（光学工程专业论文）非球面复制成型技术的研究.pdf

球由复制成型技术的研究中文捉盟 非球面复制成型技术的研究 中文提要 光学非球面复制成型技术是于八十年代提出的一种高效率、低成本的非球面制造 方法。该方法通过面形转移成型光学非球面，即将高精度非球面光学元件( 母模) 的 表面利用脱模膜和胶粘剂转移到球面光学元件( 基体) 的表面上，并保持原非球面光 学元件的光学品质，使球面变成非球面。 该技术较之其它的非球面加工方法，具有显著的优越性。首先，所需设备比较简 单，基体的光学表面在一定条件下无需抛光，大大降低了加工成本，提高了效率：其 次，基体为球面，实现容易，且复制层很薄，耐环境变化性能很好；另外，同一母模 可反复使用，参数一致性好，适用于做拼接式镜面的子镜以及同规格镜面的批量生产。 本论文从非球面复制成型技术的基本原理出发，探讨了该技术的工艺流程。针对 材料本身的性能特点，分析了该技术使用的范围，并就不同面形的镜片给出了相应基 底的尺寸设计。同时，设计了专门的合模、分模夹具。 随后结合真空镀膜理论、粘接理论及脱模机理等理论，介绍了研究过程中开展的 镀膜、脱模、胶合等工艺实验，给出了在抛光过的基体和未抛光过的毛面基体上复制 出的元件的面形图，并与多次使用后的母模的面形做了比较，得出多次复制后母模的 面形精度基本不受影响的结论。 此外，复制件的精度基本上反映出了母模的面形精度，证明了该技术用于中小口 径非球面光学元件的制造具有较高的精度。 关键词：非球面；复制成型；胶粘剂；脱模剂；面形图 作者：王勤 指导老师：余景池 ! ! 壁堕里型些型丝查塑竺塞 茎苎塑薹 r e s e a r c ho nt h ea s p h e r i c a lo p t i c a l r e p l i c a t i o nt e c h n i q u e a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fa s p h e f i c a lo p t i c a lr e p l i c a t i o ni so n eo ft h et e c h n i q u e so fp r o d u c i n g o p t i c a la s p h e f i c a ls u r f a c e sw i t i lh i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s tp u tf o r w a r di n1 9 8 0 s i ti sa t e c h n i q u ep r o d u c i n ga s p h e r i c a ll e n s e sb ym o v i n gs u r f a c es h a p e as u r f a c ew i t hah i g h p r e c i s i o ni st r a n s f e r r e df r o ma na s p h e r i c a lo p t i c ( t h em o l d ) t oas g r f a c eo fas p h e r i c a lo n e ( t h es u b s t r a t e ) w i t ht h eh e l po fr e l e a s ea n da d h e s i v e ，a tt h ec o n d i t i o no fm a i n t a i n i n gi t s o p t i c a lq u a l i t y d u r i n gt h i sp r o c e s s ，t h es p h e r i c a ls u r f a c ei sc h a n g e di n t oa na s p h e f i c a lo n e c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d so fm a k i n ga s p h e f i c a ll e n s e s ，t h i st e c h n i q u eh a s o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s f i r s t l y , i tn e e d so n l ys i m p l ee q u i p m e n t ；t h eo p t i c a ls u r f a c eo ft h e s u b s t r a t ed o e s n tn e e dt ob ep o l i s h e d ，w h i c hr e d u c e st h ep r o d u c i n gc o s tg r e a t l ya n d p r o m o t e st h ee f f i c i e n c yo ft h ep r o d u c t i o n ，t h u so v e r c o m et h