非球面玻璃模造鏡片制程技術(shù)(共5頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上非球面玻璃模造鏡片制程技術(shù)第一章：玻璃模造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 1-1模造塑料鏡片vs.模造玻璃鏡片 玻璃模造鏡片和塑料鏡片的差異-玻璃模造鏡片和塑料鏡片的差異在哪里呢？ 以光學(xué)系統(tǒng)的適用上來(lái)說(shuō)，玻璃有多樣好處，例如玻璃本身耐高溫，有較高的透光率、折射率，和抗?jié)穸龋ＡР馁|(zhì)的穩(wěn)定度也比塑料來(lái)得好。但是，塑料也有其優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗淖冃瘟勘炔ＡТ?，可以作較大尺寸的光學(xué)鏡片；其次，在重量和價(jià)格上也比玻璃來(lái)得輕來(lái)得便宜。因此，當(dāng)我們?cè)谶x擇光學(xué)鏡片的時(shí)候，應(yīng)從不同的取向去判斷最符合需要的鏡片。1-2傳統(tǒng)研磨玻璃鏡片vs.模造玻璃鏡片 傳統(tǒng)研磨玻璃鏡片和模造玻璃鏡片的比較-在講述玻璃模造技術(shù)

2、之前，我們先了解一下它和傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃鏡片制作有什么不同。傳統(tǒng)的玻璃鏡片制作技術(shù)需要經(jīng)過(guò)繁復(fù)的步驟，例如粗磨、 細(xì)磨、 拋光等，所花的時(shí)間相對(duì)的增多。然而，模造光學(xué)鏡片的產(chǎn)生，只需要玻璃的預(yù)形體，直接以模造的方式即能壓制成品，所以十分適合大量的生產(chǎn)，可以說(shuō)是新進(jìn)且方便的光學(xué)玻璃鏡片制造技術(shù)。1-3球面透鏡vs.非球面透鏡 非球面透鏡和球面透鏡的比較-什么是非球面透鏡？我們可以從圖上看出非球面透鏡和球面透鏡在形狀上的差異。這樣的形狀有什么好處呢？一般來(lái)說(shuō)，單面的球面透鏡因?yàn)榍蛎娴纳癫羁赡軐?dǎo)致失焦的狀況，而非球面鏡片正好可以彌補(bǔ)這種不足，它能夠消除球面的色像差。此外，若光學(xué)成像需要兩三片以上的球

3、面透鏡去作成像的功能，但是我們可以用一片的非球面透鏡去達(dá)成同樣的功能，而減少光機(jī)系統(tǒng)的重量和鏡片的數(shù)目，以做出重量更為輕巧成本更為低廉的產(chǎn)品。非球面透鏡的優(yōu)點(diǎn)-我們以CD讀取頭來(lái)做例子。在1983年， CD讀取頭尚需要五片鏡片， 但在引入非球面鏡片之后，我們可以在1984年的圖中，看到原本接物透境的三片球面鏡片已經(jīng)可以用一片的非球面鏡片取代。 在逐漸的發(fā)展中，最后甚至可以僅以一片非球面鏡片達(dá)到原本的功能。在許多產(chǎn)品中，如放影機(jī)的鏡頭組、相機(jī)的鏡頭組都可以看到非球面鏡片的應(yīng)用，它不僅減少整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)上鏡片所需的數(shù)目，也讓產(chǎn)品能夠設(shè)計(jì)的愈來(lái)愈輕巧。 這兩款相機(jī)鏡頭的比較，可以明顯看出右邊的鏡頭導(dǎo)入

4、非球面透鏡后的重量幾乎減少了一半。第二章：非球面玻璃模造的原理 玻璃模造制程技術(shù)的主要依據(jù)原理，是利用玻璃隨溫度升高黏滯度降低的特性，將已初成形的玻璃預(yù)形體置于精密加工成形的模具內(nèi)，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境氣氛下，升溫至溫度介于玻璃轉(zhuǎn)移溫度，即所謂Tg點(diǎn)到軟化點(diǎn)之間，藉由模仁表面施壓使玻璃變形，轉(zhuǎn)造模仁形狀，冷卻后去除壓力、分模，取出成品。2-1玻璃模造溫度與熱膨脹的關(guān)系 Tg: Transformation temperature 玻璃溫度轉(zhuǎn)移點(diǎn)-什么是Tg點(diǎn)呢？Tg點(diǎn)（Transformation temperature ）表示玻璃溫度轉(zhuǎn)移點(diǎn)。不同于水的三態(tài)，玻璃和麥芽糖、柏油一樣皆屬黏性體，到達(dá)某一

