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        行業動態

        玻璃模造技術介紹

        2019-09-29 << 返回新聞列表

        前章:玻璃模造技術的優點

        1-1模造塑料鏡片vs.模造玻璃鏡片

        玻璃模造鏡片和塑料鏡片的差異在哪里呢?以光學系統的適用上來說,玻璃有多樣好處,例如玻璃本身耐高溫,有較高的透光率、折射率,和抗濕度,玻璃材質的穩定度也比塑料來得好。但是,塑料也有其優點,因為它的變形量比玻璃大,可以作較大尺寸的光學鏡片;其次,在重量和價格上也比玻璃來得輕來得便宜。

        因此,當我們在選擇光學鏡片的時候,應從不同的取向去判斷較符合需要的鏡片。

        1-2傳統研磨玻璃鏡片vs.模造玻璃鏡片

        在講述玻璃模造技術之前,我們先了解一下它和傳統的光學玻璃鏡片制作有什么不同。

        傳統的玻璃鏡片制作技術需要經過繁復的步驟,例如粗磨、細磨、拋光等,所花的時間相對的增多。然而,模造光學鏡片的產生,只需要玻璃的預形體,直接以模造的方式即能壓制成品,所以十分適合大量的生產,可以說是新進且方便的光學玻璃鏡片制造技術。

        1-3球面透鏡vs.非球面透鏡

        什么是非球面透鏡?我們可以從圖上看出非球面透鏡和球面透鏡在形狀上的差異。這樣的形狀有什么好處呢?一般來說,單面的球面透鏡因為球面的色像差可能導致失焦的狀況,而非球面鏡片正好可以彌補這種不足,它能夠消除球面的色像差。此外,若光學成像需要兩三片以上的球面透鏡去作成像的功能,但是我們可以用一片的非球面透鏡去達成同樣的功能,而減少光機系統的重量和鏡片的數目,以做出重量更為輕巧成本更為低廉的產品。

        非球面透鏡的優點--

        我們以CD讀取頭來做例子。在1983年,CD讀取頭尚需要五片鏡片,但在引入非球面鏡片之后,我們可以在1984年的圖中,看到原本接物透境的三片球面鏡片已經可以用一片的非球面鏡片取代。在逐漸的發展中,較后甚至可以僅以一片非球面鏡片達到原本的功能。在許多產品中,如放影機的鏡頭組、相機的鏡頭組都可以看到非球面鏡片的應用,它不僅減少整個光學系統上鏡片所需的數目,也讓產品能夠設計的愈來愈輕巧。這兩款相機鏡頭的比較,可以明顯看出右邊的鏡頭導入非球面透鏡后的重量幾乎減少了一半。

        第二章:非球面玻璃模造的原理

        玻璃模造制程技術的主要依據原理,是利用玻璃隨溫度升高黏滯度降低的特性,將已初成形的玻璃預形體置于精密加工成形的模具內,在適當的環境氣氛下,升溫至溫度介于玻璃轉移溫度,即所謂Tg點到軟化點之間,藉由模仁表面施壓使玻璃變形,轉造模仁形狀,冷卻后去除壓力、分模,取出成品。

        2-1玻璃模造溫度與熱膨脹的關系

        Tg:Transformation temperature玻璃溫度轉移點--

        什么是Tg點呢?Tg點(Transformationtemperature)表示玻璃溫度轉移點。不同于水的三態,玻璃和麥芽糖、柏油一樣皆屬黏性體,到達某一溫度之后即可因黏滯度和熱膨脹特性的改變而受力變形。當玻璃被加熱到Tg點以上,黏滯度便會降低,熱膨脹的效應也較明顯,我們便利用玻璃的這種特性,來制作需要的形狀。

        這是一個玻璃的溫度和膨脹量的示意圖。我們可以看到在低于Tg點和高于Tg點各有不同的膨脹系數,在高于Tg點的At點,也就是指膨脹屈伏點之后,玻璃會加速地軟化,不再以線性方式膨脹。

        2-2光學玻璃溫度和黏度的關系

        從這張圖我們亦可看到玻璃的黏度和溫度的關系。當玻璃的溫度高于Tg點之后,它的黏度會急速地下降,會軟化到適合壓造的硬度,在這樣的黏滯度之下,我們可以較輕易地去加壓模造。

