玻璃的精密模压技术是20世纪80年代由美国柯达公司及日本保谷公司,为提高成像质量和简化光学系统所开发的。 这种先进的压型工艺是将玻璃直接压制成光学元件,不再经过粗磨、细磨、抛光、镀膜工序。 可直接装备到光学仪器上。 这样可大量节省人力和设备,降低能耗,提高原材料的利用率,缩短生产周期。生产出的光学元件质量高,良品率可达90%.一精密模压工艺及设备传统的光学玻璃镜头加工方法研磨加工工序繁琐,而且加工周期长,玻璃的材料利用率低。见表14-2所示。利用精密压制的方法则减少了多数工艺过程,而且可大批量生产非球面镜头,棱镜及有凹凸形状的薄板等制品。
精密压制技术是多学科的复合技术,一般包括以下几个方面:非球面镜头的光学设计; 适宜精密压制工艺的玻璃;超精密模具加工技术;新型模具材料;预成形技术;精密成形(模具结构、压机、压制工艺条件);非球面形状的检测技术。现在精密模具压制技术生产的光学玻璃元件,已广泛用于摄像机、数码相机、手机中的摄像镜头,车载CD机、单镜头相机、各种光盘系统的拾波器透镜、 激光打印机的准直透镜、光通信中与光纤结合的透镜等。
此外一些形状复杂的透镜、棱镜、非球面透镜、带有微细突起的透镜(如高度差仅十几个微米的菲涅耳透镜)、微细透镜阵列等,近年来也采用精密模压的方法制造。
一些研究报告还给出利用玻璃态碳模具压制派莱克斯玻璃、石英玻璃基质的有精密尺寸要求的生物芯片用基板,这些已成为精密压制技术的新应用。一般玻璃的直接压制方法是将熔融态的光学玻璃在10~103dPa·s黏度状态下滴人比玻璃转变点(Tg)低于50C以下的金属模具中压制成形。收缩凹陷此时玻璃与模具间温差为400~600C,由于模具温度低,便可防止玻璃与金属模具的黏附。
而压制中玻璃与模具接触部分(主要是表面) 快速冷却固化,其内部的玻璃在压制后仍具有流动性。如图14-16所示为这种压制方法生产透镜的缺陷,即玻璃表面产生凹陷,这导压制中产生的凹陷收缩示意图形状精度为0.05~0.1mm,将不能用于透镜使用,除此之外还使玻璃表面形成胡须状、 橘皮状的粗糙表面以及剪刀疤痕。1970年美国柯达公司申请了精密压制成形透镜的专利,并将其用于相机中。其中有球面透镜也有非球面透镜。
1971年日本保谷(HOYA)公司也申请了精密压制的专利。制备方法是将模具温度保持在玻璃转变点(Tg) 以上,接近软化点以下的温度范围内,对尚具有流动性的玻璃加压,直至玻璃温度分布均匀,在此状态下保压20s以上,以防止产生缩孔。 此处玻璃的转变点对应玻璃黏度为1013~1014dPa·s,而软化点为 107.6dPa·s.柯达公司的成形方法如下: 1向模具内放入一块玻璃; @将模具包围的容器排气抽真空,并且注人非氧化性气体; 3将模具和玻璃升温至玻璃转变点附近; 4对模具加压使玻璃成形;5在维持对玻璃的压力同时使玻璃模具温度降至玻璃转变点(Tg)以下(对应黏度1013~1014dPa·s以上);6撤除压力;为防止模具氧化,将模具进一步冷却至300'C;8开模。1981年美国康宁公司也申请了专利,成形步骤如下: 1制备接近最终形状的玻璃预制件;2制备具有最终形状的模具;3将预制件与模具分别升温至与玻璃黏度108~1012dPa·s范围对应的黏度(与柯达专利相比其黏度稍高一些); 4将预制件置于模具中; 5对模具加压使玻璃成形,保压一定时间,至少在模具的边缘使模具与玻璃为同一温度,最终使预制件与模具内腔形状一致;6当达到1011~1013dPa·s区间对应的温度时,将已成形的透镜由模具中取出;对已压制好的制品进行精密退火。随着对产量的要求及技术上的突破,一些公司采取了新的方法。
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。
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。
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。
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、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。
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。
大口径光学反射镜的制造过程
如果把光学望远镜比作人类的“千里眼”，那么光学望远镜中的主反射镜就可以称之为“眼角膜”。主反射镜的口径越大就意味着光学望远镜的空间分辨率就会越高。通俗的说就是会....
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