ew e a k n e s so fm a k i n g a s p h e r i c a ll e n s e so n eb yo n e s e c o n d l y , t h es u r f a c eo ft h es u b s t r a t ei ss p h e r i c a l ，w h i c hc a n b ee a s i l ym a d e ；t h ed u p l i c a t i n gl a y e ri sv e r yt h i n ，s ot h er e p l i c ah a sg o o de n v i r o n m e n t a l e n d u r a n c e i na d d i t i o n ，am o l dc a nb eu s e dt i m ea f t e rt i m e ；i t sc o n s i s t e n c eo ft h e p a r a m e t e r si sg o o d ，a n dt h i sm a k e st h et e c h n i q u eo fr e p l i c a t i o na p p l i c a b l ef o r t h e m a s s p r o d u c t i o no ft h es e g m e n t e dm i r r o r su s e df o rp u t t i n gt o g e t h e ra n dl e n s e sw i t hs a m e s t a n d a r d i nt h i s a r t i c l e ，b a s e df r o mt h ef u n d a m e n t a lo ft h ea s p h e r i c a lo p t i cr e p l i c a t i o n t e c h n i q u e ，t h et e c h n i c a lp r o c e s si sd i s c u s s e d t h ea p p l i c a b l es c o p eo ft h i st e c h n i q u ei s a n a l y z e dc o n s i d e r i n gt h en a t u r eo ft h em a t e r i a l s ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i m e n s i o no ft h e s u b s t r a t ei sd e s i g n e dt od i f f e r e n tf i g u r el e n s e s a l s o ，s p e c i a lc l a m p su s e df o rj o i n t i n ga n d s e p a r a t i n ga r ed e s i g n e d t h e n ，c o m b i n e dw i t ht h ev a c u u mf i l mp l a t i n gt h e o r y , a d h e s i o nt h e o r ya n dt h e u n - m o l d i n gm e c h a n i s m ，s e v e r a lt e c h n i c a le x p e r i m e n t s ( c o a t i n g ，u n - m o l d i n ga n dg l u i n g e t c ) a r ee m p h a s i z e d ，a n dt h es u r f a c eg r a p h so ft h er e p l i c ar e p l i c a t e do nt h ep o l i s h e d s u b s t r a t ea n dt h eu n - p o l i s h e dg r o s ss u b s t r a t ea r eg i v e n a l s o ，t h ep r e c i s i o no f t h em o l d s t t 1 r 球血复制成型技术的研究 英文提要 s u r f a c ei sc o m p a r e dw i t ha f t e rt h er e p l i c a t i n gp r o c e s s ，a n dt h ec o n c l u s i o nh a sb e e n o b t a i n e dt h a tt h ef i g u r eo ft h em o l d ss u r f a c ea f t e rb e i n gu s e dm a n yt i m e sd o e s n td e c l i n e ， a n di ti sa l m o s ti m m u n et ot h