光学塑料的非球面加工

申报博士况光学塑料的非球面加工2概述光学塑料非球面技术的发展趋势非球面的优点及应用光学塑料的优缺点光学塑料的非球面设计特点和加工方法影响光学塑料透镜质量的主要因素和检验方法

光学塑料零件的表面镀膜非球面面形的检测目录3随着非球面设计、检测和制造技术的不断进步，人们也在逐步研制性能更优良的光学塑料，越来越多的新型光电产品开始采用光学塑料非球面零件。光学塑料零件的一大特点是制造简单，容易实现大批量生产，尤其是一些难加工的光学零件的制造。它在可见光的透过率和玻璃元件差不多，紫外和近红外透过可以优于玻璃。概述4光学塑料非球面技术的发展趋势近几年来，我国光学制造企业在光学塑料非球面，特别是小尺寸非球面零件的制造技术方面，有很大的进步。但随着新产品和新技术的发展，仍然在制造设备和技术的提高等方面有巨大的发展空间。

5所谓球面和非球面,主要是针对各种光学仪器的镜头或者眼镜的镜片几何形状而言。球面是一种旋转曲面,球面上每一点的曲率半径是相同的。非球面与球面的区别：6非球面的种类：非球面光学曲面包括有回转轴的回转非球面（如抛物面、椭球面、渐开面、双曲面等二次曲面以及高次曲面）。没有任何对称轴的非回转非球面（如离轴非球面以及自由光学曲面）。7非球面的优点：在光学零件中非球面可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、彗差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素,减少光能损失,从而获得高质量的图象效果和高品质的光学特征。

光学仪器设备采用非球面镜片优点有重量轻、成本低、使光学系统设计更灵活。8非球面的主要应用：军用方面：

军用激光装置、热成像装置、微光夜视头盔、红外扫描装置、导弹引导头和各种变焦镜头等。民用方面：

摄像机的取景器、变焦镜头，医疗诊断用的内窥镜,渐进镜片以及数码产品摄像镜头等。9光学塑料的优缺点PMMAPSPC目前最常用的光学塑料是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）又叫做亚克力或有机玻璃，有高透明度、低价格、易于机械加工等优点；聚苯乙烯（PS），电绝缘性（尤其高频绝缘性）优良，透光率仅次于有机玻璃；聚碳酸酯（PC）。10光学塑料的优点：（1）能进行大批量生产和降低制造成本由于光学塑料有很好的成型性能，因此用模压法可以很容易地成型，并且可以一模多腔，达到非常大的批量生产能力。因此大大降低了单个零件的制造成本。（2）可以设计非常复杂的形状光学玻璃零件很难研磨和抛光成球面和平面以外的形状。然而用注射成型的方法，光学塑料可以很容易且经济地制造成非球面、微透镜阵列、菲涅耳透镜等面形复杂的零件。

11（3）重重量量轻轻、、耐耐冲冲击击光学学塑塑料料的的密密度度仅仅为为玻玻璃璃的的1/2~1/3，因因此此可可以以减减轻轻系系统统的的重重量量。。光光学学塑塑料料的的耐耐冲冲击击强强度度要要比比玻玻璃璃高高得得多多。。（4）零零件件的的质质量量一一致致由于于所所有有的的透透镜镜都都是是用用相相同同的的模模芯芯压压制制，，只只要要采采用用合合理理而而稳稳定定的的工工艺艺参参数数，，光光学学塑塑料料零零件件的的面面形形就就能能具具有有非非常常好好的的一一致致性性。。（5）可可以以同同时时压压出出光光学学面面和和定定位位面面12光学学塑塑料料的的缺缺点点：：（1）对对温温度度和和湿湿度度等等环环境境的的变变化化更更为为灵灵敏敏。。光学学塑塑料料的的吸吸湿湿性性和和热热膨膨胀胀系系数数比比玻玻璃璃大大得得多多。。光光学学塑塑料料的的折折射射率率温温度度系系数数比比玻玻璃璃要要大大6~50倍。所以以一般塑塑料光学学零件的的最高连连续工作作温度不不得高于于80~120℃。（2）模压成成型光学学塑料零零件存在在不同程程度的双双折射。。13（3）注射成成型过程程影响表表面面形形精度。。由于材料料在成型型过程中中的流动动模式，，冷却和和固化收收缩，光光学零件件的面形形精度会会受到影影响。