光學(xué)塑料的非球面加工

光學(xué)塑料的非球面加工第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日概述光學(xué)塑料非球面技術(shù)的發(fā)展趨勢非球面的優(yōu)點及應(yīng)用光學(xué)塑料的優(yōu)缺點光學(xué)塑料的非球面設(shè)計特點和加工方法影響光學(xué)塑料透鏡質(zhì)量的主要因素和檢驗方法

光學(xué)塑料零件的表面鍍膜非球面面形的檢測目錄2第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日隨著非球面設(shè)計、檢測和制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們也在逐步研制性能更優(yōu)良的光學(xué)塑料，越來越多的新型光電產(chǎn)品開始采用光學(xué)塑料非球面零件。光學(xué)塑料零件的一大特點是制造簡單，容易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，尤其是一些難加工的光學(xué)零件的制造。它在可見光的透過率和玻璃元件差不多，紫外和近紅外透過可以優(yōu)于玻璃。概述3第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料非球面技術(shù)的發(fā)展趨勢近幾年來，我國光學(xué)制造企業(yè)在光學(xué)塑料非球面，特別是小尺寸非球面零件的制造技術(shù)方面，有很大的進(jìn)步。但隨著新產(chǎn)品和新技術(shù)的發(fā)展，仍然在制造設(shè)備和技術(shù)的提高等方面有巨大的發(fā)展空間。

4第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日所謂球面和非球面,主要是針對各種光學(xué)儀器的鏡頭或者眼鏡的鏡片幾何形狀而言。球面是一種旋轉(zhuǎn)曲面,球面上每一點的曲率半徑是相同的。非球面與球面的區(qū)別：5第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日非球面的種類：非球面光學(xué)曲面包括有回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)非球面（如拋物面、橢球面、漸開面、雙曲面等二次曲面以及高次曲面）。沒有任何對稱軸的非回轉(zhuǎn)非球面（如離軸非球面以及自由光學(xué)曲面）。6第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日非球面的優(yōu)點：在光學(xué)零件中非球面可以消除球面鏡片在光傳遞過程中產(chǎn)生的球差、彗差、像散、場曲及畸變等諸多不利因素,減少光能損失,從而獲得高質(zhì)量的圖象效果和高品質(zhì)的光學(xué)特征。

光學(xué)儀器設(shè)備采用非球面鏡片優(yōu)點有重量輕、成本低、使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計更靈活。7第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日非球面的主要應(yīng)用：軍用方面：

軍用激光裝置、熱成像裝置、微光夜視頭盔、紅外掃描裝置、導(dǎo)彈引導(dǎo)頭和各種變焦鏡頭等。民用方面：

攝像機(jī)的取景器、變焦鏡頭，醫(yī)療診斷用的內(nèi)窺鏡,漸進(jìn)鏡片以及數(shù)碼產(chǎn)品攝像鏡頭等。8第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的優(yōu)缺點PMMAPSPC目前最常用的光學(xué)塑料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）又叫做亞克力或有機(jī)玻璃，有高透明度、低價格、易于機(jī)械加工等優(yōu)點；聚苯乙烯（PS），電絕緣性（尤其高頻絕緣性）優(yōu)良，透光率僅次于有機(jī)玻璃；聚碳酸酯（PC）。9第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的優(yōu)點：（1）能進(jìn)行大批量生產(chǎn)和降低制造成本由于光學(xué)塑料有很好的成型性能，因此用模壓法可以很容易地成型，并且可以一模多腔，達(dá)到非常大的批量生產(chǎn)能力。因此大大降低了單個零件的制造成本。（2）可以設(shè)計非常復(fù)雜的形狀光學(xué)玻璃零件很難研磨和拋光成球面和平面以外的形狀。然而用注射成型的方法，光學(xué)塑料可以很容易且經(jīng)濟(jì)地制造成非球面、微透鏡陣列、菲涅耳透鏡等面形復(fù)雜的零件。