ep r o c e s s m o r e o v e r ，t h ef i g u r eo ft h er e p l i c a s u r f a c ei sn e a r l ya c c o r d a n tw i t ht h em o l d a n dj t r e f l e c t st h em o l d ss u r f a c ep r e c i s i o n t h e r e f o r e ，t h er e s u l tt e s t i f i e st h a tt h i s t e c h n i q u ei s f e a s i b l ef o rt h ep r o d u c t i o no fm i d d l ea n ds m a l la s p h e r i c a ll e n s e sw i t hh i g ha c c u r a c y k e yw o r d s ：a s p h e d c a l ；r e p l i c a t i o n ；a d h e s i v e ；r e l e a s ea g e n t ；s u r f a c ef i g u r e i i i w r i t t e nb yw a n g q i n s u p e r v i s e db yy uj i n ge h i x 7 8 1 5 4 7 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书 而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：王蠡 日期：迦吐4 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大 学学位办办理。 研究生签名：弦日期：丕尊。! ! 岁研究生签名：上日期：丕吐。! ! 歹 导师签名：釜数目期：趔! 宰 非球面复制j 戊型技术的埘究 第一章：绪论 1 1 引言 第一章绪论 非球面光学元件是一种非常重要的光学元件，它可以获得球面光学元件所无可比 拟的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴 别能力。它能以一个或几个非球面元件代替多个球面元件，从而简化仪器结构，降低 成本，并有效的减轻仪器的重量。虽然非球面光学系统的设计已为现代计算方法大为 简化，但非球面元件的制造并不容易。传统的冷加工效率低、制造精度有限且很难实 现批量生产阱，5 1 。 在传统冷加工的基础上，八十年代以来出现了许多新的非球面加工技术1 3 , 4 。主要 有计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控研磨抛光技术、计算机数控离子束抛 光技术、光学玻璃非球面透镜模压成型技术、光学塑料注射成型技术及非球面复制成 型技术等。这几种方法各有其独自的优缺点，下面我们就此对这几种方法进行简单的 介绍分析。 1 2 非球面的主要制造方法 由于非球面的形状复杂，加工方法也多种多样，按照其特点可以大致分成三类： 材料去除加工法、材料变形加工法以及附加加工法吼 1 2 1 材料去除加工法 采用研磨、切削、离子抛光等手段，使光学零件表面去除一定的加工量，使表面 面形精度达到要求的指标。 1 2 1 1 计算机数控研磨和抛光技术3 ，4 ，7 】 6 0 年代以来，随着计算机技术的发展，光学非球面的数控研磨和抛光方法得到了 研究和发展。研究和开发这种加工方法的目的在于不需完全依赖熟练的加工技能而加 工出高精度、低价格的非球面光学表面。 计算机数控研磨和抛光技术是由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需 要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到对表 i ! ! 些堕墨型些型垫查堕塑垄 面光洁度的要求，其一般装置如图1 1 所示。 第一章：绪论 圈1 1 计算机控制研磨( 左) 与抛光( 右) 通常，数控加工过程分开环控制和闭环控制两种类型。两种过程都是由计算机控 制刀具的坐标位置和驻留时间，在开环控制的基础上辅助以高精度的现代测量仪器， 将测量得到的信息进行反馈褥次加工。进而实现闭环控制。 该技术主要用来加工中大口径的非球面光学零件。加工零件对，磨削工具受计算 机控制，在工件表面进行磨削去除加工。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用 的误差校正方法，对机床的稳定性有很高的要求，而对机床精度要求不高。 1 2 1 2 计算机数控单点金刚石车削技术【7 ，g 】 计算机数控金刚石车削加工技术是在计算机控制下车削加工光学表面的一种技 术，于8 0 年代初期发展起来。 最初，用金刚石车削的表面存在着肉眼看得见的加工痕迹，所以只能用在远红外 波段( 8 1 2 u r n ) 。