國(guó)外超精密光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀--精密模壓玻璃非球面透鏡

成都中宇光電科技發(fā)展有限公司(http://zhongyuguangdian.com/)非球面透鏡生產(chǎn)工廠(chǎng)

1. 國(guó)外光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

   如今我們不難發(fā)現(xiàn)，軍用武器系統(tǒng)中幾乎都裝備有各種各樣的光電傳感器件，而在這些光電傳感器件中，或多或少都采用了各種樣式的光學(xué)零件。從美國(guó)陸軍所作的一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告的材料中我們知道，1980~1990年美國(guó)軍用激光和紅外熱成像產(chǎn)品所需要的各種光學(xué)零件就有114.77萬(wàn)塊，其中球面光學(xué)零件為63.59萬(wàn)塊，非球面光學(xué)零件為23.46萬(wàn)塊，平面光學(xué)零件為18.1萬(wàn)塊，多面體掃瞄鏡為9.62萬(wàn)塊。拿M1坦克為例，其大約使用了90塊透鏡、30塊棱鏡以及各種反射鏡、窗口和激光組件。又如一具小小的AN/AVS-6飛行員夜視眼鏡就采用了9塊非球面光學(xué)零件和2塊球面光學(xué)零件。

   從70年代開(kāi)始，以紅外熱成像和高能激光為代表的軍用光學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展。軍用光學(xué)系統(tǒng)不但要求成像質(zhì)量好，而且要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這對(duì)光學(xué)加工行業(yè)是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，設(shè)計(jì)和制作出質(zhì)地優(yōu)良的光學(xué)成像系統(tǒng)，光學(xué)零件加工行業(yè)于70年代開(kāi)展了大規(guī)模技術(shù)革命和創(chuàng)新活動(dòng)，研究開(kāi)發(fā)出許多新的光學(xué)零件加工方法，如非球面光學(xué)零件的加工法。近10多年來(lái)，新的光學(xué)零件加工技術(shù)得到進(jìn)一步地推廣和普及。目前,國(guó)外較為普遍采用的光學(xué)零件加工技術(shù)主要有: 計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)、光學(xué)玻璃透鏡模壓成型技術(shù)、 光學(xué)塑料成型技術(shù)、 計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù)、 環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)制技術(shù)、 電鑄成型技術(shù)……以及傳統(tǒng)的研磨拋光技術(shù)等。

2.計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)

   計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)，是由美國(guó)國(guó)防科研機(jī)構(gòu)于60年代率先開(kāi)發(fā)、80年代得以推廣應(yīng)用的非球面光學(xué)零件加工技術(shù)。它是在超精密數(shù)控車(chē)床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點(diǎn)車(chē)削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件。該技術(shù)主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學(xué)零件，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。采用該項(xiàng)金剛石車(chē)削技術(shù)加工出來(lái)的直徑120mm以下的光學(xué)零件,面形精度達(dá)l/2～1l，表面粗糙度的均方根值為0.02～0.06mm。

   目前，采用金剛石車(chē)削技術(shù)可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學(xué)晶體（碲鎘汞、銻化鎘、多晶硅、硫化鋅、硒化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鈮酸鋰、KDK晶體）無(wú)電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。上述材料均可直接達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量要求。此技術(shù)還可加工玻璃、鈦、鎢等材料，但是目前還不能直接達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量要求，需要進(jìn)一部研磨拋光。

計(jì)算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車(chē)削技術(shù)除了可以用來(lái)直接加工球面、非球面光學(xué)零件外，還可以用來(lái)加工各種光學(xué)零件的成型模具和光學(xué)零件機(jī)體，例如加工玻璃模壓成型模具、復(fù)制模具、光學(xué)塑料注射成型模具和加工復(fù)制環(huán)氧樹(shù)脂光學(xué)零件用的機(jī)體等。該技術(shù)與離子束拋光技術(shù)相結(jié)合，可以加工高精度非球面光學(xué)零件；與鍍硬碳膜工藝和環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)制技術(shù)相結(jié)合，可生產(chǎn)較為便宜的精密非球面反射鏡和透鏡。假若在金剛石車(chē)床上增加磨削附件或采用陶瓷刀具、安裝精密夾具和采用在－100°C低溫進(jìn)行金剛石切削等措施，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍將可進(jìn)一步擴(kuò)大。目前,美國(guó)亞里桑那大學(xué)光學(xué)中心已經(jīng)使用該技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工加工工藝，但加工玻璃光學(xué)零件時(shí)，還不能直接磨削成符合質(zhì)量要求的光學(xué)鏡面，仍然需要進(jìn)行柔性?huà)伖狻?/span>