10第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日（3）重量輕、耐沖擊光學(xué)塑料的密度僅為玻璃的1/2~1/3，因此可以減輕系統(tǒng)的重量。光學(xué)塑料的耐沖擊強(qiáng)度要比玻璃高得多。（4）零件的質(zhì)量一致由于所有的透鏡都是用相同的模芯壓制，只要采用合理而穩(wěn)定的工藝參數(shù)，光學(xué)塑料零件的面形就能具有非常好的一致性。（5）可以同時壓出光學(xué)面和定位面11第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的缺點：（1）對溫度和濕度等環(huán)境的變化更為靈敏。

光學(xué)塑料的吸濕性和熱膨脹系數(shù)比玻璃大得多。光學(xué)塑料的折射率溫度系數(shù)比玻璃要大6~50倍。所以一般塑料光學(xué)零件的最高連續(xù)工作溫度不得高于80~120℃。（2）模壓成型光學(xué)塑料零件存在不同程度的雙折射。12第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日（3）注射成型過程影響表面面形精度。由于材料在成型過程中的流動模式，冷卻和固化收縮，光學(xué)零件的面形精度會受到影響。大多數(shù)光學(xué)塑料零件在成型時的收縮率一般是模具尺寸的0.1%~0.6%，隨材料和生產(chǎn)過程的不同而不同。

13第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的加工方法目前光學(xué)塑料零件的加工方法有兩大類:

一類是模塑法，如注射成型、壓塑成型、鑄塑成型及放射線成型等;

另一類是直接加工法，也稱機(jī)械加工法或冷加工法.即研磨一拋光法和用金剛石車直接切削法。14第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的加工方法注射成型法

注射成型法是熱塑性塑料的主要成型，適用于大批中小型零件的生產(chǎn)。注射成型的工藝是將塑料加熱到流動狀態(tài)，以很高的壓力和較快的速度注入精密的模具中，經(jīng)過一定時間的冷卻零件就可以從模具中提取出來，成型零件經(jīng)過表面處理，就可以用作光零件，而不用拋光。注射成型法的特點是成型零件的形狀范圍廣，除了產(chǎn)生雙凸、雙凹、平凸、彎月形等各種透鏡外，還可以生產(chǎn)透鏡系列、校正鏡和非球面透鏡，并且生產(chǎn)效率高，成本低。15第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的加工方法壓塑成型法

壓塑成型法也稱模壓成型法或熱壓成型法。其工藝是將預(yù)熱的塑料毛坯放入加熱過的模具中，施加壓力，是塑料充滿型腔，保持加熱和加壓，使塑料成型，然后脫模取出成型零件。這種方法是我國目前制造塑料光學(xué)零件的主要方法，例如，菲涅爾透鏡，內(nèi)反射錐形棱鏡等。與注射成型法相比，模壓成型工藝容易控制，制品尺寸較大；但如生產(chǎn)批量小，會使模具費用偏高，成本增加。16第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的加工方法鑄塑成型法鑄塑成型法也稱為澆鑄法。其工藝是在流動態(tài)的塑料單體或部分聚合的塑料中加上適當(dāng)?shù)囊l(fā)劑，然后澆入模具中，使其在一定的溫度和常壓或低壓下，經(jīng)一定時間的化學(xué)變化而固化，脫模后即得到光學(xué)塑料零件。這種成型工藝可以使制件的均勻性更好，表面精度更高。目前世界各國用于視力矯正的眼鏡片，絕大多數(shù)均為澆鑄法生產(chǎn)。17第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的加工方法放射線成型法

在高精度光學(xué)零件中，光學(xué)塑料零件未能更好更普通應(yīng)用的一個重要原因是，成型加工后制得的零件，光學(xué)均勻性和表面精度等難以滿足。以上各方法，均是加熱方法，在高溫下，由于分子的流動和溫度分布的影響，局部會產(chǎn)生應(yīng)力，并且零件體積也隨著冷卻而大大收縮，從而給零件帶來形變，損壞了它的光學(xué)性能?，F(xiàn)在日本提出了一種新的成型方法——放射線法。其原理是利用放射線的能力和穿透力，使光學(xué)塑料的單體在較低的溫度范圍內(nèi)，并在高粘度狀態(tài)下，發(fā)生聚合。這樣就能有效地控制反應(yīng)熱和體積收縮，從而改善了成型零件的光學(xué)性能。18第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料的加工方法刀具切削直接加工