经稍稍抛光后，此表面可以在短波段( 3 5 u m ) 处使用。随着空 气轴承、导轨和金刚石刀具的发展，以及在对加工过程进行深入研究，现在已经可以 加工出用于工作波长为可见光波段的光学表面。金刚石车削的非球面反射镜已经大量 应用在批量生产的紫外( 1 8 0 n m ) 光学仪器中。在这种仪器中，反射镜用作集能器， 所以可以不考虑加工印迹对性能的影响。如果在短波范围内成像，那么还需要将其表 面进行后续抛光。 这种非球面加工技术在非球面光学零件的生产中具有显著的经济效益。同时它还 2 ! ! 苎塑里型垡型垫查竺型窒 一羔蔓蔓! 塑 可以用来加工扫描反射镜、激光反射镜、复制用母模、模压成型的型芯等。在加工光 学表面的同时还可以加工出精确的定位面，不仅加快了单块光学零件的加工速度，而 且还节省了装配、校正和定心等辅助时甘j 。此外，金刚石车削所得的反射镜表面比一 般抛光加工的表面更能经受高能量激光束的照射而不发生表面损伤，并且不易变暗或 被腐蚀。加工造成的边缘效应也很小。 1 2 1 3 计算机数控离子束抛光技术【7 ，8 】 与传统的机械抛光方法不同，离子柬抛光技术是对模具研、抛技术的重大突破， 它是在真空状态下利用被加速的离子与工件表面原子核直接产生弹性碰撞，将离子能 量传递给工件材料的原子，在撞击点上实现材料的原子量级去除。 理论上，离子束抛光技术对加工元件没有物理加载，粒子束工具不受工件位置影 响，如工件局部位置是否适配、边缘效应等。但由于离子束研磨是在原子量级上实现 对材料的去除，因此材料的去除效率较低，往往在采用该方法前，工件表面要经过传 统方法的预抛光，在基本达到精度要求或接近精度要求之后再采用离子束研磨对工件 表面面形实现很高精度的修正。 与传统的光学加工方法相比，离子柬抛光具有以下几方面的优点：首先，能在原 予量级上实现材料确定性的超精密加工；一次加工过程理论上即可实现对面形误差的 完全修正，缩短加工一检测一加工的制造周期；对外界环境的振动、温度变化以及装 卡稳定性不敏感；研磨在真空中进行，可将抛光与镀膜过程在同一真空室内进行；不 会出现传统抛光方法中易出现的塌、翘边的边缘效应。 由于离子束研磨制造所需要的设备投资较大，运行成本较高，因此一般很少采用， 一般用于具有特殊高精度要求的镜面的加工。 前面几种加工方法具有以下共同的优点： 1 均采用c n c 等手段，制造精度高； 2 孔径自由度也较大，适用于不同形状、尺寸的光学非球面元件的加工 3 生长中装备的控制及替换较为灵活； 4 对环境没有严格的限制与要求。 同时也具有以下的局限性： 3 堑些堕墨型盛型垫查塑里! 塞j 生2 坠! 堕 1 需要大规模的研磨、抛光机器，因而生产设备成本较高； 2 加工周期较长，效率有限，不适于大规模的经济生产。 1 2 2 变形加工法6 】 此类加工法也叫模压成型技术，过去主要是用来给光学零件的研磨抛光加工提供 毛坯或制造一些低精度的光学塑料透镜。随着模具材料、模具制造技术和精密模压工 艺的发展以及现在可以不经过熔融状态而采用溶胶一凝胶法来制造高纯度的玻璃7 1 ， 因此，精密的光学零件，特别是非球面光学元件和其他一些难以加工的特殊形状的零 件，可以用模压成型的方法直接制成，而不需要再进行任何的研磨和抛光，从而能大 批量生产。并且可以同时压制出一些参考平面作为装配时的基准，从而大大减少装配 和校准的时间及工作量。 下面分别对光学玻璃非球面透镜模压技术和光学塑料非球面模压成型技术做一 些简单的介绍。 1 2 2 1 光学玻璃非球面透镜模压技术7 , 9 1 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。 美国的柯达公司在1 9 8 2 年首次 在3 5 r a m 照相机中用了两片用精密模 压制造的非球面玻璃透镜，在世界上 图1 2 玻璃模压成型装置图 引起了很大的震动。这项技术自8 0 年代中期开发成功至今已有近二十年的历史了， 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，从此便开刨了光学仪器 可以广泛采用非球面玻璃光学零件的时代。 4 堑堡堕星型堕型垫查堕堕塞! ! ! ! 丝 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 模噩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。 目前批量生产的玻璃模压成型非球面光学零件的直径为2 5 0 m m ，直径公差为 o o l m m ；厚度为0 4 2 5 m m ，厚度公差为o o l m m ；曲率半径可达5 唧；面形精度 为1 5 ；折射率可控制到5 1 0 4 1 r i m ，折射率均匀性可以控制到低于5 x1 0 _ 6 m m ； 双折射小于0 o l 凡c m 。 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鍪! 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。 