        第三章:非球面玻璃模造制作流程

        3-1非球面玻璃鏡片模造制作流程

        傳統的研磨方式不容易制作出非球面鏡片,因此玻璃模造制程可以說是目前較適合制作非球面光學鏡片的技術。利用玻璃模造制程,可大量生產非球面鏡片。

        非球面玻璃鏡片的制程需要經過幾項程序。首先,將玻璃球,也就是預形體制入模仁之中,此時玻璃球仍是固體,然后經過升溫到Tg點以上,此時玻璃容易被塑造變形,之后轉造成模仁的形狀,再經過降溫、脫模等步驟,較后取出成品。

        玻璃模造機--

        現在我們來了解一下玻璃模造用的專用機,不同的模造專用機會有不同的加熱和加壓方式。以Toshiba公司的專用機為例子。

        在做玻璃模造制程的時候,我們先將預形體放在上模仁和下模仁之間,利用伺服馬達施力,推動上下模仁,擠壓預形體成為我們所需要的鏡片形狀。在這個專利中,它的加熱方式是以紅外線加熱器去加熱充氣室內的對象,充氣室中充滿氮氣,避免玻璃和模仁與空氣中的氧氣產生反應。荷重指示器指示機器施力的大小,操控員可依據此去調節模造的施力大小、壓造的溫度及模造時間,以期達到光學品質的鏡片。

        3-2非球面玻璃模造鏡片制程關連技術

        這些是非球面玻璃模造鏡片制程的技術環節。首先,由光學設計者設計所需的光學鏡片,然后經過制造者評估,如果評估結果可行,即著手制作玻璃預形體和精密的模仁制造加工,并在模仁的表面作一層硬膜披覆,之后將這些加工完成披覆硬膜的模仁和預形體置入模造機進行模造制程,經由模造制程的參數控制,壓造出我們所需的鏡片,較后再利用光學量測技術量測鏡片的光學特性及形狀精度,以評估所完成的鏡片是否達到當初光學設計者的要求。

        第四章:光學設計

        4-1尺寸、形狀及表面(粗糙度)的考量

        現在我們簡單介紹光學設計的部分。通常光學設計者會給予鏡片制造者一定光學設計值的鏡片。比方說,對一個典型的非球面光學鏡片,光學設計者會標示鏡片的尺寸大小、表面粗糙度、形狀精度,在非球面的那一面鏡片,并會標示非球面系數,也就是構成非球面曲度的系數。

        光學設計者設計出所要求的鏡片之后,便交由光學玻璃廠制造適合玻璃模造的材料。我們以SUMITA和OHARA兩家光學玻璃廠生產的玻璃材料作例子,在這張圖表中,橫軸為折射率,縱軸為Tg點,也就是之前所提的玻璃轉化點。一般而言,適合運用模造的玻璃在攝氏600度C以下,光學設計者會以Tg點匹配折射率,作為選擇模造光學玻璃材料的參考依據。

        原料改變前與后的鏡片比較--

        此外,光學玻璃廠為了生產適合模造的玻璃,可能會利用之前生產的研磨用光學玻璃來做原料上的改變。以圖上A點和B點的玻璃作例子,兩者的光學、機械等性質相同,廠商改變傳統的A點的原料配方,讓玻璃的Tg點下降,改造成適合模造之用。

        玻璃模造的材料會有一張資料表標示它的折射率、玻璃熱性質、光透過率等。光學設計者或鏡片制造者可以運用這些數據作為設計制造的參考。

        第五章:玻璃預形體

        模造制程的靠前個步驟是將預形體置入模仁。但之前,我們必須先計算所需的光學鏡片的體積,然后換算成預形體的大小;也就是說,預形體的大小必須根據較后成形的鏡片的大小來設計。

        5-1不同玻璃預形體的比較

        預形體大致上可以分為三種。靠前種為球狀預形體,主要用于制作小尺寸的高精度鏡片,因為重量和形狀的關系,球狀預形體被置入模仁中容易自動定位,但是它的缺點是在研磨拋光的制程中,所花費的成本較高,也由于球狀的關系,模造的行程和所費時間也相對的增加。第二種為碁子狀的預形體,它的成本低廉,但在模仁定位上需要特別注意,否則容易出現壓造不均勻的現象,碁子狀的預形體適合制作中小尺寸的鏡片。較后一種為球面鏡片,由于它的形狀已經近似玻璃成品,因此成形行程小,然而球面鏡片花在研磨拋光的成本上十分高昂,這是它的缺點之一。球面鏡片適合制作中大尺寸的鏡片。

