广州眼镜盒价格交流社

玻璃模造技术(宝贵资料)

光学人生2019-06-26 12:08:00

第一章:玻璃模造技术的优点

1-1模造塑料镜片vs.模造玻璃镜片

玻璃模造镜片和塑料镜片的差异--
玻璃模造镜片和塑料镜片的差异在哪里呢?以光学系统的适用上来说,玻璃有多样好处,例如玻璃本身耐高温,有较高的透光率、折射率,和抗湿度,玻璃材质的稳定度也比塑料来得好。但是,塑料也有其优点,因为它的变形量比玻璃大,可以作较大尺寸的光学镜片;其次,在重量和价格上也比玻璃来得轻来得便宜。
因此,当我们在选择光学镜片的时候,应从不同的取向去判断最符合需要的镜片。
1-2
传统研磨玻璃镜片vs.模造玻璃镜片

传统研磨玻璃镜片和模造玻璃镜片的比较--
在讲述玻璃模造技术之前,我们先了解一下它和传统的光学玻璃镜片制作有什么不同。
传统的玻璃镜片制作技术需要经过繁复的步骤,例如粗磨、细磨、拋光等,所花的时间相对的增多。然而,模造光学镜片的产生,只需要玻璃的预形体,直接以模造的方式即能压制成品,所以十分适合大量的生产,可以说是新进且方便的光学玻璃镜片制造技术。
1-3
球面透镜vs.非球面透镜

非球面透镜和球面透镜的比较--
什么是非球面透镜?我们可以从图上看出非球面透镜和球面透镜在形状上的差异。这样的形状有什么好处呢?一般来说,单面的球面透镜因为球面的色像差可能导致失焦的状况,而非球面镜片正好可以弥补这种不足,它能够消除球面的色像差。此外,若光学成像需要两三片以上的球面透镜去作成像的功能,但是我们可以用一片的非球面透镜去达成同样的功能,而减少光机系统的重量和镜片的数目,以做出重量更为轻巧成本更为低廉的产品。
非球面透镜的优点--
我们以CD读取头来做例子。在1983年, CD读取头尚需要五片镜片,但在引入非球面镜片之后,我们可以在1984年的图中,看到原本接物透境的三片球面镜片已经可以用一片的非球面镜片取代。在逐渐的发展中,最后甚至可以仅以一片非球面镜片达到原本的功能。在许多产品中,如放影机的镜头组、相机的镜头组都可以看到非球面镜片的应用,它不仅减少整个光学系统上镜片所需的数目,也让产品能够设计的愈来愈轻巧。这两款相机镜头的比较,可以明显看出右边的镜头导入非球面透镜后的重量几乎减少了一半。
第二章:非球面玻璃模造的原理

玻璃模造制程技术的主要依据原理,是利用玻璃随温度升高黏滞度降低的特性,将已初成形的玻璃预形体置于精密加工成形的模具内,在适当的环境气氛下,升温至温度介于玻璃转移温度,即所谓Tg点到软化点之间,藉由模仁表面施压使玻璃变形,转造模仁形状,冷却后去除压力、分模,取出成品。
2-1
玻璃模造温度与热膨胀的关系

Tg: Transformation temperature 玻璃温度转移点--
什么是Tg点呢?Tg点(Transformation temperature )表示玻璃温度转移点。不同于水的三态,玻璃和麦芽糖、柏油一样皆属黏性体,到达某一温度之后即可因黏滞度和热膨胀特性的改变而受力变形。当玻璃被加热到Tg点以上,黏滞度便会降低,热膨胀的效应也较明显,我们便利用玻璃的这种特性,来制作需要的形状。
玻璃温度和膨胀量示意图--
这是一个玻璃的温度和膨胀量的示意图。我们可以看到在低于Tg点和高于Tg点各有不同的膨胀系数,在高于Tg点的At点,也就是指膨胀屈伏点之后,玻璃会加速地软化,不再以线性方式膨胀。

2-2光学玻璃温度和黏度的关系
玻璃黏度和温度示意图--
从这张图我们亦可看到玻璃的黏度和温度的关系。当玻璃的温度高于Tg点之后,它的黏度会急速地下降,会软化到适合压造的硬度,在这样的黏滞度之下,我们可以较轻易地去加压模造。

