光学玻璃透镜加工基础知识

球面冷加工透镜 认识球面光学镜片 光学镜片分为凸透镜 中心比边缘厚 凹透镜 中心比边缘薄 双凸透镜 双凹透镜 平凸透镜 平凹透镜 弯月凸透镜 粗磨 抛光 芯取 毛坯硝材 切削 镀膜 粘合 涂墨 光学镜片冷加工流程图 光学镜片冷加工流程 硝材准备 在开始加工前 需要为光学零件预备加工所用的材料 毛坯或硝材 平板料 型料 光学镜片冷加工流程 切削 将毛坯料在切削机上进行切削加工 目的是将2个曲面切出与目标球面R值较为接近 中心厚度预留 表面不允许有坑洞等不良 为后道的粗磨 抛光做准备 此工序需注意玻璃硬度与切削砂轮粒度之配合关系 加工另一面 加工一面 毛坯料 切削完成 切削示意图 凸面切削 凹面切削 切削机 金刚石砂轮 光学镜片冷加工流程 粗磨 粗磨处于研磨的中间工序 相当于机械加工中的半精加工 此工序的主要目的是消除前到切削时留下的表面坑洞 达到表面粗糙度要求和面型误差 中心厚度控制等 此工序需要选择金刚石颗粒的粒度与玻璃材料磨耗度的搭配关系主轴转速与摆臂的运动幅度等 切削完成品 磨第一个面 磨第二个面 粗磨完成品 镜片 磨皿 磨皿 粗磨加工示意图 光学镜片冷加工流程 抛光 研磨抛光是获得镜片表面品质的主要工序 目的是去除上工序粗磨残留的瑕疵并达到表面形状精度 中心厚度尺寸均符合规格要求 此工序需要注意研磨粉洁净度 研磨液调配比例浓度 液体温度 抛光皮选择 转速与摆臂幅度等 抛光第一个面 抛光第二个面 抛光完成品 粗磨完成品 研磨皿 研磨 抛光 加工示意图 光学镜片冷加工流程 芯取 利用金刚石砂轮磨外圆 主要目的是 将组成球面镜片的2个球面对应的圆心连线 光轴 与机械夹具轴 几何轴 重合 同时并确保镜片外观无刮伤 外径尺寸 倒角 深度要求 凹透镜时 均符合规格要求 此工序和切削一样 需要考虑金刚石砂轮粒度与玻璃磨耗度之间搭配关系选择 几何轴与光轴重合 全自动立式芯取 全自动卧式芯取 芯取机形式 镜片洗净工程 目的 1 在研磨抛光后去除玻璃镜片表面研磨液等杂质 1次洗净 2 在芯取后去除玻璃镜片表面残留的切削冷却液 2次洗净 此工序需要考虑纯水品质 洗剂浓度 超声波强度 切水烘干条件 玻璃材料的耐水性 耐酸性 耐碱性 耐侯性等因素 确保洗净后品质 镜片镀膜工程 真空镀膜机 镀膜伞与镀膜套环 环内置放镜片 光学镀膜 蒸镀 为了使镜片具有所需要的光学性能 需要在镜片的2个表面镀上厚度不同的薄膜层 使其具有达到一定的光谱特性和影像效果 在真空腔体内 将镀膜药材加热使其向上蒸镀到面对药材的镜片表面 镜片薄膜主要分AR膜 增透膜 和IR膜 红外截止膜 根据不同的产品设计要求 镀不同的膜 此工序的品质要求膜层附着强度 中心波长 穿透率 反射率等 所用的药材有氟化镁 氧化锆 OS50 TiO2 二氧化硅等等 AR膜与IR膜 AR膜 增透膜 首先 所有的镜头都会反光 在可见光中有 红 绿 蓝 三色 波长也不一样 当膜层厚度一定的时候 只能让其中的某一种通过 通常是绿光先进入 则此时我们会看到反光颜色是蓝紫色 因为绿光已经全部通过了 我们为了减少其他光线的反射流失 尽可能让我们希望的光线都通过 这时我们需要镀上一层增透薄膜在镜片的表面 IR膜 红外截止膜 我们人的眼镜只能看到波长在380 700nm区间的可见光 为了使光学元器件 CCD CMOS 的成像效果接近于人的眼镜视觉效果 需要在可见光区间实现高透过率 但高透过的同时 由于CCD和CMOS对红外光和紫外光相当敏感 波长700 1100nm 他们会造成成像的干扰 使得影像失真 为了避开红外干扰 必须对这区间波长的光进行拦截 保留380 700nm区间的可见光完全透过 所以就是需要在镜片上交替镀上高低折射率不同的膜层 以实现这个效果 镜片粘合工程 粘合 为了减少反射光能损失 简化复杂镜片的加工 需要将2片或以上的镜片用特殊胶水按照技术要求 将其粘合在一起 实现光学性能 镜片涂墨工程 涂墨 将镜片的外径部位 凹透镜的外径连同垂直倒角处 用黑色涂料进行均匀涂黑 以便达到消除或减少杂光在镜头中漫反射而影响成像的效果 镜头组装工程 组装 将镜片组入镜筒内 组成光学成像系统 此工程将检查镜头的成像品质 镜头外观等等性能 手机摄像头组装过程 相机镜头组装后的外观检查 非球面热压成型透镜 球面与非球面区别 球面 曲率中心 球面 对应只有1个R 非球面 依据设计可以有多个R 球面透镜与非球面透镜的差异 球面镜片在成像上往往会造成像差和变形 要获得高品质影像 则需要多片组成镜片群 而非球面镜片正好可以很好的解决像差和变形等问题 而且通常情况下1片非球面镜片可以代替2 3片普通球面镜片 镜片数量可减少 并且体积缩小 保持成像品质不变 这样 既解决了成像问题又节省了空间 为更多的电子产品越做越薄成为可能 粗磨 抛光 热成型 毛坯硝材 切削 镀膜 组装 小口径非球面镜片热压成型流程图 清洗 钨钢棒材 机加工外形粗坯 溅镀硬膜 模具组合 超精密加工非球面 模具超精密加工 超精密加工 利用数控技术和专用树脂砂轮刀具 按照设定的非球面系数对钨钢模具表面进行轮磨 使钨钢表面形成达到或接近于透镜非球面设计值的面型 通常加工出来的产品与设计值都有误差 采用超精密数控轮磨加工 其模具面型精度与设计值之间的差异可以达到 0 1um 模具非球面的表面粗糙度可以达到5nm 树脂砂轮 表面轮廓仪检测模具表面非球面差异 模具表面溅镀硬膜保护层 溅镀硬膜 在高真空 1 0 10 7Mpa 腔体中 以靶材 采用SiO2 作为阴极 腔体内充入氩气 Ar 在电场的作用下 在靶材附近形成电浆区 区域内的正离子受到靶材负偏压吸引 高速轰击靶材 将靶材表面之原子溅射到模具表面沉积 形成保护膜 硬膜的作用 在高温 630 左右 状态下24H连续运转工作 钨钢本体表面容易发生氧化反应 为了解决这个问题 不仅需要在成型过程中充入氮气 N2 而且模具非球面区域镀一层耐高温保护膜 以延长模具寿命 模具组合图 单穴结构 3穴结构 8穴结构 显微镜下检查外观 玻璃热压成型 热压成型 传统的研磨方式不容易制作出非球面镜片 因此需要利用模具将面型转写到玻璃上成型出来 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 恒定一定的时间 让