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(dá)到使用要求的光學(xué)零件。這項(xiàng)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(guó)際上最先進(jìn)的光學(xué)零件制造技術(shù)方法之一，在許多國(guó)家已進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。這項(xiàng)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(xiàng)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(shí)代。因此，也給光電儀器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)：
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(dá)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(gè)小型車間就可具備很高的生產(chǎn)力;
③可很容易經(jīng)濟(jì)地實(shí)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(zhǔn)件可以制成一個(gè)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(dá)5mm;面形精度為1.5λ，表面粗糙度符合美國(guó)軍標(biāo)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(xiàng)先進(jìn)玻璃光學(xué)零件制造技術(shù)的著名公司和廠家有美國(guó)的柯達(dá)、康寧公司，日本的大原、保谷、歐林巴斯、松下公司，德國(guó)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(xiàng)綜合技術(shù)，需要設(shè)計(jì)專用的模壓機(jī)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?yàn)殚_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(diǎn)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(diǎn)附近，在玻璃和模具大致處于相同溫度條件下，利用模具對(duì)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(diǎn)以下(玻璃的軟化點(diǎn)時(shí)的玻璃粘度約為107。6泊，玻璃的轉(zhuǎn)化點(diǎn)時(shí)的玻璃粘度約為1013。4泊)。
這種將玻璃與模具一起實(shí)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(diǎn)是：加熱升溫、冷卻降溫都需要很長(zhǎng)的時(shí)間，因此生產(chǎn)速度很慢。為了解決這個(gè)問題，于是對(duì)此方法進(jìn)行了卓有成效的改進(jìn)，即在一個(gè)模壓裝置中使用數(shù)個(gè)模具，以提高生產(chǎn)效率。然而非球面模具的造價(jià)很高，采用多個(gè)模具勢(shì)必造成成本過高。針對(duì)這種情況，進(jìn)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(diǎn)的非等溫加壓法，借以提高每一個(gè)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(diǎn)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(zhǎng)的觀點(diǎn)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(jià)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(duì)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(dāng)?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(qiáng)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(dá)到0.01μm以下的高分辨率超精密計(jì)算機(jī)數(shù)字控制加工機(jī)床，用金剛石磨輪進(jìn)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(jìn)行高精度的非球面加工中，非球面面形的測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)是非常重要的。對(duì)微型透鏡壓型用模的加工，要求更加嚴(yán)格，必需進(jìn)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(shí)，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(gè)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(jī)取景器非球面透鏡、電影放映機(jī)和照相機(jī)鏡頭的非球面透鏡等。美國(guó)僅柯達(dá)公司每年就需要壓型幾百萬個(gè)非球面光學(xué)零件。