光學(xué)玻璃透鏡模壓成型技術(shù)

光學(xué)玻璃透鏡模壓成型技術(shù)是一種高精度光學(xué)元件加工技術(shù)，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(xué)零件。這項技術(shù)自80年代中期開發(fā)成功至今已有十幾年的歷史了，現(xiàn)在已成為國際上最先進的光學(xué)零件制造技術(shù)方法之一，在許多國家已進入生產(chǎn)實用階段。這項技術(shù)的普及推廣應(yīng)用是光學(xué)行業(yè)在光學(xué)玻璃零件加工方面的重大革命。由于此項技術(shù)能夠直接壓制成型精密的非球面光學(xué)零件，從此便開創(chuàng)了光學(xué)儀器可以廣泛采用非球面玻璃光學(xué)零件的時代。因此，也給光電儀器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計帶來了新的變化和發(fā)展，不僅使光學(xué)儀器縮小了體積、減少了重量、節(jié)省了材料、減少了光學(xué)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(xué)儀器的性能，提高了光學(xué)成像的質(zhì)量。

光學(xué)玻璃模壓成型法制造光學(xué)零件有如下優(yōu)點：

①不需要傳統(tǒng)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(jié)省大量的生產(chǎn)設(shè)備、工裝輔料、廠房面積和熟練的技術(shù)工人，使一個小型車間就可具備很高的生產(chǎn)力;

③可很容易經(jīng)濟地實現(xiàn)精密非球面光學(xué)零件的批量生產(chǎn);

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(shù)，就能保證模壓成型光學(xué)零件的尺寸精度和重復(fù)精度;

⑤可以模壓小型非球面透鏡陣列;

⑥光學(xué)零件和安裝基準件可以制成一個整體。

目前批量生產(chǎn)的模壓成型非球面光學(xué)零件的直徑為2～50mm，直徑公差為±0.01mm;厚度為0.4～25mm，厚度公差為±0.01mm;曲率半徑可達5mm;面形精度為1.5λ，表面粗糙度符合美國軍標為80-50;折射率可控制到±5×10-4mm，折射均勻性可以控制到<5×10-6mm;雙折射小于0.01λ/cm。

現(xiàn)在，世界上已掌握這項先進玻璃光學(xué)零件制造技術(shù)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(xué)零件模壓成型技術(shù)是一項綜合技術(shù)，需要設(shè)計專用的模壓機床，采用高質(zhì)量的模具和選用合理的工藝參數(shù)。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(guān)鍵技術(shù)。

3.1 成型方法

玻璃之所以能夠精密模壓成型，主要是因為開發(fā)了與軟化的玻璃不發(fā)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(tài)的光學(xué)玻璃毛坯倒入高于玻璃轉(zhuǎn)化點50℃以上的低溫模具中加壓成形。這種方法不僅容易發(fā)生玻璃粘連在模具的模面上，而且產(chǎn)品還容易產(chǎn)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(huán)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(tài)下，一邊冷卻模具，使其溫度降至玻璃的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)制下來的方法。這種玻璃光學(xué)零件的制造方法缺點是：加熱升溫、冷卻降溫都需要很長的時間，因此生產(chǎn)速度很慢。為了解決這個問題，于是對此方法進行了卓有成效的改進，即在一個模壓裝置中使用數(shù)個模具，以提高生產(chǎn)效率。然而非球面模具的造價很高，采用多個模具勢必造成成本過高。針對這種情況，進一步研究開發(fā)出與原來的透鏡毛坯成型條件比較相近一點的非等溫加壓法，借以提高每一個模具的生產(chǎn)速度和模具的使用壽命。另外，還有人正在研究開發(fā)把由熔融爐中流出來的玻璃直接精密成型的方法。

3.2 玻璃的種類和毛坯

玻璃毛坯與模壓成型品的質(zhì)量有直接的關(guān)系。按道理，大部分的光學(xué)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(yīng)，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(fā)，應(yīng)開發(fā)適合低溫(600℃左右)條件下模壓成型的玻璃。然而，開發(fā)的適合低溫模壓成型的玻璃必需符合能夠廉價地制造毛坯和不含有污染環(huán)境的物質(zhì)(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?shù)膸缀涡螤?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。

3.3 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(xué)鏡面;②在高溫環(huán)境條件下具有很高的耐氧化性能，而且結(jié)構(gòu)等不發(fā)生變化，表面質(zhì)量穩(wěn)定，面形精度和光潔度保持不變;③不與玻璃起反應(yīng)、發(fā)生粘連現(xiàn)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(xiàn)在已有不少有關(guān)開發(fā)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(zhì)碳、金剛石狀碳等碳系薄膜;以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。

玻璃透鏡壓型用的模具材料，一般都是硬脆材料，要想把這些模具材料精密加工成模具，必需使用高剛性的、分辨率能達到0.01μm以下的高分辨率超精密計算機數(shù)字控制加工機床，用金剛石磨輪進行磨削加工。磨削加工可獲得所期盼的形狀精度，但然后還需再稍加拋光精加工成光學(xué)鏡面才行。在進行高精度的非球面加工中，非球面面形的測試與評價技術(shù)是非常重要的。對微型透鏡壓型用模的加工，要求更加嚴格，必需進一步提高精度和減輕磨削的痕跡。

3.4 玻璃模壓成型技術(shù)的應(yīng)用

目前，光學(xué)玻璃透鏡模壓成型技術(shù)，已經(jīng)用來批量生產(chǎn)精密的球面和非球面透鏡。平時，除了一般生產(chǎn)制造直徑為15mm左右的透鏡外，還能生產(chǎn)制造直徑為50mm的大口徑透鏡、微型透鏡陣列等?，F(xiàn)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(xué)儀器中使用的球面和非球面光學(xué)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(xué)鏡頭內(nèi)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(shù)值孔徑的軸向像差，而且還使原來的光學(xué)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。美國僅柯達公司每年就需要壓型幾百萬個非球面光學(xué)零件。