光學(xué)塑料的非球面加工

1、申報(bào)博士況申報(bào)博士況光學(xué)塑料的非球面加工2概述光學(xué)塑料非球面技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)非球面的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用光學(xué)塑料的優(yōu)缺點(diǎn)光學(xué)塑料的非球面設(shè)計(jì)特點(diǎn)和加工方法影響光學(xué)塑料透鏡質(zhì)量的主要因素和檢驗(yàn)方法 光學(xué)塑料零件的表面鍍膜非球面面形的檢測(cè)目錄3 隨著非球面設(shè)計(jì)、檢測(cè)和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們也在逐步研制性能更優(yōu)良的光學(xué)塑料，越來(lái)越多的新型光電產(chǎn)品開(kāi)始采用光學(xué)塑料非球面零件。 光學(xué)塑料零件的一大特點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，尤其是一些難加工的光學(xué)零件的制造。它在可見(jiàn)光的透過(guò)率和玻璃元件差不多，紫外和近紅外透過(guò)可以?xún)?yōu)于玻璃。概述4光學(xué)塑料非球面技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 近幾年來(lái)，我國(guó)光學(xué)制造企業(yè)在光學(xué)塑料非球面，特別

2、是小尺寸非球面零件的制造技術(shù)方面，有很大的進(jìn)步。但隨著新產(chǎn)品和新技術(shù)的發(fā)展，仍然在制造設(shè)備和技術(shù)的提高等方面有巨大的發(fā)展空間。5 所謂球面和非球面,主要是針對(duì)各種光學(xué)儀器的鏡頭或者眼鏡的鏡片幾何形狀而言。球面是一種旋轉(zhuǎn)曲面,球面上每一點(diǎn)的曲率半徑是相同的。非球面與球面的區(qū)別：6非球面的種類(lèi)：非球面光學(xué)曲面包括有回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)非球面（如拋物面、橢球面、漸開(kāi)面、雙曲面等二次曲面以及高次曲面）。沒(méi)有任何對(duì)稱(chēng)軸的非回轉(zhuǎn)非球面（如離軸非球面以及自由光學(xué)曲面）。7非球面的優(yōu)點(diǎn)： 在光學(xué)零件中非球面可以消除球面鏡片在光傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的球差、彗差、像散、場(chǎng)曲及畸變等諸多不利因素,減少光能損失,從而獲得高質(zhì)量的圖

3、象效果和高品質(zhì)的光學(xué)特征。 光學(xué)儀器設(shè)備采用非球面鏡片優(yōu)點(diǎn)有重量輕、成本低、使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活。8非球面的主要應(yīng)用：軍用方面： 軍用激光裝置、熱成像裝置、微光夜視頭盔、紅外掃描裝置、導(dǎo)彈引導(dǎo)頭和各種變焦鏡頭等。民用方面： 攝像機(jī)的取景器、變焦鏡頭，醫(yī)療診斷用的內(nèi)窺鏡,漸進(jìn)鏡片以及數(shù)碼產(chǎn)品攝像鏡頭等。9光學(xué)塑料的優(yōu)缺點(diǎn)PMMAPSPC 目前最常用的光學(xué)塑料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）又叫做亞克力或有機(jī)玻璃，有高透明度、低價(jià)格、易于機(jī)械加工等優(yōu)點(diǎn)；聚苯乙烯（PS），電絕緣性（尤其高頻絕緣性）優(yōu)良，透光率僅次于有機(jī)玻璃；聚碳酸酯（PC）。10光學(xué)塑料的優(yōu)點(diǎn)：（1） 能進(jìn)行大批量生產(chǎn)和降低制造成本

4、 由于光學(xué)塑料有很好的成型性能，因此用模壓法可以很容易地成型，并且可以一模多腔，達(dá)到非常大的批量生產(chǎn)能力。因此大大降低了單個(gè)零件的制造成本。（2）可以設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的形狀 光學(xué)玻璃零件很難研磨和拋光成球面和平面以外的形狀。然而用注射成型的方法，光學(xué)塑料可以很容易且經(jīng)濟(jì)地制造成非球面、微透鏡陣列、菲涅耳透鏡等面形復(fù)雜的零件。11（3）重量輕、耐沖擊 光學(xué)塑料的密度僅為玻璃的1/21/3，因此可以減輕系統(tǒng)的重量。光學(xué)塑料的耐沖擊強(qiáng)度要比玻璃高得多。（4）零件的質(zhì)量一致 由于所有的透鏡都是用相同的模芯壓制，只要采用合理而穩(wěn)定的工藝參數(shù)，光學(xué)塑料零件的面形就能具有非常好的一致性。（5）可以同時(shí)壓出光學(xué)面