金剛石刀具直接用來加工光學(xué)塑料零件。機(jī)械加工

將已是板材或片材的光學(xué)塑料劃裁出所需形狀，再進(jìn)行研磨拋光制成光學(xué)零件。19第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日注射成型的光學(xué)塑料透鏡，均為一次注射成型。它要求透明度極高，這就給注射成型造成了一定困難。因此，對于注射成型光學(xué)塑料制品模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)選擇以及制造精度等都提出了較高的要求。光學(xué)塑料零件的注射成型技術(shù)：20第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日

光學(xué)塑料注射成型法是將經(jīng)過加熱成為流體的定量的光學(xué)塑料注射到不銹鋼模具中，在加熱加壓條件下成型，經(jīng)冷卻固化后打開模具便可獲得所需要的光學(xué)塑料零件的一種非球面光學(xué)塑料透鏡加工技術(shù)。

注射成型又叫注塑，它是光學(xué)塑料成型技術(shù)的其中一種，其它還有鑄造成型、壓制成型等技術(shù)，而光學(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)。21第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的注塑：1.光學(xué)塑料零件注塑機(jī)

注塑機(jī)是實現(xiàn)注塑過程的設(shè)備，使塑料融化而塑化；并能將塑化的物料注入模具腔中成型。22第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日注射裝置：注射裝置一般包括料斗、計量裝置、螺桿傳動裝置、注射和移動油缸、機(jī)筒和噴嘴加熱裝置、塑化注射部分。合模裝置：合模裝置主要有固定模板、移動模板、連接模板用的拉桿、合模油缸、成品頂出裝置等。23第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日液壓傳動和電氣系統(tǒng)：液壓傳動和電氣控制系統(tǒng)是為了保證注射機(jī)完成塑化、注射和成型各工藝過程預(yù)定的要求和動作程序，準(zhǔn)確有效地設(shè)置動力和控制系統(tǒng)。主要有電動機(jī)、油泵、管道、各種閥門和其他液壓件、控制箱等。機(jī)座：支撐和固定鐵芯、繞組等部件，將定子、轉(zhuǎn)子連接組裝起來的結(jié)構(gòu)件，同時起到方便設(shè)備安裝，適應(yīng)不同的設(shè)備及安裝環(huán)境而調(diào)整安裝尺寸的作用。24第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日2.模具