    單點(diǎn)金剛石車(chē)削光學(xué)零件技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果非常明顯，例如加工一個(gè)直徑100mm的90°離軸拋物面鏡，若用傳統(tǒng)的研磨拋光工藝方法加工，面形精度最高達(dá)到3mm（5l），加工時(shí)間需要12個(gè)月，每一個(gè)拋物面鏡的加工成本為5萬(wàn)美元。而采用金剛石車(chē)削方法，3個(gè)星期就能完成，加工成本只有0.4萬(wàn)美元，面形精度可達(dá)0.6µm(1λ)。美國(guó)霍尼韋爾公司就用這種技術(shù)加工AN/AAD-5紅外偵察裝置的4面體掃描轉(zhuǎn)鏡。轉(zhuǎn)鏡的每一面尺寸為88.9´203.2mm，每面的平直度要求為l/2，角精度為90°±4²。用一臺(tái)車(chē)床，15個(gè)月就加工出了124個(gè)掃描旋轉(zhuǎn)反射鏡，質(zhì)量均達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)要求。每個(gè)旋轉(zhuǎn)反射鏡比用傳統(tǒng)的加工方法加工節(jié)約費(fèi)用2770美元。霍尼韋爾公司用這種工藝生產(chǎn)了200個(gè)4面體旋轉(zhuǎn)鏡，共計(jì)節(jié)約近90萬(wàn)美元。而且還為AN/AAD-5紅外偵察裝置加工了10萬(wàn)個(gè)平面反射鏡，節(jié)約費(fèi)用1千多萬(wàn)美元。在1980~1990年這10年間,平面（50´50mm）、多面體（直徑90mm）、球面（直徑100mm）、非球面（直徑125mm）等4種軍用光學(xué)零件的加工費(fèi)用，按保守的經(jīng)濟(jì)效果計(jì)算，美國(guó)防部就總計(jì)節(jié)省約4億美元。

    金剛石車(chē)削機(jī)床是金剛石車(chē)削工藝的關(guān)鍵技術(shù)，沒(méi)有金剛石車(chē)削機(jī)床，就不可能實(shí)現(xiàn)金剛石車(chē)削加工光學(xué)零件新工藝。金剛石車(chē)削機(jī)床屬于高精密機(jī)床，機(jī)床的主軸精度和溜板運(yùn)動(dòng)精度比一般的機(jī)床要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，主軸軸承和溜板導(dǎo)軌通常采用空氣軸承和油壓靜力支承結(jié)構(gòu)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)位置采用激光位移測(cè)量裝置測(cè)定。在工件加工的整個(gè)過(guò)程中，采用激光干涉儀測(cè)量工件的面形誤差。車(chē)床上裝有反饋裝置，可以補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)誤差。金剛石車(chē)床的主要生產(chǎn)廠(chǎng)家是美國(guó)的莫爾精密機(jī)床公司和普奈莫精密公司。進(jìn)入90年代后，日本東芝機(jī)械公司也開(kāi)始生產(chǎn)這種車(chē)床。莫爾精密機(jī)床公司生產(chǎn)銷(xiāo)售的主要產(chǎn)品是Moore M－18、－40非球面加工機(jī)，Moore T型床身機(jī)床，Moore光學(xué)平面加工機(jī)，Moore M -18油淋非球面加工機(jī)等。普奈莫精密公司生產(chǎn)出售的產(chǎn)品主要有MSG－325型、ASG-2500型、Nanoform 600型、Ultra 2000型等金剛石車(chē)床。日本東芝機(jī)械公司生產(chǎn)出售產(chǎn)品是ULG-100A（H）金剛石車(chē)床。

金剛石車(chē)床的價(jià)格十分昂貴，而且還不斷提高。以MSG 325型車(chē)床為例，在80年代初每臺(tái)價(jià)為30~40萬(wàn)美元，而到了90年代初每臺(tái)價(jià)已升高到將近100萬(wàn)美元。這個(gè)價(jià)格對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，推廣普及應(yīng)用有一定難度。因此，目前各國(guó)正在積極研究開(kāi)發(fā)低成本的金剛石車(chē)削機(jī)床。下面介紹幾種目前正在推廣應(yīng)用的金剛石車(chē)削機(jī)床.