5、和定位面12光學(xué)塑料的缺點(diǎn)：（1）對(duì)溫度和濕度等環(huán)境的變化更為靈敏。 光學(xué)塑料的吸濕性和熱膨脹系數(shù)比玻璃大得多。光學(xué)塑料的折射率溫度系數(shù)比玻璃要大650倍。所以一般塑料光學(xué)零件的最高連續(xù)工作溫度不得高于80120。（2）模壓成型光學(xué)塑料零件存在不同程度的雙折射。13（3）注射成型過(guò)程影響表面面形精度。 由于材料在成型過(guò)程中的流動(dòng)模式，冷卻和固化收縮，光學(xué)零件的面形精度會(huì)受到影響。大多數(shù)光學(xué)塑料零件在成型時(shí)的收縮率一般是模具尺寸的0.1%0.6%， 隨材料和生產(chǎn)過(guò)程的不同而不同。14光學(xué)塑料的加工方法目前光學(xué)塑料零件的加工方法有兩大類(lèi): 一類(lèi)是模塑法，如注射成型、壓塑成型、鑄塑成型及放射線(xiàn)成型等

6、; 另一類(lèi)是直接加工法，也稱(chēng)機(jī)械加工法或冷加工法.即研磨一拋光法和用金剛石車(chē)直接切削法。15光學(xué)塑料的加工方法注射成型法 注射成型法是熱塑性塑料的主要成型，適用于大批中小型零件的生產(chǎn)。注射成型的工藝是將塑料加熱到流動(dòng)狀態(tài)，以很高的壓力和較快的速度注入精密的模具中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的冷卻零件就可以從模具中提取出來(lái)，成型零件經(jīng)過(guò)表面處理，就可以用作光零件，而不用拋光。注射成型法的特點(diǎn)是成型零件的形狀范圍廣，除了產(chǎn)生雙凸、雙凹、平凸、彎月形等各種透鏡外，還可以生產(chǎn)透鏡系列、校正鏡和非球面透鏡，并且生產(chǎn)效率高，成本低。16光學(xué)塑料的加工方法壓塑成型法 壓塑成型法也稱(chēng)模壓成型法或熱壓成型法。其工藝是將預(yù)熱的

7、塑料毛坯放入加熱過(guò)的模具中，施加壓力，是塑料充滿(mǎn)型腔，保持加熱和加壓，使塑料成型，然后脫模取出成型零件。這種方法是我國(guó)目前制造塑料光學(xué)零件的主要方法，例如，菲涅爾透鏡，內(nèi)反射錐形棱鏡等。與注射成型法相比，模壓成型工藝容易控制，制品尺寸較大；但如生產(chǎn)批量小，會(huì)使模具費(fèi)用偏高，成本增加。17光學(xué)塑料的加工方法鑄塑成型法 鑄塑成型法也稱(chēng)為澆鑄法。其工藝是在流動(dòng)態(tài)的塑料單體或部分聚合的塑料中加上適當(dāng)?shù)囊l(fā)劑，然后澆入模具中，使其在一定的溫度和常壓或低壓下，經(jīng)一定時(shí)間的化學(xué)變化而固化，脫模后即得到光學(xué)塑料零件。這種成型工藝可以使制件的均勻性更好，表面精度更高。目前世界各國(guó)用于視力矯正的眼鏡片，絕大多數(shù)均

8、為澆鑄法生產(chǎn)。18光學(xué)塑料的加工方法放射線(xiàn)成型法 在高精度光學(xué)零件中，光學(xué)塑料零件未能更好更普通應(yīng)用的一個(gè)重要原因是，成型加工后制得的零件，光學(xué)均勻性和表面精度等難以滿(mǎn)足。以上各方法，均是加熱方法，在高溫下，由于分子的流動(dòng)和溫度分布的影響，局部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，并且零件體積也隨著冷卻而大大收縮，從而給零件帶來(lái)形變，損壞了它的光學(xué)性能。現(xiàn)在日本提出了一種新的成型方法放射線(xiàn)法。其原理是利用放射線(xiàn)的能力和穿透力，使光學(xué)塑料的單體在較低的溫度范圍內(nèi)，并在高粘度狀態(tài)下，發(fā)生聚合。這樣就能有效地控制反應(yīng)熱和體積收縮，從而改善了成型零件的光學(xué)性能。19光學(xué)塑料的加工方法刀具切削直接加工 金剛石刀具直接用來(lái)加工光學(xué)

