剛石狀碳等碳系薄膜;以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。


4、玻璃模壓成型技術的應用
目前,光學玻璃透鏡模壓成型技術,已經用來批量生產精密的球面和非球面透鏡。平時,除了一般生產制造直徑為15mm左右的透鏡外,還能生產制造直徑為50mm的大口徑透鏡、微型透鏡陣列等?,F已能制造每個透鏡的直徑為100μm的微型透鏡陣列。


①制造軍用和民用光學儀器中使用的球面和非球面光學零件,如各透鏡、棱鏡、以及濾光片等;
②制造光通信用的光纖耦合器用非球面透鏡;
③制造光盤用的聚光非球面透鏡。使用一塊模壓成型法制造的非球面透鏡,可代替光盤讀出器光學鏡頭內使用的三塊球面透鏡。由于模壓成型非球面透鏡的精度很高,不僅能夠控制和校正大數值孔徑的軸向像差,而且還使原來的光學鏡頭的重量減輕、成本降低30—50%。
④制造照相機取景器非球面透鏡、電影放映機和照相機鏡頭的非球面透鏡等。

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