大大多数光光学塑料料零件在在成型时时的收缩缩率一般般是模具具尺寸的的0.1%~0.6%，随材材料和生生产过程程的不同同而不同同。14光学塑料料的加工工方法目前光学学塑料零零件的加加工方法法有两大大类:一类是模模塑法，，如注射射成型、、压塑成成型、铸铸塑成型型及放射射线成型型等;另一类是是直接加加工法，，也称机机械加工工法或冷冷加工法法.即研研磨一抛抛光法和和用金刚刚石车直直接切削削法。15光学塑料料的加工工方法注射成型型法注射成型型法是热热塑性塑塑料的主主要成型型，适用用于大批批中小型型零件的的生产。。注射成成型的工工艺是将将塑料加加热到流流动状态态，以很很高的压压力和较较快的速速度注入精密密的模具具中，经过一一定时间间的冷却零件就可可以从模模具中提提取出来来，成型型零件经经过表面处理理，就可以以用作光光零件，，而不用用抛光。。注射成成型法的的特点是是成型零零件的形形状范围围广，除除了产生生双凸、、双凹、、平凸、、弯月形形等各种种透镜外外，还可可以生产产透镜系系列、校校正镜和和非球面面透镜，，并且生生产效率高，，成本低低。16光学塑料料的加工工方法压塑成型型法压塑成型型法也称称模压成成型法或或热压成成型法。。其工艺艺是将预预热的塑塑料毛坯坯放入加热过的模模具中中，施加压压力，是塑塑料充充满型型腔，，保持持加热热和加加压，，使塑料成成型，然后后脱模模取出出成型型零件件。这这种方方法是是我国国目前前制造造塑料料光学学零件件的主主要方方法，，例如如，菲菲涅尔尔透镜镜，内内反射射锥形形棱镜镜等。。与注注射成成型法法相比比，模模压成成型工艺容容易控控制，，制品品尺寸寸较大大；但如如生产产批量量小，，会使使模具具费用用偏高高，成成本增增加。。17光学塑塑料的的加工工方法法铸塑成成型法法铸塑成成型法法也称称为浇浇铸法法。其其工艺艺是在在流动态态的塑料料单体体或部部分聚聚合的的塑料料中加加上适当的的引发发剂，然后后浇入模模具中，使使其在在一定定的温温度和和常压压或低低压下下，经经一定定时间间的化化学变变化而而固化，脱模模后即即得到到光学学塑料零零件。这种种成型型工艺艺可以以使制制件的的均匀性性更好好，表面面精度度更高高。目目前世世界各各国用用于视视力矫矫正的的眼镜片片，绝大大多数数均为为浇铸铸法生生产。。18光学塑塑料的的加工工方法法放射线线成型型法在高精精度光光学零零件中中，光光学塑塑料零零件未未能更更好更更普通通应用用的一一个重重要原原因是是，成成型加加工后后制得得的零零件，，光学学均匀匀性和和表面面精度度等难难以满满足。。以上上各方方法，，均是是加热热方法法，在在高温温下，，由于于分子子的流流动和和温度度分布布的影影响，，局部部会产产生应应力，，并且且零件件体积积也随随着冷冷却而而大大大收缩缩，从从而给给零件件带来来形变变，损损坏了了它的的光学学性能能。现现在日日本提提出了了一种种新的的成型型方法法——放射线线法。。其原原理是是利用放放射线线的能能力和和穿透透力，，使光光学塑塑料的的单体体在较较低的的温度度范围围内，，并在在高粘粘度状状态下下，发发生聚聚合。这样样就能能有效效地控控制反反应热热和体体积收收缩，，从而而改善善了成成型零零件的的光学学性能能。19光学塑塑料的的加工工方法法刀具切切削直直接加加工金刚石石刀具具直接接用来来加工工光学学塑料料零件件。机械加加工将已是是板材材或片片材的的光学学塑料料划裁裁出所所需形形状，，再进进行研研磨抛抛光制制成光光学零零件。。20注射成成型的的光学学塑料料透镜镜，均均为一次注注射成成型。它要要求透透明度度极高高，这这就给给注射射成型型造成成了一一定困困难。。因此此，对对于注注射成成型光光学塑塑料制制品模模具的的结构设设计、材质选选择以及制造精精度等都提提出了了较高高的要要求。。光学塑塑料零零件的的注射射成型型技术术：21光学塑塑料注射成成型法法是将经经过加加热成成为流流体的的定量量的光光学塑塑料注注射到到不锈锈钢模模具中中，在在加热热加压压条件件下成成型，，经冷冷却固固化后后打开开模具具便可可获得得所需需要的的光学塑塑料零零件的一种种非球球面光光学塑塑料透透镜加加工技技术。。