9、塑料零件。機(jī)械加工 將已是板材或片材的光學(xué)塑料劃裁出所需形狀，再進(jìn)行研磨拋光制成光學(xué)零件。20 注射成型的光學(xué)塑料透鏡，均為一次注射成型。它要求透明度極高，這就給注射成型造成了一定困難。因此，對(duì)于注射成型光學(xué)塑料制品模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇以及制造精度等都提出了較高的要求。光學(xué)塑料零件的注射成型技術(shù)：21 光學(xué)塑料注射成型法是將經(jīng)過(guò)加熱成為流體的定量的光學(xué)塑料注射到不銹鋼模具中，在加熱加壓條件下成型，經(jīng)冷卻固化后打開(kāi)模具便可獲得所需要的光學(xué)塑料零件的一種非球面光學(xué)塑料透鏡加工技術(shù)。 注射成型又叫注塑，它是光學(xué)塑料成型技術(shù)的其中一種，其它還有鑄造成型、壓制成型等技術(shù)，而光學(xué)塑料成型技術(shù)是當(dāng)前制造

10、塑料非球面光學(xué)零件的先進(jìn)技術(shù)。22光學(xué)塑料零件的注塑：1.光學(xué)塑料零件注塑機(jī) 注塑機(jī)是實(shí)現(xiàn)注塑過(guò)程的設(shè)備，使塑料融化而塑化；并能將塑化的物料注入模具腔中成型。23注射裝置：注射裝置一般包括料斗、計(jì)量裝置、螺桿傳動(dòng)裝置、注射和移動(dòng)油缸、機(jī)筒和噴嘴加熱裝置、塑化注射部分。合模裝置：合模裝置主要有固定模板、移動(dòng)模板、連接模板用的拉桿、合模油缸、成品頂出裝置等。24液壓傳動(dòng)和電氣系統(tǒng)： 液壓傳動(dòng)和電氣控制系統(tǒng)是為了保證注射機(jī)完成塑化、注射和成型各工藝過(guò)程預(yù)定的要求和動(dòng)作程序，準(zhǔn)確有效地設(shè)置動(dòng)力和控制系統(tǒng)。主要有電動(dòng)機(jī)、油泵、管道、各種閥門(mén)和其他液壓件、控制箱等。機(jī)座： 支撐和固定鐵芯、繞組等部件，將定

11、子、轉(zhuǎn)子連接組裝起來(lái)的結(jié)構(gòu)件，同時(shí)起到方便設(shè)備安裝，適應(yīng)不同的設(shè)備及安裝環(huán)境而調(diào)整安裝尺寸的作用。252.模具 模具的質(zhì)量是注射成型技術(shù)的關(guān)鍵。模具是在注射時(shí)使塑料成型的一個(gè)腔體裝置，組成模具型腔的零件稱(chēng)為成型部件，主要由凸模、凹模、型芯、嵌件和鑲塊等組成；構(gòu)成模具上型腔的模具零件叫模芯，模芯是模具中最精密、最關(guān)鍵的部分，由它完成注塑技術(shù)中對(duì)零件的復(fù)制。262728光學(xué)塑料非球面設(shè)計(jì)的特點(diǎn)29光學(xué)塑料非球面設(shè)計(jì)特點(diǎn)30影響光學(xué)塑料零件的主要因素 影響透鏡質(zhì)量的主要因素有注射溫度、注射壓力、注射時(shí)間、保壓壓力、保壓時(shí)間和模具溫度等。這些工藝條件的選擇是注射成型技術(shù)的關(guān)鍵。 傳統(tǒng)上，注射模具設(shè)計(jì)及

12、注射工藝制定要依賴(lài)工程師的經(jīng)驗(yàn)和技巧，實(shí)際的缺陷也只靠反復(fù)試模給予修正，缺乏理論依據(jù)和科學(xué)計(jì)算方法。由于光學(xué)塑料透鏡的壁厚不均性，如能預(yù)先知道熔料在流經(jīng)澆注系統(tǒng)和型腔時(shí)的剪切速率、溫度、壓力及時(shí)間等，就能合理確定模具結(jié)構(gòu)和注射工藝，提高產(chǎn)品的一次成功率。31影響光學(xué)塑料零件的主要因素下面介紹一些因素對(duì)光學(xué)塑料透鏡質(zhì)量的影響規(guī)律:（1）在注射產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸一定的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣咦⑸錅囟群湍＞邷囟葘?duì)快速充模是有利的。隨著注射溫度的提高，熔體的表觀(guān)粘度呈指數(shù)關(guān)系下降，粘度降低，熔體易于充模;而溫度越高，就越容易造成產(chǎn)品收縮不均，透鏡產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力及雙折射現(xiàn)象，使面形精度無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。32影響光