(1) 莫爾M-18非球面加工機(jī)

    莫爾M-18非球面加工機(jī)是一種3軸計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密加工系統(tǒng)，可以使用單點(diǎn)金剛石刀具車(chē)削，也可以使用磨輪磨削，既能加工各種高精度平面、球面和非球面光學(xué)零件，又能加工模具表面和其它表面。金剛石車(chē)削和磨輪磨削相結(jié)合，擴(kuò)大了機(jī)床的加工能力。例如加工精密模具，在一臺(tái)這樣的金剛石車(chē)床就能將其加工完成。首先使用磨輪在模具基體上加工出公差一致的面形，然后鍍制無(wú)電鎳，最后使用單點(diǎn)金剛石刀具，車(chē)削無(wú)電鎳表面，完成模具的精加工。該加工機(jī)床采用了Allen-Bradley 7320 型、8200型或通用電器公司2000型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，車(chē)床的位置控制采用了Newlett-Packard 5501A型激光傳感器系統(tǒng)。莫爾M-18機(jī)床的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下:

X軸行程410mm ；Z軸行程230mm ；空氣軸承主軸中心到工作臺(tái)面的距離為292mm ,到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)面的距離為178mm ；X軸和Z軸在全部行程上的直線(xiàn)性為0.5mm ；X軸和Z 軸在全部行程上的垂直度為1µrad ；X軸Z軸在全部行程上的偏向角為0.5µrad s ；X軸Z軸全部行程上的定位精度1.5mm ；X軸和Z軸每25.4mm行程的定位精度為0.5mm ；B軸旋轉(zhuǎn)360°時(shí)的角度偏差為±3µrad s ；X軸和Z軸的讀數(shù)精度為5mm ；B軸的讀數(shù)精度為1.3µrad s ；主軸的軸向誤差為0.05mm ,徑向誤差為0.2mrad ；機(jī)床的體積(高´長(zhǎng)´寬)為 1778´2032´1800mm 。

(2) 普奈莫MSG-325型金剛石車(chē)床

   普奈莫MSG-325型金剛石車(chē)床是計(jì)算機(jī)數(shù)控型雙軸金剛石車(chē)床。機(jī)床采用一個(gè)重6t的花崗巖底座，花崗巖底座裝在壓縮空氣墊上用于隔離振動(dòng)，使振動(dòng)減小到2Hz。X和Z溜板都安裝在花崗巖底座上，兩個(gè)溜板相互垂直安裝，在整個(gè)行程上的垂直精度在0.76mm以?xún)?nèi)。X溜板上裝有一個(gè)可以互換的刀架，Z溜板上裝有一個(gè)空氣軸承主軸。兩個(gè)溜板的運(yùn)動(dòng)的精確位置用一個(gè)激光傳感器系統(tǒng)測(cè)定，精度為0.025mm。

   該機(jī)床可以加工紅外和可見(jiàn)光波段應(yīng)用的各種球面和非球面透鏡、菲涅耳透鏡、反射鏡、偏軸圓錐截面鏡、多面體反射鏡以及精密錄像鏡頭等光學(xué)零件。在光學(xué)零件加工過(guò)程中，可采用激光干涉儀對(duì)加工件進(jìn)行面形非接觸測(cè)量。機(jī)床的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下:

機(jī)床的主軸采用空氣軸承,在1000轉(zhuǎn)/min時(shí),在前端測(cè)量,其徑向和軸向跳動(dòng)均為0.1mm ；驅(qū)動(dòng)馬達(dá)為1/3HP 100~2400轉(zhuǎn)/min直流伺伏服馬達(dá)；采用空氣軸承的X溜板的名義尺寸為609´762mm ，最大行程為304mm ,最大移動(dòng)速度20cm/min ,水平方向運(yùn)動(dòng)誤差0.5mm ,垂直方向運(yùn)動(dòng)誤差1.27mm ,精密絲杠驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1HP 0~2500轉(zhuǎn)/min ；Z溜板最大行程為203mm ,其它性能指標(biāo)均與X溜板的相同 ；加工工件的直徑,正常機(jī)床結(jié)構(gòu)的為356mm ,大孔徑機(jī)床結(jié)構(gòu)的為560mm ；加工工件的最大加工深度204mm ；工件直徑為150mm時(shí),加工工件的面形精度可達(dá)l/2 。