注射成成型又又叫注塑，它是是光学学塑料料成型型技术术的其其中一一种，，其它它还有有铸造造成型型、压压制成成型等等技术术，而而光学学塑料料成型型技术术是当当前制制造塑塑料非非球面面光学学零件件的先先进技技术。。22光学塑塑料零零件的的注塑塑：1.光学塑塑料零零件注塑机机注塑机机是实现现注塑塑过程程的设设备，，使塑塑料融融化而而塑化化；并并能将将塑化化的物物料注注入模模具腔腔中成成型。。23注射装装置：注射装装置一一般包包括料料斗、、计量量装置置、螺螺杆传传动装装置、、注射射和移移动油油缸、、机筒筒和喷喷嘴加加热装装置、、塑化化注射射部分分。合模装装置：合模装装置主主要有有固定定模板板、移移动模模板、、连接接模板板用的的拉杆杆、合合模油油缸、、成品品顶出出装置置等。。24液压传动和和电气系统统：液压传动和和电气控制制系统是为为了保证注注射机完成成塑化、注注射和成型型各工艺过过程预定的的要求和动动作程序，，准确有效效地设置动动力和控制制系统。主主要有电动动机、油泵泵、管道、、各种阀门门和其他液液压件、控控制箱等。。机座：支撑和固定定铁芯、绕绕组等部件件，将定子子、转子连连接组装起起来的结构构件，同时时起到方便便设备安装装，适应不不同的设备备及安装环环境而调整整安装尺寸寸的作用。。252.模具模具的质量量是注射成成型技术的的关键。模具是在注注射时使塑塑料成型的的一个腔体体装置，组组成模具型型腔的零件件称为成型型部件，主主要由凸模、凹模、型芯、嵌件和镶块等组成；构构成模具上上型腔的模模具零件叫叫模芯，模模芯是模具具中最精密密、最关键键的部分，，由它完成成注塑技术术中对零件件的复制。。262728光学塑料非非球面设计计的特点29光学塑料非非球面设计计特点30影响光学塑塑料零件的的主要因素素影响透镜质质量的主要要因素有注注射温度、、注射压力力、注射时时间、保压压压力、保保压时间和和模具温度度等。这些些工艺条件件的选择是是注射成型型技术的关关键。传统上，注注射模具设设计及注射射工艺制定定要依赖工工程师的经经验和技巧巧，实际的的缺陷也只只靠反复试试模给予修修正，缺乏乏理论依据据和科学计计算方法。。由于光学学塑料透镜镜的壁厚不不均性，如如能预先知知道熔料在在流经浇注注系统和型型腔时的剪剪切速率、、温度、压压力及时间间等，就能能合理确定定模具结构构和注射工工艺，提高高产品的一一次成功率率。31影响光学塑塑料零件的的主要因素素下面介绍一一些因素对对光学塑料料透镜质量量的影响规规律:（1）在注射产产品结构和和尺寸一定定的情况下下，适当地地提高注射射温度和模模具温度对对快速充模模是有利的的。随着注注射温度的的提高，熔熔体的表观观粘度呈指指数关系下下降，粘度度降低，熔熔体易于充充模;而温温度越高，，就越容易易造成产品品收缩不均均，透镜产产生残余内内应力及双双折射现象象，使面形形精度无法法满足使用用要求。32影响光学塑塑料零件的的主要因素素（2）为了提高高塑料光学学透镜的表表面光洁度度，也可适适当提高注注射压力，，把高聚物物熔料挤到到模具表面面，减少充充模流动痕痕迹，就能能复制出与与模具的光光洁度一样样的塑料透透镜。如果果注射压力力过低，性性射时间长长，熔化的的高聚物在在挤压到型型腔表面上上时可能冷冷却、凝固固，复制不不出像模具具型腔抛光光表面的光光洁度。33影响光学塑塑料零件的的主要因素素（3）模具温度度提高，冷冷却周期加加长，注入入模腔中的的高聚物大大分子的深深度取向得得到松弛，，从而获得得折射率均均匀一致高高质量产品品。模具温温度高，高高聚物颗粒粒保持融化化时间较长长，产品的的致密性好好，表面光光洁度也就就提高了。。（4）注射到模模具型腔高高温熔体，，冷却液体体变为固体体，体积发发生变化。。所以需要要较高压力力下注料。。保压就是是利用熔体体的可压缩缩性来解决决过量收缩缩问题。保保压压力越越高，体积积收缩越小小。34光学塑料零零件的检验验1.外观检验外观检验主主要是检验验材料的均均匀性、透透明度、色色泽和颗粒粒的大小。。2.工艺性能检检验工艺性能检检验主要是是检验水分分、收缩率率、流动性性和熔融指指数。一、塑料原原料质量的的检验原材料的质质量直接影影响塑料零零件的外观观、尺寸精精度和物理理性能。351.