5、溫度之后即可因黏滯度和熱膨脹特性的改變而受力變形。當(dāng)玻璃被加熱到Tg點(diǎn)以上，黏滯度便會(huì)降低，熱膨脹的效應(yīng)也較明顯，我們便利用玻璃的這種特性，來(lái)制作需要的形狀。玻璃溫度和膨脹量示意圖- 這是一個(gè)玻璃的溫度和膨脹量的示意圖。我們可以看到在低于Tg點(diǎn)和高于Tg點(diǎn)各有不同的膨脹系數(shù)，在高于Tg點(diǎn)的At點(diǎn)，也就是指膨脹屈伏點(diǎn)之后，玻璃會(huì)加速地軟化，不再以線性方式膨脹。 2-2光學(xué)玻璃溫度和黏度的關(guān)系玻璃黏度和溫度示意圖-從這張圖我們亦可看到玻璃的黏度和溫度的關(guān)系。當(dāng)玻璃的溫度高于Tg點(diǎn)之后，它的黏度會(huì)急速地下降，會(huì)軟化到適合壓造的硬度，在這樣的黏滯度之下，我們可以較輕易地去加壓模造。 第三章：非球面玻璃

6、模造制作流程 3-1非球面玻璃鏡片模造制作流程 玻璃模造制作流程圖-傳統(tǒng)的研磨方式不容易制作出非球面鏡片，因此玻璃模造制程可以說(shuō)是目前最適合制作非球面光學(xué)鏡片的技術(shù)。利用玻璃模造制程，可大量生產(chǎn)非球面鏡片。非球面玻璃鏡片的制程需要經(jīng)過(guò)幾項(xiàng)程序。首先，將玻璃球，也就是預(yù)形體制入模仁之中，此時(shí)玻璃球仍是固體，然后經(jīng)過(guò)升溫到Tg點(diǎn)以上，此時(shí)玻璃容易被塑造變形，之后轉(zhuǎn)造成模仁的形狀， 再經(jīng)過(guò)降溫、脫模等步驟，最后取出成品。玻璃模造機(jī)-現(xiàn)在我們來(lái)了解一下玻璃模造用的專用機(jī)，不同的模造專用機(jī)會(huì)有不同的加熱和加壓方式。以Toshiba公司的專用機(jī)為例子。在做玻璃模造制程的時(shí)候，我們先將預(yù)形體放在上模仁和下模

7、仁之間，利用伺服馬達(dá)施力，推動(dòng)上下模仁，擠壓預(yù)形體成為我們所需要的鏡片形狀。在這個(gè)專利中，它的加熱方式是以紅外線加熱器去加熱充氣室內(nèi)的對(duì)象，充氣室中充滿氮?dú)?，避免玻璃和模仁與空氣中的氧氣產(chǎn)生反應(yīng)。荷重指示器指示機(jī)器施力的大小，操控員可依據(jù)此去調(diào)節(jié)模造的施力大小、 壓造的溫度及模造時(shí)間，以期達(dá)到光學(xué)品質(zhì)的鏡片。 3-2非球面玻璃模造鏡片制程關(guān)連技術(shù) 這些是非球面玻璃模造鏡片制程的技術(shù)環(huán)節(jié)。首先，由光學(xué)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)所需的光學(xué)鏡片，然后經(jīng)過(guò)制造者評(píng)估，如果評(píng)估結(jié)果可行， 即著手制作玻璃預(yù)形體和精密的模仁制造加工，并在模仁的表面作一層硬膜披覆，之后將這些加工完成披覆硬膜的模仁和預(yù)形體置入模造機(jī)進(jìn)行模造制

8、程，經(jīng)由模造制程的參數(shù)控制，壓造出我們所需的鏡片，最后再利用光學(xué)量測(cè)技術(shù)量測(cè)鏡片的光學(xué)特性及形狀精度，以評(píng)估所完成的鏡片是否達(dá)到當(dāng)初光學(xué)設(shè)計(jì)者的要求。 第四章：光學(xué)設(shè)計(jì) 4-1尺寸、形狀及表面(粗糙度)的考量 現(xiàn)在我們簡(jiǎn)單介紹光學(xué)設(shè)計(jì)的部分。通常光學(xué)設(shè)計(jì)者會(huì)給予鏡片制造者一定光學(xué)設(shè)計(jì)值的鏡片。比方說(shuō)，對(duì)一個(gè)典型的非球面光學(xué)鏡片，光學(xué)設(shè)計(jì)者會(huì)標(biāo)示鏡片的尺寸大小、表面粗糙度、形狀精度，在非球面的那一面鏡片，并會(huì)標(biāo)示非球面系數(shù)，也就是構(gòu)成非球面曲度的系數(shù)。適合模造的光學(xué)玻璃群組- 光學(xué)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出所要求的鏡片之后，便交由光學(xué)玻璃廠制造適合玻璃模造的材料。我們以SUMITA和OHARA兩家光學(xué)玻璃廠生