(3) ULG-100A(H)型超精密非球面金剛石車(chē)床

    該機(jī)床是日本東芝機(jī)械公司90年代產(chǎn)品，從1992年6月開(kāi)始，每月生產(chǎn)2臺(tái)，每臺(tái)機(jī)床售價(jià)5000萬(wàn)日元。機(jī)床主軸采用高剛性超精密空氣靜軸承，機(jī)床數(shù)控裝置具有反饋功能。它可加工各種光學(xué)零件和非球面透鏡模壓成型用金屬模具。加工精度可達(dá)0.01mm。模壓成型金屬模具利用金剛石刀具和磨輪進(jìn)行車(chē)削和研磨加工，能達(dá)到鏡面質(zhì)量。機(jī)床的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下:

機(jī)床的X軸(研磨輪軸)最大行程為150mm ；Z軸(工件軸)最大行程為100mm ；研磨輪軸最高轉(zhuǎn)速為40000轉(zhuǎn)/min ；研磨輪馬達(dá) 1kW/40000轉(zhuǎn)/min ；工件軸轉(zhuǎn)速20~1500轉(zhuǎn)/min ；工件軸馬達(dá)0.25kW/3000轉(zhuǎn)/min ；研磨輪主軸軸向和徑向跳動(dòng)0.05 mm ；工件主軸軸向和徑向跳動(dòng)0.05mm ；X軸移動(dòng)直線(xiàn)性0.1mm/150mm ；Z軸移動(dòng)直線(xiàn)性0.1mm/100mm 。

3. 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)組件加工技術(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(wú)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(chǎng)房面積和熟練的技術(shù)工人，使一個(gè)小型車(chē)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(guò)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(chǎng)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(zhuān)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(lèi)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_(kāi)發(fā)了與軟化的玻璃不發(fā)生粘連的模具材料。

   原來(lái)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(lái)，采用特殊材料精密加工成的壓型模具，在無(wú)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(lái)，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(lái)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(wèn)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(guò)高。針對(duì)這種情況，進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)出與原來(lái)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(kāi)發(fā)把由熔融爐中流出來(lái)的玻璃直接精密成型的方法。

3.2玻璃的種類(lèi)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(lái)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(kāi)發(fā)適合低溫（600℃左右）條件下模壓成型的玻璃。然而，開(kāi)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)膸缀涡螤睿唬?/span>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(wú)疵病，能夠研磨成無(wú)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(kāi)發(fā)模具材料的專(zhuān)利，最有代表性的模具材料

   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(lái)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。現(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(pán)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(pán)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(lái)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(wàn)個(gè)非球面光學(xué)零件。

4.光學(xué)塑料成型技術(shù)

   光學(xué)塑料成型技術(shù)是當(dāng)前制造塑料非球面光學(xué)零件的先進(jìn)技術(shù)，包括注射成型、鑄造成型和壓制成型等技術(shù)。光學(xué)塑料注射成型技術(shù)主要用來(lái)大量生產(chǎn)直徑100mm以下的非球面光學(xué)零件，也可制造微型透鏡陣列。而鑄造和壓制成型主要用于制造直徑為100mm以上的非球面透鏡光學(xué)零件。

   塑料非球面光學(xué)零件具有重量輕、成本低；光學(xué)零件和安裝部件可以注塑成為一個(gè)整體，節(jié)省裝配工作量；耐沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此，在軍事、攝影、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景。美國(guó)在AN/AVS-6型飛行員微光夜視眼鏡中就采用了9塊非球面塑料透鏡。此外，在AN/PVS-7步兵微光夜視眼鏡、HOT夜視眼鏡、“銅斑蛇”激光制導(dǎo)炮彈導(dǎo)引頭和其他光電制導(dǎo)導(dǎo)引頭、激光測(cè)距機(jī)、軍用望遠(yuǎn)鏡以及各種照相機(jī)的取景器中也都采用了非球面塑料透鏡。美國(guó)TBE公司在制造某種末制導(dǎo)自動(dòng)導(dǎo)引頭用非球面光學(xué)零件時(shí)，曾對(duì)幾種光學(xué)塑料透鏡成型法作過(guò)經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比，認(rèn)為采用注射成型法制造非球面光學(xué)塑料透鏡最為合算。