13、學(xué)塑料零件的主要因素（2）為了提高塑料光學(xué)透鏡的表面光潔度，也可適當(dāng)提高注射壓力，把高聚物熔料擠到模具表面，減少充模流動(dòng)痕跡，就能復(fù)制出與模具的光潔度一樣的塑料透鏡。如果注射壓力過(guò)低，性射時(shí)間長(zhǎng)，熔化的高聚物在擠壓到型腔表面上時(shí)可能冷卻、凝固，復(fù)制不出像模具型腔拋光表面的光潔度。33影響光學(xué)塑料零件的主要因素（3）模具溫度提高，冷卻周期加長(zhǎng)，注入模腔中的高聚物大分子的深度取向得到松弛，從而獲得折射率均勻一致高質(zhì)量產(chǎn)品。模具溫度高，高聚物顆粒保持融化時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)品的致密性好，表面光潔度也就提高了。（4）注射到模具型腔高溫熔體，冷卻液體變?yōu)楣腆w，體積發(fā)生變化。所以需要較高壓力下注料。保壓就是利用熔

14、體的可壓縮性來(lái)解決過(guò)量收縮問(wèn)題。保壓壓力越高，體積收縮越小。34光學(xué)塑料零件的檢驗(yàn)1.外觀(guān)檢驗(yàn) 外觀(guān)檢驗(yàn)主要是檢驗(yàn)材料的均勻性、透明度、色澤和顆粒的大小。2.工藝性能檢驗(yàn) 工藝性能檢驗(yàn)主要是檢驗(yàn)水分、收縮率、流動(dòng)性和熔融指數(shù)。一、塑料原料質(zhì)量的檢驗(yàn) 原材料的質(zhì)量直接影響塑料零件的外觀(guān)、尺寸精度和物理性能。35 加料量每次應(yīng)相等，以保證均勻塑化。溫度合適的檢驗(yàn)方法是，在模具和噴嘴脫開(kāi)狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)空注射，流出的塑料條應(yīng)光滑明亮、無(wú)變色、無(wú)氣泡、銀絲。 壓力包括塑化壓力、注射壓力、保壓壓力等。 一次注射全過(guò)程包括閉模、注射、保壓、冷卻、開(kāi)模頂出塑件等。 控制模具溫度主要有冷卻介質(zhì)控制和熔料注入的自然

15、升溫和散熱控制。二、注射工藝過(guò)程檢驗(yàn)36光學(xué)塑料零件的檢驗(yàn)三、塑料透鏡的曲率半徑檢驗(yàn) 制造塑料光學(xué)零件必須檢檢其面型精度。由于塑料光學(xué)元件表面硬度低，接觸式檢測(cè)易劃傷其表面是表面變形。因此塑料透鏡面形檢測(cè)必須是非接觸度的。圖為一種檢驗(yàn)塑料透鏡的曲率半徑的儀器結(jié)構(gòu)示意圖，可以依據(jù)成像質(zhì)量定性判別表面的完善程度。37光學(xué)塑料零件的表面鍍膜 塑料零件成型后，為了改進(jìn)和提高其物理和化學(xué)性能，延長(zhǎng)其使用壽命，從而擴(kuò)大它的適用范圍提高經(jīng)濟(jì)效益。通常都要進(jìn)行鍍膜處理，根據(jù)需要在光學(xué)零件塑料表面鍍減反膜、反射膜、分光膜、濾光膜、抗靜電膜和耐磨膜以及防水膜。38光學(xué)塑料零件的表面鍍膜 在光學(xué)領(lǐng)域最常用的光學(xué)塑料

16、有:聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸脂(PC)三種熱塑性塑料。若要正確地進(jìn)行塑料透鏡的鍍膜,首先必須充分地了解塑料和膜料的理化性能及其相互間的關(guān)系。(一)內(nèi)應(yīng)力:從力學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,塑料透鏡在成型過(guò)程中容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,而且不易消除。內(nèi)應(yīng)力大就容易使塑料透鏡產(chǎn)生裂紋,同時(shí)膜料沉積到這種透鏡表面后,內(nèi)應(yīng)力還會(huì)轉(zhuǎn)移到膜層上來(lái),從而降低薄膜的穩(wěn)定性,甚至使膜層開(kāi)裂起皺。因此膜層應(yīng)能經(jīng)得起這種內(nèi)應(yīng)力而不開(kāi)裂或脫皮。39光學(xué)塑料零件的表面鍍膜(二)靜電:塑料表面具有高阻抗性質(zhì),它經(jīng)摩擦后容易產(chǎn)生靜電,而且?guī)缀鯚o(wú)限制地保留。若塑料透鏡帶上了靜電,就會(huì)在鏡片表面吸附灰塵,這些灰塵不容易用吹氣