模具的質(zhì)量是注射成型技術(shù)的關(guān)鍵。模具是在注射時使塑料成型的一個腔體裝置，組成模具型腔的零件稱為成型部件，主要由凸模、凹模、型芯、嵌件和鑲塊等組成；構(gòu)成模具上型腔的模具零件叫模芯，模芯是模具中最精密、最關(guān)鍵的部分，由它完成注塑技術(shù)中對零件的復(fù)制。25第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日26第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日27第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料非球面設(shè)計的特點28第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料非球面設(shè)計特點29第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日影響光學(xué)塑料零件的主要因素影響透鏡質(zhì)量的主要因素有注射溫度、注射壓力、注射時間、保壓壓力、保壓時間和模具溫度等。這些工藝條件的選擇是注射成型技術(shù)的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)上，注射模具設(shè)計及注射工藝制定要依賴工程師的經(jīng)驗和技巧，實際的缺陷也只靠反復(fù)試模給予修正，缺乏理論依據(jù)和科學(xué)計算方法。由于光學(xué)塑料透鏡的壁厚不均性，如能預(yù)先知道熔料在流經(jīng)澆注系統(tǒng)和型腔時的剪切速率、溫度、壓力及時間等，就能合理確定模具結(jié)構(gòu)和注射工藝，提高產(chǎn)品的一次成功率。30第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日影響光學(xué)塑料零件的主要因素下面介紹一些因素對光學(xué)塑料透鏡質(zhì)量的影響規(guī)律:（1）在注射產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸一定的情況下，適當(dāng)?shù)靥岣咦⑸錅囟群湍＞邷囟葘焖俪淠Ｊ怯欣摹ｋS著注射溫度的提高，熔體的表觀粘度呈指數(shù)關(guān)系下降，粘度降低，熔體易于充模;而溫度越高，就越容易造成產(chǎn)品收縮不均，透鏡產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力及雙折射現(xiàn)象，使面形精度無法滿足使用要求。31第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日影響光學(xué)塑料零件的主要因素（2）為了提高塑料光學(xué)透鏡的表面光潔度，也可適當(dāng)提高注射壓力，把高聚物熔料擠到模具表面，減少充模流動痕跡，就能復(fù)制出與模具的光潔度一樣的塑料透鏡。如果注射壓力過低，性射時間長，熔化的高聚物在擠壓到型腔表面上時可能冷卻、凝固，復(fù)制不出像模具型腔拋光表面的光潔度。32第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日影響光學(xué)塑料零件的主要因素（3）模具溫度提高，冷卻周期加長，注入模腔中的高聚物大分子的深度取向得到松弛，從而獲得折射率均勻一致高質(zhì)量產(chǎn)品。模具溫度高，高聚物顆粒保持融化時間較長，產(chǎn)品的致密性好，表面光潔度也就提高了。（4）注射到模具型腔高溫熔體，冷卻液體變?yōu)楣腆w，體積發(fā)生變化。所以需要較高壓力下注料。保壓就是利用熔體的可壓縮性來解決過量收縮問題。保壓壓力越高，體積收縮越小。33第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的檢驗1.外觀檢驗外觀檢驗主要是檢驗材料的均勻性、透明度、色澤和顆粒的大小。2.工藝性能檢驗工藝性能檢驗主要是檢驗水分、收縮率、流動性和熔融指數(shù)。一、塑料原料質(zhì)量的檢驗

原材料的質(zhì)量直接影響塑料零件的外觀、尺寸精度和物理性能。34第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日1.加料量與塑化溫度加料量每次應(yīng)相等，以保證均勻塑化。溫度合適的檢驗方法是，在模具和噴嘴脫開狀態(tài)下進(jìn)行對空注射，流出的塑料條應(yīng)光滑明亮、無變色、無氣泡、銀絲。2.壓力壓力包括塑化壓力、注射壓力、保壓壓力等。3.時間與成型周期一次注射全過程包括閉模、注射、保壓、冷卻、開模頂出塑件等。4.模具溫度控制模具溫度主要有冷卻介質(zhì)控制和熔料注入的自然升溫和散熱控制。二、注射工藝過程檢驗35第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的檢驗三、塑料透鏡的曲率半徑檢驗