加料量量与塑化温温度加料量每次次应相等，，以保证均均匀塑化。。温度合适适的检验方方法是，在在模具和喷喷嘴脱开状状态下进行行对空注射射，流出的的塑料条应应光滑明亮亮、无变色色、无气泡泡、银丝。。2.压力压力包括塑塑化压力、、注射压力力、保压压压力等。3.时间与与成型周期期一次注射全全过程包括括闭模、注注射、保压压、冷却、、开模顶出出塑件等。。4.模具温温度控制模具温温度主要有有冷却介质质控制和熔熔料注入的的自然升温温和散热控控制。二、注射工工艺过程检检验36光学塑料零零件的检验验三、塑料透透镜的曲率率半径检验验制造塑料光光学零件必必须检检其其面型精度度。由于塑塑料光学元元件表面硬硬度低，接接触式检测测易划伤其其表面是表表面变形。。因此塑料料透镜面形形检测必须须是非接触触度的。图图为一种检检验塑料透透镜的曲率率半径的仪仪器结构示示意图，可可以依据成成像质量定定性判别表表面的完善善程度。37光学塑料零零件的表面面镀膜塑料零件成成型后，为为了改进和和提高其物物理和化学学性能，延延长其使用用寿命，从从而扩大它它的适用范范围提高经经济效益。。通常都要要进行镀膜膜处理，根根据需要在在光学零件件塑料表面面镀减反膜、反射膜、分光膜、滤光膜、抗静电膜和耐磨膜以及防水膜。38光学塑料零零件的表面面镀膜在光学领域域最常用的的光学塑料料有:聚甲基丙烯烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯烯(PS)和聚碳酸脂脂(PC)三种热塑性性塑料。若若要正确地地进行塑料料透镜的镀镀膜,首先必须充充分地了解解塑料和膜膜料的理化化性能及其其相互间的的关系。(一)内应力:从力学观点点来看,塑料透镜在在成型过程程中容易产产生内应力力,而且不易消消除。内应应力大就容容易使塑料料透镜产生生裂纹,同时膜料沉沉积到这种种透镜表面面后,内应力还会会转移到膜膜层上来,从而降低薄薄膜的稳定定性,甚至至使使膜膜层层开开裂裂起起皱皱。。因因此此膜膜层层应应能能经经得得起起这这种种内内应应力力而而不不开开裂裂或或脱脱皮皮。。39光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜(二)静电电:塑料料表表面面具具有有高高阻阻抗抗性性质质,它经经摩摩擦擦后后容容易易产产生生静静电电,而且且几几乎乎无无限限制制地地保保留留。。若若塑塑料料透透镜镜带带上上了了静静电电,就会会在在镜镜片片表表面面吸吸附附灰灰尘尘,这些些灰灰尘尘不不容容易易用用吹吹气气球球吹吹去去,用纱纱布布也也不不容容易易擦擦掉掉,由静静电电引引起起的的灰灰尘尘附附着着可可使使薄薄膜膜增增加加麻麻点点,甚至至开开裂裂。。(三)耐磨磨和和耐耐划划伤伤性性差差,容易易受受各各种种机机械械损损伤伤。。为为了了清清洁洁镜镜片片表表面面所所施施加加的的力力也也会会划划伤伤镜镜片片表表面面。。40光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜(四)抗化化学学性性和和耐耐溶溶剂剂性性较较差差,许多多化化学学药药品品和和有有机机溶溶剂剂对对光光学学塑塑料料具具有有腐腐蚀蚀作作用用。。主要要光光学学塑塑料料的的耐耐溶溶剂剂性性能能表表41(五)耐热热性性差差。。光光学学塑塑料料的的耐耐热热温温度度均均在在90°°C左右右,加温温会会使使零零件件变变形形,还会会因因热热疲疲劳劳而而产产生生裂裂纹纹,造成成塑塑料料老老化化,透过过率率严严重重下下降降,从而而给给真真空空镀镀膜膜带带来来困困难难。。光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜(六)光学学塑塑料料的的吸吸水水性性比比光光学学玻玻璃璃大大,尤其其是是在在高高温温下下,潮湿湿将将使使膜膜层层的的附附着着力力恶恶化化。(七)光学学塑塑料料的的热热膨膨胀胀比比光光学学玻玻璃璃严严重重。。