第三章:非球面玻璃模造制作流程

3-1非球面玻璃镜片模造制作流程

玻璃模造制作流程图--
传统的研磨方式不容易制作出非球面镜片,因此玻璃模造制程可以说是目前最适合制作非球面光学镜片的技术。利用玻璃模造制程,可大量生产非球面镜片。
非球面玻璃镜片的制程需要经过几项程序。首先,将玻璃球,也就是预形体制入模仁之中,此时玻璃球仍是固体,然后经过升温到Tg点以上,此时玻璃容易被塑造变形,之后转造成模仁的形状,再经过降温、脱模等步骤,最后取出成品。
玻璃模造机--
现在我们来了解一下玻璃模造用的专用机,不同的模造专用机会有不同的加热和加压方式。以Toshiba公司的专用机为例子。
在做玻璃模造制程的时候,我们先将预形体放在上模仁和下模仁之间,利用伺服马达施力,推动上下模仁,挤压预形体成为我们所需要的镜片形状。在这个专利中,它的加热方式是以红外线加热器去加热充气室内的对象,充气室中充满氮气,避免玻璃和模仁与空气中的氧气产生反应。荷重指示器指示机器施力的大小,操控员可依据此去调节模造的施力大小、压造的温度及模造时间,以期达到光学品质的镜片。

3-2非球面玻璃模造镜片制程关连技术

这些是非球面玻璃模造镜片制程的技术环节。首先,由光学设计者设计所需的光学镜片,然后经过制造者评估,如果评估结果可行,即着手制作玻璃预形体和精密的模仁制造加工,并在模仁的表面作一层硬膜披覆,之后将这些加工完成披覆硬膜的模仁和预形体置入模造机进行模造制程,经由模造制程的参数控制,压造出我们所需的镜片,最后再利用光学量测技术量测镜片的光学特性及形状精度,以评估所完成的镜片是否达到当初光学设计者的要求。
第四章:光学设计

4-1尺寸、形状及表面(粗糙度)的考量

现在我们简单介绍光学设计的部分。通常光学设计者会给予镜片制造者一定光学设计值的镜片。比方说,对一个典型的非球面光学镜片,光学设计者会标示镜片的尺寸大小、表面粗糙度、形状精度,在非球面的那一面镜片,并会标示非球面系数,也就是构成非球面曲度的系数。
适合模造的光学玻璃群组--
光学设计者设计出所要求的镜片之后,便交由光学玻璃厂制造适合玻璃模造的材料。我们以SUMITAOHARA两家光学玻璃厂生产的玻璃材料作例子,在这张图表中,横轴为折射率,纵轴为Tg点,也就是之前所提的玻璃转化点。一般而言,适合运用模造的玻璃在摄氏600C以下,光学设计者会以Tg点匹配折射率,作为选择模造光学玻璃材料的参考依据。
原料改变前与后的镜片比较--
此外,光学玻璃厂为了生产适合模造的玻璃,可能会利用之前生产的研磨用光学玻璃来做原料上的改变。以图上A点和B点的玻璃作例子,两者的光学、机械等性质相同,厂商改变传统的A点的原料配方,让玻璃的Tg点下降,改造成适合模造之用。
模造光学玻璃资料表--
玻璃模造的材料会有一张资料表标示它的折射率、玻璃热性质、光透过率等。光学设计者或镜片制造者可以运用这些数据作为设计制造的参考。
第五章:玻璃预形体

模造制程的第一个步骤是将预形体置入模仁。但之前,我们必须先计算所需的光学镜片的体积,然后换算成预形体的大小;也就是说,预形体的大小必须根据最后成形的镜片的大小来设计。

5-1不同玻璃预形体的比较

预形体大致上可以分为三种。第一种为球状预形体,主要用于制作小尺寸的高精度镜片,因为重量和形状的关系,球状预形体被置入模仁中容易自动定位,但是它的缺点是在研磨拋光的制程中,所花费的成本较高,也由于球状的关系,模造的行程和所费时间也相对的增加。第二种为碁子状的预形体,它的成本低廉,但在模仁定位上需要特别注意,否则容易出现压造不均匀的现象,碁子状的预形体适合制作中小尺寸的镜片。最后一种为球面镜片,由于它的形状已经近似玻璃成品,因此成形行程小,然而球面镜片花在研磨拋光的成本上十分高昂,这是它的缺点之一。球面镜片适合制作中大尺寸的镜片。
5-2
球状玻璃预形体的制程