4.1注射成型法

    注射成型是將加熱成流體的定量的光學(xué)塑料注入到不銹鋼模具中，在加熱加壓條件下成型，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。光學(xué)塑料注射成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是模具，由于光學(xué)塑料模壓成型的工作溫度較低，所以對(duì)模具的要求要比對(duì)玻璃模壓成型模具的要求低一些。非球面模具的超精密加工相當(dāng)困難，通常的加工都是首先在數(shù)控機(jī)床上將模具的坯件磨削成近似非球面，然后用范成精磨法逐步提高非球面的面形精度和表面粗糙度，最后用拋光法加工成所要求的面形精度和表面粗糙度。可是，由于數(shù)控機(jī)床的加工精度比較低，在模具加工過(guò)程中需要對(duì)模具進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)和修改，逐步地提高模具精度，從而使模具的成本變得很高。因而現(xiàn)在的模具，是用剛性好、分辨率高的計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密非球面加工機(jī)床和非球面均勻拋光機(jī)超精密加工而成的。首先用計(jì)算機(jī)數(shù)控超精密非球面機(jī)床將模坯加工出面形精度達(dá)±0.1μm的非球面，然后用拋光機(jī)在保持非球面面形精度不變的條件下均勻地輕拋光，大約拋去0.01μm，使模具表面的粗糙度得到提高。

注射成型的光學(xué)塑料零件的焦距精度可以控制到0.5～1％，面形精度高于λ∕4，長(zhǎng)度公差達(dá)0.0076mm，厚度公差達(dá)0.012mm。

下面介紹一種日本人發(fā)明的高精度塑料光學(xué)零件注射成型法——澆口密封成型法。

澆口密封成型法，是一種向加熱至樹(shù)脂轉(zhuǎn)化溫度（Tg）以上的金屬模中注射熔融的樹(shù)脂(注射量應(yīng)是：冷卻結(jié)束打開(kāi)模具時(shí)樹(shù)脂的壓力剛好是大氣的壓力的量)，迅速密封澆口，等溫度、壓力均勻后，在相對(duì)容積一定、溫度－壓力均勻條件下，徐徐冷卻至樹(shù)脂的熱變形溫度以下后，打開(kāi)模具取出壓形品的成型方法。

   首先，以大約130MPa的高壓，將高溫的熔融樹(shù)脂注射到模具中，在高溫（T1）下將澆口密封。密封在模具中的樹(shù)脂，其壓力在均勻化的過(guò)程中降至30MPa左右（此時(shí)的溫度為：比樹(shù)脂轉(zhuǎn)化溫度Tg高一些的某一溫度T2）。從注射開(kāi)始經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，就可由壓型機(jī)的合模裝置上將模具單體取下。單體模具經(jīng)過(guò)緩緩冷卻后才可開(kāi)模，取出壓型成品。

澆口密封成型法的關(guān)鍵問(wèn)題在于，注射到模具中的300℃左右高溫的熔融樹(shù)脂，如何以130MPa的壓力將澆口密封死。其做法是：在成型注射之前，先將一個(gè)小球放入金屬模具的澆口部，當(dāng)向模具中注射熔融樹(shù)脂時(shí)，小球受到樹(shù)脂的擠壓就會(huì)從澆口處向靠近模穴一側(cè)移動(dòng)。這時(shí)，在澆口部通往模穴的地方就會(huì)出現(xiàn)間隙，熔融樹(shù)脂從此間隙能夠流入到模穴中。而當(dāng)注射成型機(jī)停止向模具內(nèi)高壓注射樹(shù)脂時(shí)，由于壓差的原因，瞬間發(fā)生樹(shù)脂逆流現(xiàn)象，小球則被這種逆流的樹(shù)脂又從靠近模穴的一側(cè)推向模具的澆口處。此時(shí)，小球依靠高壓的樹(shù)脂所發(fā)生的擠壓力將模具澆口堵死，完成澆口密封工作。

該澆口密封成型法由于是樹(shù)脂注射后用小球進(jìn)行澆口密封的，因而不需要保壓和壓縮機(jī)構(gòu)及其工作。所以注射了樹(shù)脂后的金屬模具很容易從成型機(jī)上取下來(lái)，以金屬模具單體脫離成型機(jī)身的形式進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的冷卻。這不但大大提高了成型機(jī)的工作效率，同時(shí)也提高了單位時(shí)間的生產(chǎn)效率。這種成型法可將一部分功能分配到機(jī)外的裝置中去完成，改變了過(guò)去那種功能只能在成型機(jī)裝置內(nèi)進(jìn)行的做法。