17、球吹去,用紗布也不容易擦掉,由靜電引起的灰塵附著可使薄膜增加麻點(diǎn),甚至開(kāi)裂。(三)耐磨和耐劃傷性差,容易受各種機(jī)械損傷。為了清潔鏡片表面所施加的力也會(huì)劃傷鏡片表面。40光學(xué)塑料零件的表面鍍膜(四)抗化學(xué)性和耐溶劑性較差,許多化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑對(duì)光學(xué)塑料具有腐蝕作用。主要光學(xué)塑料的耐溶劑性能表41(五)耐熱性差。光學(xué)塑料的耐熱溫度均在90C左右,加溫會(huì)使零件變形,還會(huì)因熱疲勞而產(chǎn)生裂紋,造成塑料老化,透過(guò)率嚴(yán)重下降,從而給真空鍍膜帶來(lái)困難。光學(xué)塑料零件的表面鍍膜(六)光學(xué)塑料的吸水性比光學(xué)玻璃大,尤其是在高溫下,潮濕將使膜層的附著力惡化。(七)光學(xué)塑料的熱膨脹比光學(xué)玻璃嚴(yán)重。42光學(xué)塑料零件的表

18、面鍍膜主要光學(xué)塑料的物理性能43光學(xué)塑料零件的表面鍍膜 目前光學(xué)塑料零件常用的鍍膜方法有真空蒸鍍法、離子鍍膜法、濺射鍍膜法和化學(xué)鍍膜法等,一般來(lái)說(shuō),玻璃零件的鍍膜技術(shù)同樣可以用于塑料光學(xué)零件。 但是從膜層的附著強(qiáng)度來(lái)看,用塑料基底時(shí),與玻璃相比是很弱的。另外塑料具有與玻璃不同的特性,其鍍膜工藝不能照搬玻璃透鏡的鍍膜工藝,而有其獨(dú)特的工藝措施?？梢詫?duì)比玻璃透鏡和塑料透鏡的鍍膜工藝流程。44光學(xué)塑料零件的表面鍍膜（玻璃 和 塑料透鏡鍍膜工藝流程）45光學(xué)塑料零件的表面鍍膜 以真空蒸鍍法為例，為了減少鍍膜時(shí)蒸發(fā)源對(duì)塑料透鏡的熱輻射,避免透鏡受熱變形;為了提高膜層的質(zhì)量，要求:1.盡可能選用口徑大、帶

19、有電子槍、抽速快的真空鍍膜機(jī);2.在滿(mǎn)足光學(xué)性能要求的前提下,應(yīng)選用層數(shù)盡量少的膜系；3. 膜料除了要有高純度外,膜料還要滿(mǎn)足下表。46光學(xué)塑料零件的表面鍍膜 塑料透鏡的真空蒸鍍工藝與玻璃透鏡基本相同,所不同的是塑料透鏡不能像玻璃透鏡那樣烘烤,而在室溫下淀積會(huì)降低膜層在塑料透鏡上的附著力,必須尋求其它工藝手段來(lái)提高膜層的附著力,如控制適當(dāng)?shù)牡矸e速率和蒸鍍過(guò)程等。 蒸發(fā)方法:目前常用的有電阻熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)的方法。由于電子束蒸發(fā)比電阻熱蒸發(fā)的熱輻射小,蒸發(fā)速率快且淀積的膜層數(shù)致密,所以對(duì)于塑料透鏡最好選用電子束蒸發(fā)方法。在塑料透鏡上制備硬膜時(shí),要盡量縮短鍍膜時(shí)間,以減少對(duì)塑料透鏡的熱輻射。并且蒸發(fā)離離子轟擊結(jié)束的時(shí)間越近越好。47非球面面形的檢測(cè) 對(duì)于非球面的檢測(cè)從原理上看，可分為三類(lèi)：利用光的直線(xiàn)性的幾何光線(xiàn)法，利用光的波動(dòng)性的干涉法，利用測(cè)頭對(duì)整個(gè)被測(cè)面進(jìn)行掃描的直接面形輪廓法。48非球面面形的檢測(cè) 刀口陰影法實(shí)質(zhì)上是發(fā)現(xiàn)會(huì)聚同心光束完善程度的一種非常靈敏的方法，最初多用于檢驗(yàn)大口徑光學(xué)元件的面形誤差，主要適用于各種尺寸的旋轉(zhuǎn)二