玻璃刚出厂的时候是板材的形式,要做球状玻璃预形体之前,需将板材切割成条状,再切割成方块状,最后去角磨圆,作成预形体的粗胚,粗胚通常需经过铸铁盘研磨,和钻石磨盘精磨细磨的手续,才能达到预形体的形状精度和粗糙度的标准。玻璃材质的硬度、耐水性及对于研磨的荷重、磨粒及转速等控制要素都是影响预形体制程的参数。
第六章:模仁

6-1模仁的选择

因为玻璃模造需要在高温下进行,因此对于模仁的材料和硬膜的选择需要特别注意。
首先要注意的是离形性,这个意思是指模仁本身在高温下不会和玻璃产生反应,因为如果玻璃黏附在模仁上,不仅会破坏模仁,亦会对成品造成缺陷。此外,模仁本身需要有足够的硬度及机械强度,材质过软,在模造玻璃时表面容易产生刮伤。第三个是高温稳定性,一般而言,为了不让模仁和空气中的氧气产生反应,在模造时我们会充入氮气,因此良好的模仁应该不会和氮气气氛反应。其次是耐热冲击性,如果说一套模仁模造了两、三千次,也表示它必须忍受两、三千次的经过室温、升温到五六百度再降到室温的连续过程,所以模仁材料假如不能够耐热冲击的话,就容易导致脆化裂化,模仁的寿命也相对地减少。另外是可加工性,是指模仁能够被加工机以钻石磨轮或车刀加工,且能达到所要求的光学等级的表面。另外,若要考虑模造的量产性,模仁的寿命也是选择因素之一,模仁的寿命愈长,镜片制作的成本就愈低。

6-2碳化钨模仁

贵金属膜-WC 碳化钨--
碳化钨为超硬合金的一种。经过模造条件例如耐热冲击、可加工性良好以及高温稳定度佳的考量,我们发现碳化钨可以耐热450-600C,并有上述的优势,所以十分适合制作模造玻璃用的模仁。利用碳化钨作材料来做超精密加工,形状精度可以达到0.5um下,磨轮几何形状最小可达到3mm的模仁曲面曲率半径。
6-3
超精密加工技术

光学镜片有其非球面系数,相对的,在制作模仁表面加工的时候,也需要去换算相对应模仁的非球面系数,这样转造的镜片才能达到光学设计所要求的形状精度。由于所需要制作的镜片精度相当的高,在压制镜片的时候,玻璃预形体是直接转造模仁的形状精度和表面粗糙度,因此模仁的形状精度和粗糙度需要一定的标准要求。
这是超精密模仁加工技术的超精密加工机,以钻石轮磨的方式加工模仁,我们可以看到以这样的技术所做出来的模仁表面,在有效径15mm以内,可达到p-v0.1842um,粗度4.9nm的精度。这样的标准已达到可制作精密光学镜片所需的要求。
钻石研磨示意图--
这是钻石研磨示意图,运用钻石磨轮研磨,至少要在两轴的加工机上做研磨,以达到所需要精度的模仁曲面曲率。
双轴和斜轴磨轮的比较--
若要作模仁曲面半径更小的模仁,因为用一般双轴的加工机可能产生刀具干涉的现象,所以如果利用如右图所示的斜轴磨轮去作加工的话,就能够制作模仁曲面曲率半径更小的模仁。
6-4
硬模披覆