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1 5 m m 左右的透镜外，还能生产制造直径为5 0 m m 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l o o u m 的微型透镜阵列。 该技术也存在着一系列的缺点：玻璃模压过程是一个热过程，需要很长的加热与 冷却时间，很难在此期间保持元件的面形精度，也因此不适用于丈口径非球面的模压。 1 2 2 2 光学塑料模压成型技术3 , 7 , 1 1 - 1 7 】 自六十年代以来，由于光学塑料及模具材料、模具制造技术和精密模压工艺的发 展，大大推动了非球面化的实际应用，可以采用模压技术加工精密光学塑料零件。特 别是非球面光学零件、透镜阵列和其它一些难以加工的特殊形状的零件。 精密模压成型技术适于大批量生产，成本较低，它适宜制造各种复杂形状的光学 零件。虽然塑料光学零件耐热性差、线膨胀系数大、双折射大等，但它却具有制造成 5 非球面复制成型技术的研究 鹅一皋：绻论 本低、易于制造复杂形状及非球面、重量轻、抗冲击性能好，易于组织大批量生产等 诸多优点，从而被广泛地应用于照相机取景系统、普及型照相物镜、望远物镜等光学 系统中。 模制塑料光学件有几个缺陷。塑料透镜相变温度低，热膨胀系数高，所以只能在 1 0 04 c 以下使用。塑料的热膨胀和折射率的热偏差( d n d t ) 比玻璃的大，在某些应用 中导致无法接受的焦距变化和像差。对于多数光学塑料，湿度上升会损害光学特性， 但新材料已极大地减小了这一影响。 随着成型技术、新型塑料材料、镀膜技术的发展，光学塑料零件的应用越来越广 泛，使用塑料模压成型的非球面较之使用球面几乎不增加成本，具备将多种性能综合 到光学件上以简化装置的能力，在军事、摄影、医学、工业等领域有着非常广阔的应 用前景。例如，在美国a n a v s - - 6 型飞行员微光夜视眼镜中就采用了9 块非球面塑 料透镜。另外，在a n p v s - - 7 步兵微光夜视眼镜、h o t 夜视眼镜、“铜斑蛇”激光 制导炮弹导引头和其他光电制导导引头、激光测距机、军用望远镜以及各种照相机的 取景器中也都采用了非球面塑料透镜。 光学塑料成型技术是当前制造塑料非球面光学零件的先进技术，它包括注射成 型、热压成型和浇铸成型等技术。 1 注射成型技术 7 , 1 5 , 1 8 2 1 】 注射成型技术是将经过加热成为流体的定量的光学塑料注射到模具中，在加热 加压条件下成型，后经冷却固化后，打开模具便可获得所需要的光学塑料零件的一种 光学塑料透镜加工技术。见图1 3 和图1 4 所示。 l 一曲柄夹紧机柯l2 一活动横板3 一谯具i4 - - 定横报， 5 一注射筒l6 一料斗# t 一油泵，电机，油箱，控制开关。 图1 3 注射成型工艺装置示意图 芏壁哩墨型堕型垫查塑堕塑兰l 立! ! i 兰 l 一顶杆；2 - - 注射筒；3 一成型后目勺零件。 图1 4 元什从模具中顶出示意图 注射模具的科学合理设计以及注射工艺参数的正确选择是保证光学塑料产品质 量的关键。由于光学塑料模压成型的工作温度要求较低，所以对模具的要求相对要比 对玻璃模压成型用模具的要求低一些。非球面模具超精密加工相当困难，通常加工都 是首先在数控( n c ) 机床上将模具坯件面磨削成近似非球面，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，最后再用抛光法加工成所要求的面形精度和 表面粗糙度。 然而，由于数控机床的加工精度较低，在模具加工过程中还需对模具反复地进行 检测和修改，逐步提高模具的精度，因而使模具的成本费用提高。为改变这种状况， 现在模具加工改用刚性好、分辨率高的计算机数控( c n c ) 超精密非球面加工机床和 非球面均匀抛光机进行。首先用计算机数控超精密非球面n i 机床，将模坯加工成面 形精度达1 0 1 u m 的非球面，然后用抛光机在保持非球面面形精度不变的条件下均匀 地进行轻抛光，大约抛去0 0 1 u m 的厚度，使模具表面的粗糙度得到提高。 然而，注射成型过程中，光学塑料在模具型腔内流动、相变、固化和冷却的过程 涉及三维流动，相迁移理论和不稳传热理论等，迄今为止尚无完整的数学模型对这一 过程进行描述。目前正在进行的光学塑料加工，其工艺大多是根据实验及经验积累而 摸索出来的。注射成型非球面元件的尺寸一般限制在口径小于1 0 0 m m ，中心厚度不 超过1 0 m m 的范围。 该方法的优点是能大批量生产，成型周期短，效率较高，成型元件的面形可灵活 选择。缺点：生产设备投资大；成型元件耐环境性能差，且一般会产生不同程度的折 射率的漂移和双折射；生产精密塑料光学件一般需要较高的熔融和模制温度，导致模 制机工作循环时间变长。 ! ! 壁堕壅墅垡型垫查竺竺塞翌二要二! 