        5-2球狀玻璃預形體的制程

        玻璃剛出廠的時候是板材的形式,要做球狀玻璃預形體之前,需將板材切割成條狀,再切割成方塊狀,較后去角磨圓,作成預形體的粗胚,粗胚通常需經過鑄鐵盤研磨,和鉆石磨盤精磨細磨的手續,才能達到預形體的形狀精度和粗糙度的標準。玻璃材質的硬度、耐水性及對于研磨的荷重、磨粒及轉速等控制要素都是影響預形體制程的參數。

        第六章:模仁

        6-1模仁的選擇

        因為玻璃模造需要在高溫下進行,因此對于模仁的材料和硬膜的選擇需要特別注意。

        首先要注意的是離形性,這個意思是指模仁本身在高溫下不會和玻璃產生反應,因為如果玻璃黏附在模仁上,不僅會破壞模仁,亦會對成品造成缺陷。此外,模仁本身需要有足夠的硬度及機械強度,材質過軟,在模造玻璃時表面容易產生刮傷。第三個是高溫穩定性,一般而言,為了不讓模仁和空氣中的氧氣產生反應,在模造時我們會充入氮氣,因此良好的模仁應該不會和氮氣氣氛反應。其次是耐熱沖擊性,如果說一套模仁模造了兩、三千次,也表示它必須忍受兩、三千次的經過室溫、升溫到五六百度再降到室溫的連續過程,所以模仁材料假如不能夠耐熱沖擊的話,就容易導致脆化裂化,模仁的壽命也相對地減少。另外是可加工性,是指模仁能夠被加工機以鉆石磨輪或車刀加工,且能達到所要求的光學等級的表面。另外,若要考慮模造的量產性,模仁的壽命也是選擇因素之一,模仁的壽命愈長,鏡片制作的成本就愈低。

        6-2碳化鎢模仁

        貴金屬膜-WC碳化鎢--

        碳化鎢為超硬合金的一種。經過模造條件例如耐熱沖擊、可加工性良好以及高溫穩定度佳的考量,我們發現碳化鎢可以耐熱450-600C,并有上述的優勢,所以十分適合制作模造玻璃用的模仁。利用碳化鎢作材料來做超精密加工,形狀精度可以達到0.5um下,磨輪幾何形狀較小可達到3mm的模仁曲面曲率半徑。

        6-3超精密加工技術

        光學鏡片有其非球面系數,相對的,在制作模仁表面加工的時候,也需要去換算相對應模仁的非球面系數,這樣轉造的鏡片才能達到光學設計所要求的形狀精度。由于所需要制作的鏡片精度相當的高,在壓制鏡片的時候,玻璃預形體是直接轉造模仁的形狀精度和表面粗糙度,因此模仁的形狀精度和粗糙度需要一定的標準要求。

        這是超精密模仁加工技術的超精密加工機,以鉆石輪磨的方式加工模仁,我們可以看到以這樣的技術所做出來的模仁表面,在有效徑15mm以內,可達到p-v值0.1842um,粗度4.9nm的精度。這樣的標準已達到可制作精密光學鏡片所需的要求。

        雙軸和斜軸磨輪的比較--

        若要作模仁曲面半徑更小的模仁,因為用一般雙軸的加工機可能產生刀具干涉的現象,所以如果利用如右圖所示的斜軸磨輪去作加工的話,就能夠制作模仁曲面曲率半徑更小的模仁。

        6-4硬模披覆

        合金膜層的類型--

        除了碳化鎢材質的模仁本身,我們會在模仁表面披覆上一層或多層硬質保護膜,簡稱硬膜,硬膜較主要的目的是保護模仁表面免于高溫氧化及高溫腐蝕,亦能防止玻璃與模仁表面的黏模問題。同時由于硬膜的硬度高于玻璃的硬度,使得模仁表面不易刮傷,所以可延長模仁的使用壽命。在模仁硬模披覆的研究中,硬膜材料的選擇和披覆技術的開發將是較重要的關鍵。模仁表面的合金膜層分為兩種類型:

        有一種是可切削膜,以鉆石車刀切削,因此可鍍較厚的膜,之后再去做表面的切削,好處是延長鉆石刀具壽命,形狀穩定性高,可以延長模仁壽命。從這個圖標可以清楚的看到模仁上面先披覆2號可切削膜,之后經過切削,再覆上3號膜。

        另一種為貴金屬膜,具耐腐蝕耐熱沖擊性等優點,我們現在來針對貴金屬膜作更詳細的解說。

        磁控濺鍍的原理--

        硬膜材料有一種是貴金屬合金,它具有高化學穩定度及耐腐蝕等優點,它的離模性和耐沖擊性也比較好。我們是以磁控濺鍍的方式來制作貴金屬薄膜,利用電漿把氣體引導到濺鍍靶上使其活性化,讓合金濺鍍到制作模仁表面,形成一層非常薄的金屬層,作為硬膜。

        濺鍍薄膜制程與量產制程評估--

        為了達到量產的需求,能延長模仁壽命的濺鍍薄膜是必要的。以工研院光電所為例,之前曾以貴金屬合金去做硬膜制程,經過模造制程的過程,貴金屬合金會產生晶粒粗化的效應,一旦晶粒粗化到某一程度,這樣的硬膜便無法使用,因此我們選擇濺渡制程去做硬膜,而經過測試之后,它的成品精度:可達形狀精度小于1μm,表面粗度小于100A。

        以這張硬膜測試的圖來看,在攝氏500度C以上,去測試硬膜的耐熱狀況。而這張圖則可看出,當模造次數累積到2000次時,硬膜的cpk值會到降1.1以下,也就是說,說模造次數超過2000次之后就不能保證所有的成品的精度皆在規格范圍以內。什么是cpk值呢?在品質管制中,Cpk值是用來評估品質的一個統計指針,我們可以從這個表格約略知道各級品質的統計指針。

        第七章:量測技術

        當壓造出一個鏡片之后,經由精密量測,來驗證鏡片是否合乎光學設計的要求。

        7-1接觸式量測

        FormTalysurf--

        FormTalysurf屬于接觸式量測,利用探針劃過鏡片的表面,檢驗其粗糙度和形狀精度。這張圖中鋸齒狀的曲線即代表儀器劃過鏡片表面的型態,以這套儀器,我們可以測出在有效徑15mm中,非球面玻璃鏡片可達到pv值0.1842um,粗度4.9nm的標準。

        7-2非接觸式量測

        干涉儀--

        一種為干涉儀。之前提到的FormTalysurf是以探針在鏡片表面劃一條線去做量測,然后我們在幾次的采樣中去檢視玻璃成品是否在所需的規格范圍之內。但干涉儀不同,它的測量結果可以呈現鏡片或模仁的整個表面形狀精度。這里以DVD系統用CD讀取頭的量測結果為例,它的p-v值小于0.35λ

        ,Rms小于0.035λ。

        非接觸式三次元量測儀--

        我們再來看PanasonicUA3P非接觸式三次元量測儀。用它來量測金屬模仁,模仁形狀精度可達0.2um,成品形狀精度可達0.3um,品質符合設計要求。

        非接觸式量測儀的好處是不會刮傷到模仁和鏡片的表面。

        碳化鎢小常識---

        所謂超硬合金,意指以化學周期表IAa、Va、VIa族中9種元素之碳化物為對象﹐另添加Fe、Co、Ni及其合金,經配方、混合、形成,較后燒結成為復合化合金。

        這種復合化合金的特征,特別在高溫硬度及機械性質上,極為出色。其中,尤以WC-Co系的機械性質,更是優越無比。此系列的合金通稱為超硬合金。(源自中華民國產業科技發展協進會之”粉末冶金技術手冊”)

        磁控濺鍍的原理---

        磁控濺鍍法是在真空腔體中,以靶材為陰極,是當通入氬氣,并在電場的作用下,于靶材附近形成電漿區,電漿區中的正離子受靶材負偏壓吸引,加速轟擊靶材,當這種具高能量的粒子(energeticparticle)撞擊靶材表面時,可藉由能量之轉換(momentexchange),將靶材表面之原子擊出濺射。

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