澆口密封成型工序分4步工序進(jìn)行。

（1）加熱工序。由金屬模具的外部進(jìn)行傳導(dǎo)加熱。從成型品的取出溫度加熱到Tg（樹(shù)脂的轉(zhuǎn)化溫度－即模具加溫需要達(dá)到的溫度）以上的一定溫度為止，用很短的時(shí)間進(jìn)行升溫，使熱度做到均勻化。

（2）成型工序。向模具內(nèi)注射熔融的樹(shù)脂，使小球?qū)⒛＞邼部诿芊夂螅瑸槭箿囟取毫ψ龅骄鶆蚧瑢?duì)金屬模進(jìn)行保溫。

（3）緩冷工序。利用自行保持合模力的機(jī)構(gòu)，一邊維持合模狀態(tài)，一邊從壓型機(jī)上取下壓型模。取下的單體壓型模具，采用自然空氣冷卻或是強(qiáng)制空氣冷卻的方式，以每分鐘1～2℃的速度逐漸降溫。

（4）取出工序。從壓型模中取出成形品。由于壓型模具已從壓型機(jī)上取下，這時(shí)只要取下自行保持合模力的機(jī)構(gòu)，就能打開(kāi)型模取出成形品。在成形品取出過(guò)程中，由于樹(shù)脂的壓力相當(dāng)于大氣的壓力，所以不需要推出裝置，只要打開(kāi)突出分型面的部分，成形品就能離模。

   澆口密封成型法的關(guān)鍵要素，是金屬模具的溫度條件和注射充填條件（緩慢冷卻結(jié)束時(shí)樹(shù)脂壓力為大氣壓力的條件）。因此，既使是模壓成型形狀和體積不同的成型品，也不用改變注射時(shí)和冷卻結(jié)束時(shí)的金屬模具的溫度，只要有充裕的時(shí)間使溫度－壓力達(dá)到均勻化，并保持緩慢冷卻的速度，根據(jù)模穴的容積注射充填樹(shù)脂，就能進(jìn)行高精度地復(fù)制。 

 

    所謂壓制成型法就是將光學(xué)塑料毛坯放入金屬模具中模壓成光學(xué)塑料零件的一種方法。下面介紹其中一種壓制成型方法——再熔融成型法。

    再熔成型法，是將近似于成形品形狀的毛坯，插入具有復(fù)制面形、又使樹(shù)脂不能流出的金屬模具中，在模穴容積一定條件下，將模穴中的樹(shù)脂加熱至樹(shù)脂轉(zhuǎn)化溫度Tg以上，利用因樹(shù)脂的膨脹和軟化-熔融所發(fā)生的均勻的樹(shù)脂壓力，使樹(shù)脂緊密附著到模子的復(fù)制面上，等溫度-壓力均勻后，在相對(duì)容積一定、溫度－壓力均勻條件下，徐徐冷卻至樹(shù)脂的熱變形溫度以下，然后打開(kāi)型模取出壓型成形品的一種光學(xué)塑料零件成形方法。

    再熔成型法，通過(guò)利用不同的工序確保壓形品的形狀創(chuàng)成和面形精度，緩和了成形品內(nèi)的殘留應(yīng)力和密度分布，實(shí)現(xiàn)了成形品的精度優(yōu)良制作。再熔成型法工藝由下述2道工序組成。

（1）毛坯成形工序。使用普通的注射成形法，制作近似于最后成形品形狀的毛坯成形品。

毛坯成形工序，由于采用的是通常的注射成形法，在將熔融的樹(shù)脂向低于樹(shù)脂熱變形溫度的模具中注射充填過(guò)程中，表層部就會(huì)驟冷固化，毛坯會(huì)有收縮。若出現(xiàn)面形不能復(fù)制的話(huà)，則是殘留應(yīng)力比較大的緣故。

（2）面形復(fù)制工序。將毛坯插入具有復(fù)制面形、而又使樹(shù)脂不能流出外部的不同模具中，加熱－冷卻，進(jìn)行面形復(fù)制。

面形復(fù)制工序是將低精度的毛坯高精度化的一個(gè)工序。具有面形的模具，通過(guò)加熱至樹(shù)脂的Tg（樹(shù)脂轉(zhuǎn)化溫度）以上，殘留應(yīng)力可以得到緩和。進(jìn)而，由于加熱時(shí)樹(shù)脂的軟化－熱膨脹能使模穴內(nèi)發(fā)生均勻的樹(shù)脂壓力，所以，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的面形復(fù)制。