堕 2 热压成型技术7 , 1 1 , 1 2 , 1 7 热压成型技术是将近似于成形品形状的毛坯，插入具有复制面形、又使塑料不能 流出的金属模具中，在模穴容积一定条件下，将模穴中的塑料加热至转化温度t g 以上， 利用因塑料的膨胀和软化- 熔融所发生的均匀的塑料压力，使其紧密附着到模子的复 制面上，等温度压力均匀后，在相对容积一定、温度一压力均匀条件下，徐徐冷却 至塑料的热变形温度以下，然后打开型模取出压型成形品的一种光学塑料零件成形方 法。利用该成型法可以加工出比光波波长还小的细节部分，主要用于菲涅耳透镜或透 镜阵列的加工。 热压成型技术大致分为原料的夹持、加热、成型、冷却脱模四个部分。随要求不 同，在设备的设计上有很大的差别。因成形时产生的压力较小( 有的小于3 0 m p a ，而 通常的注射成形为i o o m p a 左右) ，故并不要求模具有很高的刚性。模具因为体积小 而可使用多个，因此，可以采用多个模具弥补生产效率低的不足。由于加热、冷却容 易控制，成形周期缩短，所以生产效率可以提高。 另外，由于毛坯成型工序和面形复制工序能够独立操作，面形复制工序的冲压机 可以对每一个压形品的成形条件进行设计，所以可以进行不同材料、不同形状的成形 品的混合生产。 与注射成型技术相比，热压成型技术具有设备投资少，能够制造表面积较大的零 件等优点。其缺点在于采用的原料( 一般为片材) 成本高，制品的后加工多。 3 浇铸成型技术【7 , 1 1 , 1 2 】 浇铸成型法是将塑料单体或经部分聚合的流动状态的塑料加入适量的引发剂后 浇入模具内，使其在一定温度和常压下聚合成型。该方法一般用于热固性塑料的成型。 所用的材料一般须满足以下几点要求： 1 浇铸体溶液的流动性要好，容易充满模具型腔； 2 成型温度应比产品的熔点低； 3 原料在模具中固化时没有低沸点物体或气体等副产物生成，不易产生气泡； 4 浇铸原料的化学变化、反应的放热及结晶、固化等过程在反应体系中能均匀 分布且同时进行，体积收缩较小，不易使制品出现缩孔或残余内应力。 8 非球面复制成型技术的哿f 究 第一章：绪论 浇铸成型时很少施加压力，所以对模具和设备的强度要求较低，投资因之较少， 其次，对产品的尺寸限制较小，故宜于生产大型制品，此外，产品的内应力低也是一 种优点。缺点是成型周期长，且由于不可能使冷却过程中产生的收缩得到充分的控制 和补偿，所以不能获得面形很精确的零件( 例如c r 一3 9 眼镜片就是用这种方法制造 的，其固化收缩率可达1 4 以上) 。 综上，注射成型法仍然是目前大批量生产光学塑料元件的主要手段。美国t b e 公司在制造某种末制导自动导引头用非球面光学零件时，曾对几种光学塑料透镜成型 技术做过经济分析对比，认为采用注射成型技术制造非球面塑料光学透镜费效比最佳 【1 7 0 “。另外，光学塑料注射成型技术主要用来批量生产直径为1 0 0 毫米以下的非球面 透镜光学零件，也可制造微型透镜阵列。而浇铸和热压成型技术主要用于制造直径为 l o o m m 以上的非球面透镜光学零件。 1 2 3 附加加工法【6 】 是在光学零件的表面附加一层材料，使之形成所要求的非球面形状。它包括真空 镀膜法和塑料复制法。 真空镀膜法1 2 2 l 是利用一块特殊设计的挡板在光学表面上蒸镀一层厚度不均匀的 膜层，得到要求的非球面形状。用这种方法可以加工偏离球面或平面较小的任何形状 的非球面。关键是通过计算求得非球面镀制工艺所用的挡板，其形状和精度决定了镀 制的非球面的精度。 塑料复制法是在光学表面上粘附一层塑料薄层，该薄层的表面形状由标准非球面 复制而得到，下面我们来介绍该技术的提出与发展。 1 3 非球面复制成型技术的提出与发展2 扣3 2 】 非球面复制成型技术是于八十年代提出的一种高效率、低成本的非球面制造方 法。它的提出理论上源于光学复制技术的发展。 光学复制技术是集材料化工、光学设计、薄膜光学等技术于一体的一门综合技术， 在微光学元件及复杂面形的光学元件制造领域发挥了重要作用。根据文献记载，有关 复制方面最早的专利发表于1 8 8 3 年8 月2 1 日，而将复制工艺应用到生产上去，则是 9 堑鲨塑墨型堕里丝查塑竺壅一翌二兰二堂 在4 0 年代，起初用于光栅复制。 6 0 年代以后，发现复制光栅的质量高于母模，后 来逐渐推广到平面镜、球面镜、非球面镜以及普通光学加工方法难以加工的零件的复 制。 非球面复制成型技术较之于其它的非球面加工方法，优点在于：所需设备比较简 单；复制件的光学表面要求不是特别高的情况下基体表面无需抛光，大大降低加工成 本，提高了效率，从根本上克服了非球面加工单件生产周期长的弱点；该技术是在球 面玻璃的表面，用薄的塑料形成非球面的方法，成型的材料是塑料，加工容易，且胶 层很薄，因此有一定的强度，耐环境性能很好：复制件可以是同一母模复制而成，光 学参数一致性好，适用于做拼接式镜面的子镜以及同规格镜面的批量生产。正是以上 优点使得该技术在国际国内受到越来越多的关注。 荷兰的n v p h i l i p s 、日本的m i n o l t a c a m e r a 、n i k o n 等都采用此方法做出精度为零 点几个微米的非球面元件【4 1 ，并得到了很好的应用。国内早在6 0 年代也开始做这方面 的研究，但目前看来还不太成功，真正能推广使用的还未见报道。 