9、產(chǎn)的玻璃材料作例子，在這張圖表中，橫軸為折射率，縱軸為T(mén)g點(diǎn)，也就是之前所提的玻璃轉(zhuǎn)化點(diǎn)。一般而言，適合運(yùn)用模造的玻璃在攝氏600度C以下，光學(xué)設(shè)計(jì)者會(huì)以Tg點(diǎn)匹配折射率，作為選擇模造光學(xué)玻璃材料的參考依據(jù)。 原料改變前與后的鏡片比較- 此外，光學(xué)玻璃廠為了生產(chǎn)適合模造的玻璃，可能會(huì)利用之前生產(chǎn)的研磨用光學(xué)玻璃來(lái)做原料上的改變。以圖上A點(diǎn)和B點(diǎn)的玻璃作例子，兩者的光學(xué)、機(jī)械等性質(zhì)相同，廠商改變傳統(tǒng)的A點(diǎn)的原料配方，讓玻璃的Tg點(diǎn)下降，改造成適合模造之用。模造光學(xué)玻璃資料表-玻璃模造的材料會(huì)有一張資料表標(biāo)示它的折射率、 玻璃熱性質(zhì)、 光透過(guò)率等。光學(xué)設(shè)計(jì)者或鏡片制造者可以運(yùn)用這些數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)制造

10、的參考。 第五章：玻璃預(yù)形體 模造制程的第一個(gè)步驟是將預(yù)形體置入模仁。但之前，我們必須先計(jì)算所需的光學(xué)鏡片的體積，然后換算成預(yù)形體的大小；也就是說(shuō)，預(yù)形體的大小必須根據(jù)最后成形的鏡片的大小來(lái)設(shè)計(jì)。 5-1不同玻璃預(yù)形體的比較 預(yù)形體大致上可以分為三種。第一種為球狀預(yù)形體，主要用于制作小尺寸的高精度鏡片，因?yàn)橹亓亢托螤畹年P(guān)系，球狀預(yù)形體被置入模仁中容易自動(dòng)定位，但是它的缺點(diǎn)是在研磨拋光的制程中，所花費(fèi)的成本較高，也由于球狀的關(guān)系，模造的行程和所費(fèi)時(shí)間也相對(duì)的增加。第二種為碁子狀的預(yù)形體，它的成本低廉，但在模仁定位上需要特別注意，否則容易出現(xiàn)壓造不均勻的現(xiàn)象，碁子狀的預(yù)形體適合制作中小尺寸的鏡片。

11、最后一種為球面鏡片，由于它的形狀已經(jīng)近似玻璃成品，因此成形行程小，然而球面鏡片花在研磨拋光的成本上十分高昂，這是它的缺點(diǎn)之一。球面鏡片適合制作中大尺寸的鏡片。5-2球狀玻璃預(yù)形體的制程 玻璃剛出廠的時(shí)候是板材的形式，要做球狀玻璃預(yù)形體之前，需將板材切割成條狀，再切割成方塊狀，最后去角磨圓，作成預(yù)形體的粗胚，粗胚通常需經(jīng)過(guò)鑄鐵盤(pán)研磨，和鉆石磨盤(pán)精磨細(xì)磨的手續(xù)，才能達(dá)到預(yù)形體的形狀精度和粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)。玻璃材質(zhì)的硬度、 耐水性及對(duì)于研磨的荷重、磨粒及轉(zhuǎn)速等控制要素都是影響預(yù)形體制程的參數(shù)。第六章：模仁 6-1模仁的選擇 因?yàn)椴ＡＴ煨枰诟邷叵逻M(jìn)行，因此對(duì)于模仁的材料和硬膜的選擇需要特別注意。首先要

