光学玻璃透镜模压成型技术

　　光学玻璃透镜模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术，它是把软化的玻璃放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学零件。这项技术自80年代中期开发成功至今已有十几年的历史了，现在已成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一，在许多国家已进入生产实用阶段。这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。由于此项技术能够直接压制成型精密的非球面光学零件，从此便开创了光学仪器可以广泛采用非球面玻璃光学零件的时代。因此，也给光电仪器的光学系统设计带来了新的变化和发展，不仅使光学仪器缩小了体积、减少了重量、节省了材料、减少了光学零件镀膜和工件装配的工作量、降低了成本，而且还改善了光学仪器的性能，提高了光学成像的质量。

　　光学玻璃模压成型法制造光学零件有如下优点：①不需要传统的粗磨、精磨、抛光、磨边定中心等工序，就能使零件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面粗糙度；②能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积和熟练的技术工人，使一个小型车间就可具备很高的生产力；③可很容易经济地实现精密非球面光学零件的批量生产；④只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数，就能保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度；⑤可以模压小型非球面透镜阵列；⑥光学零件和安装基准件可以制成一个整体。

  目前批量生产的模压成型非球面光学零件的直径为2～50mm，直径公差为±0.01mm；厚度为0.4～25mm，厚度公差为±0.01mm；曲率半径可达5mm；面形精度为1.5λ，表面粗糙度符合美国军标为80－50；折射率可控制到±5×10－4mm，折射均匀性可以控制到<5×10－6mm；双折射小于0.01λ/cm。

　　现在，世界上已掌握这项先进玻璃光学零件制造技术的著名公司和厂家有美国的柯达、康宁公司，日本的大原、保谷、欧林巴斯、松下公司，德国的蔡司公司和荷兰的菲利浦公司等。

　　玻璃光学零件模压成型技术是一项综合技术，需要设计专用的模压机床，采用高质量的模具和选用合理的工艺参数。成型的方法，玻璃的种类和毛坯，模具材料与模具制作，都是玻璃模压成型中的关键技术。

  3.1 成型方法

　　玻璃之所以能够精密模压成型，主要是因为开发了与软化的玻璃不发生粘连的模具材料。

　　原来的玻璃透镜模压成型法，是将熔融状态的光学玻璃毛坯倒入高于玻璃转化点50℃以上的低温模具中加压成形。这种方法不仅容易发生玻璃粘连在模具的模面上，而且产品还容易产生气孔和冷模痕迹（皱纹），不易获得理想的形状和面形精度。后来，采用特殊材料精密加工成的压型模具，在无氧化气氛的环境中，将玻璃和模具一起加热升温至玻璃的软化点附近，在玻璃和模具大致处于相同温度条件下，利用模具对玻璃施压。接下来，在保持所施压力的状态下，一边冷却模具，使其温度降至玻璃的转化点以下（玻璃的软化点时的玻璃粘度约为107。6泊，玻璃的转化点时的玻璃粘度约为1013。4泊）。这种将玻璃与模具一起实施等温加压的办法叫等温加压法，是一种比较容易获得高精度，即容易精密地将模具形状表面复制下来的方法。这种玻璃光学零件的制造方法缺点是：加热升温、冷却降温都需要很长的时间，因此生产速度很慢。为了解决这个问题，于是对此方法进行了卓有成效的改进，即在一个模压装置中使用数个模具，以提高生产效率。然而非球面模具的造价很高，采用多个模具势必造成成本过高。针对这种情况，进一步研究开发出与原来的透镜毛坯成型条件比较相近一点的非等温加压法，借以提高每一个模具的生产速度和模具的使用寿命。另外，还有人正在研究开发把由熔融炉中流出来的玻璃直接精密成型的方法。

　　3.2 玻璃的种类和毛坯

　　玻璃毛坯与模压成型品的质量有直接的关系。按道理，大部分的光学玻璃都可用来模压成成型品。但是，软化点高的玻璃，由于成型温度高，与模具稍微有些反应，致使模具的使用寿命很短。所以，从模具材料容易选择、模具的使用寿命能够延长的观点出发，应开发适合低温（600℃左右）条件下模压成型的玻璃。然而，开发的适合低温模压成型的玻璃必需符合能够廉价地制造毛坯和不含有污染环境的物质（如PbO、As2O3）的要求。对模压成型使用的玻璃毛坯是有要求的：①压型前毛坯的表面一定要保持十分光滑和清洁；②呈适当的几何形状；③有所需要的容量。毛坯一般都选用球形、圆饼形或球面形状，采用冷研磨成型或热压成型。

　　3.3 模具材料与模具加工

　　模具材料需要具备如下特征：①表面无疵病，能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面；②在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能，而且结构等不发生变化，表面质量稳定，面形精度和光洁度保持不变；③不与玻璃起反应、发生粘连现象，脱模性能好；④在高温条件下具有很高的硬度和强度等。

　　现在已有不少有关开发模具材料的专利，最有代表性的模具材料是：以超硬合金做基体，表面镀有贵金属合金和氮化钛等薄膜；以碳化硅和超硬合金做基体，表面镀有硬质碳、金刚石状碳等碳系薄膜；以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。

  玻璃透镜压型用的模具材料，一般都是硬脆材料，要想把这些模具材料精密加工成模具，必需使用高刚性的、分辨率能达到0.01μm以下的高分辨率超精密计算机数字控制加工机床，用金刚石磨轮进行磨削加工。磨削加工可获得所期盼的形状精度，但然后还需再稍加抛光精加工成光学镜面才行。在进行高精度的非球面加工中，非球面面形的测试与评价技术是非常重要的。对微型透镜压型用模的加工，要求更加严格，必需进一步提高精度和减轻磨削的痕迹。

  3.4 玻璃模压成型技术的应用

　　目前，光学玻璃透镜模压成型技术，已经用来批量生产精密的球面和非球面透镜。平时，除了一般生产制造直径为15mm左右的透镜外，还能生产制造直径为50mm的大口径透镜、微型透镜阵列等。现已能制造每个透镜的直径为100μm的微型透镜阵列。

　　（1）制造军用和民用光学仪器中使用的球面和非球面光学零件，如各透镜、棱镜、以及滤光片等；
　　（2）制造光通信用的光纤耦合器用非球面透镜；
　　（3）制造光盘用的聚光非球面透镜。使用一块模压成型法制造的非球面透镜，可代替光盘读出器光学镜头内使用的三块球面透镜。由于模压成型非球面透镜的精度很高，不仅能够控制和校正大数值孔径的轴向像差，而且还使原来的光学镜头的重量减轻、成本降低30～50%。
　　（4）制造照相机取景器非球面透镜、电影放映机和照相机镜头的非球面透镜等。美国仅柯达公司每年就需要压型几百万个非球面光学零件。