制造塑料光學(xué)零件必須檢檢其面型精度。由于塑料光學(xué)元件表面硬度低，接觸式檢測易劃傷其表面是表面變形。因此塑料透鏡面形檢測必須是非接觸度的。圖為一種檢驗塑料透鏡的曲率半徑的儀器結(jié)構(gòu)示意圖，可以依據(jù)成像質(zhì)量定性判別表面的完善程度。36第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜塑料零件成型后，為了改進(jìn)和提高其物理和化學(xué)性能，延長其使用壽命，從而擴(kuò)大它的適用范圍提高經(jīng)濟(jì)效益。通常都要進(jìn)行鍍膜處理，根據(jù)需要在光學(xué)零件塑料表面鍍減反膜、反射膜、分光膜、濾光膜、抗靜電膜和耐磨膜以及防水膜。37第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜在光學(xué)領(lǐng)域最常用的光學(xué)塑料有:聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸脂(PC)三種熱塑性塑料。若要正確地進(jìn)行塑料透鏡的鍍膜,首先必須充分地了解塑料和膜料的理化性能及其相互間的關(guān)系。(一)內(nèi)應(yīng)力:從力學(xué)觀點來看,塑料透鏡在成型過程中容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,而且不易消除。內(nèi)應(yīng)力大就容易使塑料透鏡產(chǎn)生裂紋,同時膜料沉積到這種透鏡表面后,內(nèi)應(yīng)力還會轉(zhuǎn)移到膜層上來,從而降低薄膜的穩(wěn)定性,甚至使膜層開裂起皺。因此膜層應(yīng)能經(jīng)得起這種內(nèi)應(yīng)力而不開裂或脫皮。38第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜(二)靜電:塑料表面具有高阻抗性質(zhì),它經(jīng)摩擦后容易產(chǎn)生靜電,而且?guī)缀鯚o限制地保留。若塑料透鏡帶上了靜電,就會在鏡片表面吸附灰塵,這些灰塵不容易用吹氣球吹去,用紗布也不容易擦掉,由靜電引起的灰塵附著可使薄膜增加麻點,甚至開裂。(三)耐磨和耐劃傷性差,容易受各種機(jī)械損傷。為了清潔鏡片表面所施加的力也會劃傷鏡片表面。39第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜(四)抗化學(xué)性和耐溶劑性較差,許多化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑對光學(xué)塑料具有腐蝕作用。主要光學(xué)塑料的耐溶劑性能表40第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日(五)耐熱性差。光學(xué)塑料的耐熱溫度均在90°C左右,加溫會使零件變形,還會因熱疲勞而產(chǎn)生裂紋,造成塑料老化,透過率嚴(yán)重下降,從而給真空鍍膜帶來困難。光學(xué)塑料零件的表面鍍膜(六)光學(xué)塑料的吸水性比光學(xué)玻璃大,尤其是在高溫下,潮濕將使膜層的附著力惡化。(七)光學(xué)塑料的熱膨脹比光學(xué)玻璃嚴(yán)重。41第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜主要光學(xué)塑料的物理性能42第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜目前光學(xué)塑料零件常用的鍍膜方法有真空蒸鍍法、離子鍍膜法、濺射鍍膜法和化學(xué)鍍膜法等,一般來說,玻璃零件的鍍膜技術(shù)同樣可以用于塑料光學(xué)零件。但是從膜層的附著強(qiáng)度來看,用塑料基底時,與玻璃相比是很弱的。另外塑料具有與玻璃不同的特性,其鍍膜工藝不能照搬玻璃透鏡的鍍膜工藝,而有其獨特的工藝措施?？梢詫Ρ炔Ａ哥R和塑料透鏡的鍍膜工藝流程。43第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜（玻璃和塑料透鏡鍍膜工藝流程）44第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜以真空蒸鍍法為例，為了減少鍍膜時蒸發(fā)源對塑料透鏡的熱輻射,避免透鏡受熱變形;為了提高膜層的質(zhì)量，要求:1.盡可能選用口徑大、帶有電子槍、抽速快的真空鍍膜機(jī);2.在滿足光學(xué)性能要求的前提下,應(yīng)選用層數(shù)盡量少的膜系；3.膜料除了要有高純度外,膜料還要滿足下表。45第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日光學(xué)塑料零件的表面鍍膜塑料透鏡的真空蒸鍍工藝與玻璃透鏡基本相同,所不同的是塑料透鏡不能像玻璃透鏡那樣烘烤,而在室溫下淀積會降低膜層在塑料透鏡上的附著力,必須尋求其它工藝手段來提高膜層的附著力,如控制適當(dāng)?shù)牡矸e速率和蒸鍍過程等。

蒸發(fā)方法:目前常用的有電阻熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)的方法。由于電子束蒸發(fā)比電阻熱蒸發(fā)的熱輻射小,蒸發(fā)速率快且淀積的膜層數(shù)致密,所以對于塑料透鏡最好選用電子束蒸發(fā)方法。在塑料透鏡上制備硬膜時,要盡量縮短鍍膜時間,以減少對塑料透鏡的熱輻射。并且蒸發(fā)離離子轟擊結(jié)束的時間越近越好。46第四十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日非球面面形的檢測對于非球面的檢測從原理上看，可分為三類：利用光的直線性的幾何光線法，利用光的波動性的干涉法，利用測頭對整個被測面進(jìn)行掃描的直接面形輪廓法。47第四十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日非球面面形的檢測刀口陰影法實質(zhì)上是發(fā)現(xiàn)會聚同心光束完善程度的一種非常靈敏的方法，最初多用于檢驗大口徑光學(xué)