12、注意的是離形性，這個(gè)意思是指模仁本身在高溫下不會(huì)和玻璃產(chǎn)生反應(yīng)，因?yàn)槿绻Ａюじ皆谀Ｈ噬?，不僅會(huì)破壞模仁，亦會(huì)對(duì)成品造成缺陷。此外，模仁本身需要有足夠的硬度及機(jī)械強(qiáng)度，材質(zhì)過(guò)軟，在模造玻璃時(shí)表面容易產(chǎn)生刮傷。第三個(gè)是高溫穩(wěn)定性，一般而言，為了不讓模仁和空氣中的氧氣產(chǎn)生反應(yīng)，在模造時(shí)我們會(huì)充入氮?dú)猓虼肆己玫哪Ｈ蕬?yīng)該不會(huì)和氮?dú)鈿夥辗磻?yīng)。 其次是耐熱沖擊性，如果說(shuō)一套模仁模造了兩、 三千次，也表示它必須忍受兩、 三千次的經(jīng)過(guò)室溫、 升溫到五六百度再降到室溫的連續(xù)過(guò)程，所以模仁材料假如不能夠耐熱沖擊的話，就容易導(dǎo)致脆化裂化，模仁的壽命也相對(duì)地減少。另外是可加工性，是指模仁能夠被加工機(jī)以鉆石磨輪或車(chē)刀

13、加工，且能達(dá)到所要求的光學(xué)等級(jí)的表面。另外，若要考慮模造的量產(chǎn)性，模仁的壽命也是選擇因素之一，模仁的壽命愈長(zhǎng)，鏡片制作的成本就愈低。 6-2碳化鎢模仁 貴金屬膜-WC 碳化鎢-碳化鎢為超硬合金的一種。經(jīng)過(guò)模造條件例如耐熱沖擊、可加工性良好以及高溫穩(wěn)定度佳的考量，我們發(fā)現(xiàn)碳化鎢可以耐熱450-600C，并有上述的優(yōu)勢(shì)，所以十分適合制作模造玻璃用的模仁。利用碳化鎢作材料來(lái)做超精密加工，形狀精度可以達(dá)到0.5um下，磨輪幾何形狀最小可達(dá)到mm的模仁曲面曲率半徑。 6-3超精密加工技術(shù) 光學(xué)鏡片有其非球面系數(shù)，相對(duì)的，在制作模仁表面加工的時(shí)候，也需要去換算相對(duì)應(yīng)模仁的非球面系數(shù)，這樣轉(zhuǎn)造的鏡片才能達(dá)到

14、光學(xué)設(shè)計(jì)所要求的形狀精度。由于所需要制作的鏡片精度相當(dāng)?shù)母?，在壓制鏡片的時(shí)候，玻璃預(yù)形體是直接轉(zhuǎn)造模仁的形狀精度和表面粗糙度，因此模仁的形狀精度和粗糙度需要一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。這是超精密模仁加工技術(shù)的超精密加工機(jī)，以鉆石輪磨的方式加工模仁，我們可以看到以這樣的技術(shù)所做出來(lái)的模仁表面， 在有效徑15mm以內(nèi)，可達(dá)到p-v值0.1842um，粗度4.9nm的精度。這樣的標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到可制作精密光學(xué)鏡片所需的要求。鉆石研磨示意圖-這是鉆石研磨示意圖，運(yùn)用鉆石磨輪研磨，至少要在兩軸的加工機(jī)上做研磨，以達(dá)到所需要精度的模仁曲面曲率。雙軸和斜軸磨輪的比較-若要作模仁曲面半徑更小的模仁，因?yàn)橛靡话汶p軸的加工機(jī)可能產(chǎn)

15、生刀具干涉的現(xiàn)象，所以如果利用如右圖所示的斜軸磨輪去作加工的話，就能夠制作模仁曲面曲率半徑更小的模仁。6-4硬模披覆 合金膜層的類型-除了碳化鎢材質(zhì)的模仁本身，我們會(huì)在模仁表面披覆上一層或多層硬質(zhì)保護(hù)膜，簡(jiǎn)稱硬膜，硬膜最主要的目的是保護(hù)模仁表面免于高溫氧化及高溫腐蝕，亦能防止玻璃與模仁表面的黏模問(wèn)題。同時(shí)由于硬膜的硬度高于玻璃的硬度，使得模仁表面不易刮傷，所以可延長(zhǎng)模仁的使用壽命。在模仁硬模披覆的研究中，硬膜材料的選擇和披覆技術(shù)的開(kāi)發(fā)將是最重要的關(guān)鍵。模仁表面的合金膜層分為兩種類型：有一種是可切削膜，以鉆石車(chē)刀切削，因此可鍍較厚的膜，之后再去做表面的切削，好處是延長(zhǎng)鉆石刀具壽命, 形狀穩(wěn)定性高