為了防止發(fā)生溫度分布和壓力分布，冷卻需要緩慢進(jìn)行，而且必需冷卻至樹(shù)脂熱變形溫度以下。這樣，開(kāi)模取壓形品時(shí)，成形品才不會(huì)變形。另外，由于開(kāi)模時(shí)的樹(shù)脂壓力必需大致相當(dāng)于大氣壓力，因此，模穴容積一定條件下的毛坯的重量誤差也是應(yīng)該引起重視的一個(gè)要點(diǎn)。

    通過(guò)實(shí)施各自具有特征的毛坯工序和面形復(fù)制工序，可以構(gòu)成能生產(chǎn)性能優(yōu)良的塑料光學(xué)零件的制造系統(tǒng)。

再熔成形法的面形復(fù)制工序的設(shè)備，除了能夠開(kāi)、合型模的沖壓機(jī)外，還有不需要有澆口和噴嘴之類(lèi)的部分金屬模具，制作起來(lái)很便宜。因此，設(shè)備增設(shè)起來(lái)很容易。可以根據(jù)生產(chǎn)量的情況，適宜地進(jìn)行設(shè)備投資，建立起一個(gè)相對(duì)應(yīng)的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。

再熔成形法的特征是：由于再熔成形法的毛坯成形工程采用了普通的注射成形工藝，所以具有成形周期短、適合批量生產(chǎn)之優(yōu)點(diǎn)。但是，面形復(fù)制工程必需實(shí)施加熱、冷卻工程，因此又存在著與澆口密封成型法一樣周期長(zhǎng)的缺陷。然而，因?yàn)椴恍枰裢ǔＷ⑸涑尚喂に嚹菢拥淖⑸洹⒊涮罟ば颍砸簿筒挥每紤]樹(shù)脂流路的問(wèn)題。又因成形時(shí)產(chǎn)生的壓力小于30MPa（通常的注射成形為100MPa左右），故并不要求模具有很高的剛性。模具因?yàn)轶w積小而可使用多個(gè)，因此，可以采用多個(gè)模具彌補(bǔ)生產(chǎn)效率低的不足。由于加熱、冷卻容易控制，成形周期縮短，所以生產(chǎn)效率可以提高。

    另外，由于毛坯成型工序和面形復(fù)制工序能夠獨(dú)立操作，面形復(fù)制工序的沖壓機(jī)可以對(duì)每一個(gè)壓形品的成形條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以可以進(jìn)行不同樹(shù)脂、不同形狀的成形品的混合生產(chǎn)。

利用該成型法制作的非球面反射鏡經(jīng)過(guò)形狀測(cè)量，結(jié)果是:在±100mm范圍內(nèi)，反射面的彎曲（起伏）度在4μm以下，成形品的精度很高。

5.計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù)

    技算機(jī)數(shù)控研磨和拋光技術(shù)是一種由計(jì)算機(jī)控制的精密機(jī)床將工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性?huà)伖饽伖猓构ぜ诓桓淖兙ッ嫘尉鹊臈l件下達(dá)到鏡面光潔度的光學(xué)零件制造技術(shù)。該技術(shù)主要用來(lái)加工中、大尺寸的非球面光學(xué)零件。加工零件時(shí)，磨削工具受計(jì)算機(jī)控制，在工件表面進(jìn)行磨削去除加工。磨削工具根據(jù)工件的不同加工余量，在工件表面停留不同的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)非球面加工。工件加工精度主要取決于測(cè)量精度和所采用的誤差校正方法。

非球面光學(xué)零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術(shù)是：小型磨床修正研磨拋光法。

小型磨床研磨拋光法分為縱向掃描和光柵掃描兩種方式。縱向掃描方式是：被加工的工件以一定的速度旋轉(zhuǎn)，拋光器則沿著貫穿工件軸心的斷面進(jìn)行搖動(dòng)。縱向掃描方式對(duì)工件軸心附近的形狀控制和非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)部分的形狀誤差的修正研磨拋光比較困難，但是研磨時(shí)間可望縮短，設(shè)備比較簡(jiǎn)單。光柵掃描方式則是：被加工的工件不旋轉(zhuǎn)，拋光器在工件的表面移動(dòng)研磨拋光。這種方式不僅容易進(jìn)行非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)部分的修正研磨拋光，而且還可以進(jìn)行離軸光學(xué)零件的研磨拋光加工。但是，此種方式的設(shè)備組成較為復(fù)雜，成本比較高。