合金膜层的类型--
除了碳化钨材质的模仁本身,我们会在模仁表面披覆上一层或多层硬质保护膜,简称硬膜,硬膜最主要的目的是保护模仁表面免于高温氧化及高温腐蚀,亦能防止玻璃与模仁表面的黏模问题。同时由于硬膜的硬度高于玻璃的硬度,使得模仁表面不易刮伤,所以可延长模仁的使用寿命。在模仁硬模披覆的研究中,硬膜材料的选择和披覆技术的开发将是最重要的关键。模仁表面的合金膜层分为两种类型:
有一种是可切削膜,以钻石车刀切削,因此可镀较厚的膜,之后再去做表面的切削,好处是延长钻石刀具寿命, 形状稳定性高, 可以延长模仁寿命。从这个图标可以清楚的看到模仁上面先披覆2号可切削膜,之后经过切削,再覆上3号膜。
另一种为贵金属膜,具耐腐蚀耐热冲击性等优点,我们现在来针对贵金属膜作更详细的解说。
磁控溅镀的原理 --
硬膜材料有一种是贵金属合金,它具有高化学稳定度及耐腐蚀等优点,它的离模性和耐冲击性也比较好。我们是以磁控溅镀的方式来制作贵金属薄膜,利用电浆把气体引导到溅镀靶上使其活性化,让合金溅镀到制作模仁表面,形成一层非常薄的金属层,作为硬膜。
如图所示,蓝色部份为模仁,模仁上会披覆一层或多层的硬膜如橘色绿色黄色部份,主要目的是为了在模造过程延长模仁的寿命,防止模仁的表面和气氛及镜片产生化学反应。
溅镀薄膜制程与量产制程评估--
为了达到量产的需求,能延长模仁寿命的溅镀薄膜是必要的。以工研院光电所为例,之前曾以贵金属合金去做硬膜制程,经过模造制程的过程,贵金属合金会产生晶粒粗化的效应,一旦晶粒粗化到某一程度,这样的硬膜便无法使用,因此我们选择溅渡制程去做硬膜,而经过测试之后,它的成品精度:可达形状精度小于1μm,表面粗度小于100 A
以这张硬膜测试的图来看,在摄氏500C以上,去测试硬膜的耐热状况。而这张图则可看出,当模造次数累积到2000次时,硬膜的cpk值会到降1.1以下,也就是说,说模造次数超过2000次之后就不能保证所有的成品的精度皆在规格范围以内。什么是cpk值呢?在品质管制中,Cpk值是用来评估品质的一个统计指针,我们可以从这个表格约略知道各级品质的统计指针。
第七章:量测技术

当压造出一个镜片之后,经由精密量测,来验证镜片是否合乎光学设计的要求。

7-1接触式量测

Form Talysurf--
Form Talysurf
属于接触式量测,利用探针划过镜片的表面,检验其粗糙度和形状精度。这张图中锯齿状的曲线即代表仪器划过镜片表面的型态,以这套仪器,我们可以测出在有效径15mm中,非球面玻璃镜片可达到pv0.1842um,粗度4.9nm的标准。
7-2
非接触式量测

干涉仪--
一种为干涉仪。之前提到的Form Talysurf是以探针在镜片表面划一条线去做量测,然后我们在几次的采样中去检视玻璃成品是否在所需的规格范围之内。但干涉仪不同,它的测量结果可以呈现镜片或模仁的整个表面形状精度。这里以DVD系统用CD读取头的量测结果为例,它的p-v值小于0.35λ
Rms小于0.035λ
非接触式三次元量测仪--
我们再来看Panasonic UA3P非接触式三次元量测仪。用它来量测金属模仁,模仁形状精度可达0.2um,成品形状精度可达0.3um,品质符合设计要求。
非接触式量测仪的好处是不会刮伤到模仁和镜片的表面。

碳化钨小常识 ---

  所谓超硬合金,意指以化学周期表IAa、Va、VIa族中9种元素之碳化物为对象﹐另添加Fe、Co、Ni及其合金,经配方、混合、形成,最后烧结成为复合化合金。
  这种复合化合金的特征,特别在高温硬度及机械性质上,极为出色。其中,尤以WC-Co系的机械性质,更是优越无比。此系列的合金通称为超硬合金。 (源自中华民国产业科技发展协进会之粉末冶金技术手册”)

磁控溅镀的原理 ---

  磁控溅镀法是在真空腔体中,以靶材为阴极,是当通入氩气,并在电场的作用下,于靶材附近形成电浆区,电浆区中的正离子受靶材负偏压吸引,加速轰击靶材,当这种具高能量的粒子(energetic particle)撞击靶材表面时,可藉由能量之转换 (moment exchange),将靶材表面之原子击出溅射。


- END -



(本平台重在分享:内容来源于网络 版权归原作者所有)









Copyright © 广州眼镜盒价格交流社@2017