16、, 可以延長(zhǎng)模仁壽命。從這個(gè)圖標(biāo)可以清楚的看到模仁上面先披覆2號(hào)可切削膜，之后經(jīng)過(guò)切削，再覆上3號(hào)膜。另一種為貴金屬膜，具耐腐蝕耐熱沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，我們現(xiàn)在來(lái)針對(duì)貴金屬膜作更詳細(xì)的解說(shuō)。 磁控濺鍍的原理 - 硬膜材料有一種是貴金屬合金，它具有高化學(xué)穩(wěn)定度及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，它的離模性和耐沖擊性也比較好。我們是以磁控濺鍍的方式來(lái)制作貴金屬薄膜，利用電漿把氣體引導(dǎo)到濺鍍靶上使其活性化，讓合金濺鍍到制作模仁表面，形成一層非常薄的金屬層，作為硬膜。如圖所示，藍(lán)色部份為模仁，模仁上會(huì)披覆一層或多層的硬膜如橘色綠色黃色部份，主要目的是為了在模造過(guò)程延長(zhǎng)模仁的壽命，防止模仁的表面和氣氛及鏡片產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。濺鍍薄膜

17、制程與量產(chǎn)制程評(píng)估-為了達(dá)到量產(chǎn)的需求，能延長(zhǎng)模仁壽命的濺鍍薄膜是必要的。以工研院光電所為例，之前曾以貴金屬合金去做硬膜制程，經(jīng)過(guò)模造制程的過(guò)程，貴金屬合金會(huì)產(chǎn)生晶粒粗化的效應(yīng)，一旦晶粒粗化到某一程度，這樣的硬膜便無(wú)法使用，因此我們選擇濺渡制程去做硬膜，而經(jīng)過(guò)測(cè)試之后，它的成品精度:可達(dá)形狀精度小于1m，表面粗度小于100 A。以這張硬膜測(cè)試的圖來(lái)看，在攝氏500度C以上，去測(cè)試硬膜的耐熱狀況。 而這張圖則可看出，當(dāng)模造次數(shù)累積到2000次時(shí)，硬膜的cpk值會(huì)到降1.1以下，也就是說(shuō)，說(shuō)模造次數(shù)超過(guò)2000次之后就不能保證所有的成品的精度皆在規(guī)格范圍以內(nèi)。什么是cpk值呢？在品質(zhì)管制中，Cpk

18、值是用來(lái)評(píng)估品質(zhì)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)指針，我們可以從這個(gè)表格約略知道各級(jí)品質(zhì)的統(tǒng)計(jì)指針。 第七章：量測(cè)技術(shù) 當(dāng)壓造出一個(gè)鏡片之后，經(jīng)由精密量測(cè)，來(lái)驗(yàn)證鏡片是否合乎光學(xué)設(shè)計(jì)的要求。 7-1接觸式量測(cè) Form Talysurf-Form Talysurf 屬于接觸式量測(cè)，利用探針劃過(guò)鏡片的表面，檢驗(yàn)其粗糙度和形狀精度。這張圖中鋸齒狀的曲線即代表儀器劃過(guò)鏡片表面的型態(tài)，以這套儀器，我們可以測(cè)出在有效徑15mm中，非球面玻璃鏡片可達(dá)到pv值0.1842um，粗度4.9nm的標(biāo)準(zhǔn)。7-2非接觸式量測(cè) 干涉儀-一種為干涉儀。之前提到的Form Talysurf是以探針在鏡片表面劃一條線去做量測(cè)，然后我們?cè)趲状蔚牟蓸又腥z視玻璃成品是否在所需的規(guī)格范圍之內(nèi)。但干涉儀不同，它的測(cè)量結(jié)果可以呈現(xiàn)鏡片或模仁的整個(gè)表面形狀精度。這里以DVD系統(tǒng)用CD讀取頭的量測(cè)結(jié)果為例，它的p-v值小于0.35，Rms小于0.035。 非接觸式三次元量測(cè)儀-我們?cè)賮?lái)看Panasonic UA3P非接觸式三次元量測(cè)儀。用它來(lái)量測(cè)金屬模仁，模仁形狀精度可達(dá)0.2um，成品形狀精度可達(dá)0.3um，品質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求。非接觸式量測(cè)儀的好處是不會(huì)刮傷到模仁和鏡片的表面。       碳化鎢小常識(shí) - 所謂超硬合金，意指以化學(xué)周期表、族中種元素之