    為了提高加工精度，小型磨床加工系統(tǒng)必需具備很高的精度和反復(fù)再現(xiàn)性、研磨去除量不隨時(shí)間變化而變化、高精度的模擬計(jì)算、和與實(shí)際研磨的一致性等條件。小型磨床研磨拋光加工的工藝流程大致如下：首先由三維測(cè)試機(jī)、激光干涉儀測(cè)出加工面的形狀精度，求出面形誤差。工作站根據(jù)面形誤差計(jì)算出需要研磨拋光的軌跡，并將該研磨拋光軌跡轉(zhuǎn)換成數(shù)控編碼傳送給磨床進(jìn)行加工。加工完了后進(jìn)行面形精度測(cè)試。面形精度若是沒(méi)有達(dá)到要求，再反復(fù)地進(jìn)行計(jì)算、加工。通過(guò)這樣反復(fù)地進(jìn)行面形測(cè)試、計(jì)算、修正研磨拋光，即可達(dá)到提高面形精度的目的。

小型磨床最早是由美國(guó)研究開(kāi)發(fā)的，其磨頭直徑不超過(guò)工件的1/3，由計(jì)算機(jī)計(jì)算去除量，加工精度比較高。可以高精度地加工直徑1500～1800mm的大口徑非球面。目前，美國(guó)亞里桑那大學(xué)的光學(xué)中心，已基本上用計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光加工技術(shù)取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學(xué)零件。另外美國(guó)羅徹斯特大學(xué)光學(xué)制造中心也已獲得了300多萬(wàn)美元的國(guó)防基金和幾家大公司的資助，實(shí)現(xiàn)了非球面透鏡生產(chǎn)的自動(dòng)化。

     80年代末，日本研制出了的超精密數(shù)控范成法研磨機(jī)，使用該研磨機(jī)加工出的光學(xué)零件，其面形精度達(dá)到了0.08μm，表面粗糙度的均方根值為0.2nm。若用瀝青拋光模進(jìn)行加工，表面粗糙度的均方根值能達(dá)到0.035nm。最近，日本采用門(mén)型機(jī)械加工中心，使用4000#～8000#鑄鐵絲結(jié)合金剛石砂輪，利用ELID（在線(xiàn)電解修正法）磨削法，磨削BK-7光學(xué)玻璃，所獲得的非球面的面形精度為1μm，表面粗糙度為43nm Rmax。

    德國(guó)的計(jì)算機(jī)數(shù)控研磨拋光技術(shù)很快。Loh公司生產(chǎn)的CNC SPM50和120研磨拋光機(jī)，不僅可以粗、精磨球面光學(xué)零件，而且還可以粗、精磨非球面光學(xué)零件。施耐德（SCHEIDER）光學(xué)機(jī)械公司90年代末制造的ALG 100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面磨床和ALP 100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面拋光機(jī)，可以高效率地進(jìn)行非球面光學(xué)零件的生產(chǎn)。

ALG 100型計(jì)算機(jī)數(shù)控非球面磨床，可在對(duì)話(huà)框中直接輸入非球面加工參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算非球面磨削加工量；采用先進(jìn)的導(dǎo)向裝置與旋轉(zhuǎn)加工技術(shù)，各軸與旋轉(zhuǎn)軸的傳動(dòng)使用了高性能數(shù)字AC伺服傳動(dòng)裝置；采用干涉測(cè)量系統(tǒng)加強(qiáng)加工過(guò)程中的工件的測(cè)量，能對(duì)工件的非球面加工進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；非球面加工中心能夠直接進(jìn)行非球面或棱形的組合加工，具有綜合預(yù)加工的2、3維混合加工技術(shù)功能；旋轉(zhuǎn)軸采用高頻空氣軸承，可利用環(huán)形工具進(jìn)行高速的球面預(yù)加工，能夠獲得最佳透鏡半徑等特性。ALG 100非球面磨床的主要技術(shù)規(guī)格如下：加工工件尺寸：最大直徑為150mm，半徑為10 mm的平面；軸數(shù)3軸（X,Z,B）X、Z；軸的推進(jìn)（進(jìn)刀）速度為0.01～5000 mm/min；X、Z軸的位置往返精度為±0.001 mm；B軸的推進(jìn)（進(jìn)刀）速度為0.01～4300o/min；B軸位置往返精度為±4；連接機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸（H×D）25×42 mm；主軸轉(zhuǎn)速度為5000～15000轉(zhuǎn)/min 上一個(gè)：非球面測(cè)量技術(shù) 下一個(gè)：微透鏡陣列