1 4 几种加工方法比较，3 3 ，3 4 第一类方法制造精度可以达到很高，孔径自由度也较大，但效率有限，且所需仪 器设备的价格较昂贵，因此不能进行大规模经济生产。第二类方法适合批量生产，元 件的环境稳定性能也很好，但孔径自由度较小，且脱模后很难产生光学质量的镜面， 设备成本也很高。第三类方法能实现大批量经济生产，效率非常高，但其环境稳定性 能较差，且所需仪器设备也较昂贵。第四类方法中的非球面复制成型技术，效率高， 耐环境性能较注塑法大为改观，复制件的精度可以做到零点几个毫米，能满足广大中 小口径非球面元件生产的需要。最突出的也正是被大家看好的一个优点是，它所需设 备比较简单。具体比较见表1 1 所列。 1 0 非球血复制成型披术的倒f 究 第一章：绪论 表1 1 儿种非球面加j ：方法比较 方法 光学冷加光学玻璃 塑料注射塑料热压光学零件的 工法 模压成型 成型成型复制成型法 指标 成本低 成本低面积大 精度很高 成本较低 主要特性效率高 效率很高 还可做菲 效率低精度高 精度低精度较低涅耳透镜 口径( m m ) 1 一1 0 0 0 2 5 03 5 0 2 5 一l o o5 1 0 0 工装设备价格贵合适贵很贵较合适 零件的质量精度很高精度低精度较低精度高精度高 耐环境性能很好很好有限有限好 耐磨性能很好很好易划伤 易划伤 好 机械性能易碎易碎很好很好好 零件重量重重 轻轻 取决于基底 镀膜性能好好有限 有限 满意 1 5 课题研究的意义 在光学系统中采用非球面光学元件不但可以提高成像质量，还将大大减小系统的 重量和尺寸。但是，由于非球面的加工及检测方面的难度，使得其制造成本较高，因 而长期以来难以推广使用。模压成型技术的提出与发展大大提高了非球面加工的效 率，且很大程度上降低了其制造成本，特别是光学塑料的运用，注射成型技术的发展， 使得非球面得以大范围的应用。但是玻璃模压过程是一个热过程，需要很长的加热与 冷却时间，很难在此期间保持元件的面形精度( 也因此不适用于大口径非球面的模 压) 。注射成型技术能实现大批量的经济生产，但由于成型元件的材料全是塑料，因 而其耐环境性能较差，大大限制了其应用。 非球面复制成型技术就是在此基础上发展起来的，它是一种冷过程。该技术所需 设备比较简单；复制件的光学表面无需抛光，大大降低力n - r - 成本，提高了效率，从根 1 f 球嘶复制成型技术的研究 第一章：绪论 本上克服了非球面加工单件生产的弱点；该技术是在球面玻璃的表面，用薄的塑料形 成非球面的金属模型的方法，成型的材料是塑料，加工容易，且胶层很薄，因此有一 定的强度，耐环境性能很好；复制件可以是同一母模复制而成，光学参数一致性好， 适用于做拼接式镜面的子镜以及同规格镜面的批量生产。 难是以上优点使得该技术在国际国内受到越来越多的关注。国外早在8 0 年代已 经基本成型，近年来随着材料科学的不断发展，该技术的发展也是日新月异，现在使 用该方法已经能加工出精度高于0 1 u m ( r m s ) 的非球面元件。国内也有很多科研院所 对此技术进行过大量的研究，但真正能成功推广使用的还少见报道。 本文立足于实验，对该项技术进行了初步的理论与实践研究，探讨了其中的成型 机理，为今后的研究工作做好了必要的准备。今后该技术的成功应用，将在很大程度 上推动非球面制造技术的发展。 1 2 非球面复制成型技术的研究 第二章：非球面复制成型技术的原理及_ t 艺流程安排 第二章非球面复制成型技术的原理 及工艺流程安排 非球面复制成型技术有别于其他的非球面加工方法，它借助胶粘剂的中间媒介 作用实现了面形的转移，无需任何的机械加工。在研究该技术时，首先对非球面复制 成型技术的原理进行探讨，继而合理地安排好该技术的工艺流程，为后面工艺实验的 开展做好准备工作。 2 1 非球面复制成型技术的基本原理 3 5 , 3 7 】 非球面复制成型技术的基本原理就是：一个镀好脱模膜的高精度非球面母模的光 学面，被复制到球面基体的表面上，母模和基体之间的面形误差由胶粘剂来补偿。通 过镀膜、胶合、脱模等工序，可以得到一个由基体和胶粘剂复合而成的非球面光学元 件。其原理如图所示。 非球面母模 树脂填充液 球面基体 非球面树脂层 分模后的复制件 图2 1 非球面复制原理图 2 2 非球面复制成型技术的工艺流程【3 6 】 根据非球面复制成型技术的原理，将其工艺流程分为1 0 道工序，工艺流程如图 2 2 所示： 闽磁 非球盾复制成型技术的研究 第二章：非球面复制成型技术的原理发t 艺流程矗排 一一 、 i 实验前的i 一母模、基体i 一对母模进行i 一配制胶粘剂并1 l 技术准备il 的清洁处理li 真空蒸镀ji 做排气泡处理l 冒圉卜日豳 图2 2 非球面复制成型技术工艺流程图 1 实验前的技术准备 首先要根据所需加工的零件准备好必备的材料、仪器、设备等： ( 1 ) 一个清洁、恒温、湿度最好在5 0 以下，有良好通风条件的实验室； ( 2 ) 一台专用的镀膜设备及相关的热处理设备； ( 3 ) 母模、基体、胶粘剂、脱模剂、夹具、清洁用品等； ( 4 ) 相应的检测设备。 2 母模、基体的清洁处理 表面清洁处理工序至关重要，包括镀膜前母模表面的清洁处理和胶合前基体表 面的清洁处理。如果清洁不彻底，表面的污物就会反映到复制件表面，严重破坏成 型件的质量。 3 对母模进行真空蒸镀 为了能把复制件从母模上顺利地剥离并保证不损坏母模，必须在母模上镀一层 适当的脱模膜来增加脱模效果。 4 配制胶粘剂并做排气泡处理 按一定的比例配制好胶粘剂，并做排气泡处理，必要时要放到真空室内进行真 空处理。 5 注入胶粘剂并合模 将适量的胶滴于镀好膜的母模中心，将基体与母模同轴放置并竖直地缓缓压下， 使胶由中心向外扩散，把可能产生的个别气泡挤出去。 1 4 非球面复制成型技术的研究 第二章：非球面复制成型技术的棘型发r 艺流程安排 6 胶层初固化 用夹具使母模和基体保持同轴并水平放置，放到适当温度的环境中，使胶层预 固化。 7 胶层后固化 由于胶粘剂本身特性的局限性，在前预固化后还需要一定时间进行后固化，保 证胶层尽可能多地释放出内应力，使得其稳定性增强。固化周期般随温度的升高 而变短。 8 将连接件装入分模夹具并分模 把充分固化后的连接件装入分模夹具中，缓慢施加适当的拉力，使复制件顺利 从母模上剥离下来( 注意尽量使母模和基体二者受力均匀) 。 9 清理母模与复制件 配制适当的溶剂，清理掉复制件周围的胶。同时对母模进行清洁处理，以各下 次再用。 l o 复制光学元件的检测评估 对复制件进行光学性能指标的检测，并与母模进行比较，看能否达到要求。分析 其中的影响因素，提出下一步的改进方案。 综上，由非球面复制成型技术的基本原理知，该技术需要一个严格的工艺流程， 是一条严格的生产线。必须认真做好每一个环节，以保证其它环节的正常运作，从而 使整个工艺流程顺利展开。 非球面复制成型技术的研究 第二常：坫件、母模及必贝的啦计 第三章基体、母模及夹具的设计 由于复制成型技术中成型非球面表面的材料是树脂，相对于玻璃材料而言，树脂 固化时有较大的收缩率，所以应控制树脂层的厚度，使得表面的收缩变形尽量小。复 制透射式非球面元件时还要考虑树脂层与基底的折射率差异对出射波面的影响( 如与 基底折射率差为0 0 1 5 时，0 。0 2 m m 的环氧树脂层的厚度变化就会引起可见光的半波 面形误差) 。应首先合理地设定基体的尺寸等参数，同时，选用合适的母模，设计专 用的合模、脱模夹具，以保证复制元件的面形精度。 3 1 基体的设计 3 1 1 基体曲率半径的设定 同传统的加工及现在的计算机数控研抛技术类似，非球面复制成型技术也要找出 待复制母模的最接近球面，以此作为复制元件的基体。前者找最接近球面的目的是为 了达到尽可能小的材料去除量，而在我们所研究的复制成型技术中，找最接近球面的 目的是：使由于成型非球面树脂层的收缩而引起的复制件出射波面的波差尽量小。最 接近球面半径及最大非球面度( 本文中定义的非球面度是指非球面与最接近球面沿后 者法线方向的偏离量) 常用的计算方法 3 8 川1 有： ( 1 ) 近似公式法 该方法一般用于二次非球面。 二次曲线方程： y 2 2 r x + ( 1 一e 2 ) x 2 = 0 其中：，为非球面顶点的曲率半径；e 为偏心率； 2r 一护j 而一 1 一p 2 圆的方程： y 2 + x 2 2 f o x = 0 其中：，0 为最接近球面的曲率半径； 2 r + 竖8 善一”r j 矿r o 一厢= 三等弓号+ 斐堡堕茎型些型垫查竺堕塑 銎兰垦! 苎塑型堡丝些墨! ! 兰堕 当非球面的顶点与边缘点分别与球面的顶点和边缘点相交时，该球面即为最接近 球面。 当y = h ( h 为非球面口径的一半) 时，一咱： 取前面两项得： 万h 2 + _ l _ r e 27 h 4 = 圭等+ i l i h 4 可以得出 土：! 一罢 ( 3 1 ) 一一一 i 】1 1 ，4 ，3 、。 从而求出最接近球面的曲率半径，0 ； 整个非球面对最接近球面在x 方向的偏离量f 为： 扛乓( 矗z y z ) 8r 、 。 在j ，= 击处，偏离量t 为极值，此时： ，。：磊e 2 了h 4 ( 3 2 ) m x 。五7 ( 3 2 ) 由于此方法在推导过程中多次采用近似计算，误差较大，特别是对于大相对孔径 的非球面，误差更加明显。 ( 2 ) 精确公式法 最接近球面半径的计算方法与近似公式法计算类似，而非球面度采用非球面与最 接近球面沿后者法线方向的偏离量表示，计算公式经精确推导得到。一般也是用于z - 次非球面的计算。 二次曲面方程： y 2 = 2 r o x 一( 1 一e ) x 2 最大非球面度为： 氏。：，一_ 丽= r - - 鬲 ( 3 3 ) 其中：= 坚 y o ：扛忑刁i 丽 e ( 3 ) 最小二乘法 该方法中最接近球面的选择要求是使得在楚个非球面口径上最接近球面与非球 堑些堕堡型盛型垫查箜竺塞 笙三堡! 苎竺：兰堡丝鲞! ! ! 鲨! 面的偏离量的平方和最小，即满足式( 3 3 ) ： d 一一 f ( y 2 + ( 凡+ 一x ) 2 一r ) 2 r d r = m i n ( 3 4 ) 其中r 为最接近球面半径；为最接近球面顶点与非球面顶点的偏离量； d 为非球面的口径。 式( 3 4 ) 分别对r 和求