42光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜主要要光光学学塑塑料料的的物物理理性性能能43光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜目前前光光学学塑塑料料零零件件常常用用的的镀镀膜膜方方法法有有真空空蒸蒸镀镀法法、离子子镀镀膜膜法法、溅射射镀镀膜膜法法和化学学镀镀膜膜法法等,一般般来来说说,玻璃璃零零件件的的镀镀膜膜技技术术同同样样可可以以用用于于塑塑料料光光学学零零件件。。但是是从从膜膜层层的的附附着着强强度度来来看看,用塑塑料料基基底底时时,与玻玻璃璃相相比比是是很很弱弱的的。。另另外外塑塑料料具具有有与与玻玻璃璃不不同同的的特特性性,其镀镀膜膜工工艺艺不不能能照照搬搬玻玻璃璃透透镜镜的的镀镀膜膜工工艺艺,而有有其其独独特特的的工工艺艺措措施施。。可可以以对对比比玻玻璃璃透透镜镜和和塑塑料料透透镜镜的的镀镀膜膜工工艺艺流流程程。。44光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜（玻玻璃璃和和塑塑料料透透镜镜镀镀膜膜工工艺艺流流程程））45光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜以真真空空蒸蒸镀镀法法为为例例，，为为了了减减少少镀镀膜膜时时蒸蒸发发源源对对塑塑料料透透镜镜的的热热辐辐射射,避免免透透镜镜受受热热变变形形;为了了提提高高膜膜层层的的质质量量，，要要求求:1.尽可可能能选选用用口口径径大大、、带带有有电电子子枪枪、、抽抽速速快快的的真真空空镀镀膜膜机机;2.在满满足足光光学学性性能能要要求求的的前前提提下下,应选选用用层层数数尽尽量量少少的的膜膜系系；；3.膜料料除除了了要要有有高高纯纯度度外外,膜料料还还要要满满足足下下表表。。46光学学塑塑料料零零件件的的表表面面镀镀膜膜塑料料透透镜镜的的真真空空蒸蒸镀镀工工艺艺与与玻玻璃璃透透镜镜基基本本相相同同,所不不同同的的是是塑塑料料透透镜镜不不能能像像玻玻璃璃透透镜镜那那样样烘烘烤烤,而在在室室温温下下淀淀积积会会降降低低膜膜层层在在塑塑料料透透镜镜上上的的附附着着力力,必须须寻寻求求其其它它工工艺艺手手段段来来提提高高膜膜层层的的附附着着力力,如控控制制适适当当的的淀淀积积速速率率和和蒸蒸镀镀过过程程等等。。蒸发发方方法法:目前前常常用用的的有有电阻阻热热蒸蒸发发和电子子束束蒸蒸发发的方方法法。。由由于于电电子子束束蒸蒸发发比比电电阻阻热热蒸蒸发发的的热热辐辐射射小小,蒸发发速速率率快快且且淀淀积积的的膜膜层层数数致致密密,所以以对对于于塑塑料料透透镜镜最最好好选选用用电电子子束束蒸蒸发发方方法法。。在在塑塑料料透透镜镜上上制制备备硬硬膜膜时时,要尽尽量量缩缩短短镀镀膜膜时时间间,以减减少少对对塑塑料料透透镜镜的的热热辐辐射射。。并并且且蒸蒸发发离离离离子子轰轰击击结结束束的的时时间间越越近近越越好好。。47非球球面面面面形形的的检检测测对于于非非球球面面的的检检测测从从原原理理上上看看，，可可分分为为三三类类：：利利用用光光的的直直线线性性的的几何何光光线线法法，利利用用光光的的波波动动性性的的干涉涉法法，利利用用测测头头对对整整个个被被测测面面进进行行扫扫描描的的直接接面面形形轮轮廓廓法法。48非球球面面面面形形的的检检测测刀口口阴阴影影法法实实质质上上是是发发现现会会聚聚同同心心光光束束完完善善程程度度的的一一种种非非常常灵灵敏敏的的方方法法，，最最初初多多用用于于检检验验大大口口径径光光学学元元件件的的面面形形误误差差，，主主要要适适用用于于各各种种尺尺寸寸的的旋旋转转二二次次非非球球面面的的面面形形检检测测。。它它所所需需的的设设备备简简单单，，定定性性分分析析灵灵敏敏度度高高，，适适用用于于现现场场的的检检测测，，且且不不易易划划伤伤镜镜面面，，速速度度快快。。刀口口阴阴影影法法检检测测椭椭球球面面时时的的原原理理图图49非球球面面面面形形的的检检测测干涉涉法法检检测测非非球球面面可可分分为为：：零位位检检测测和非零零位位检检测测。检检测测非非球球面面元元件件时时按按照照零零位位条条件件，，需需要要在在检检测测系系统统中中增增加加附附加加光光学学元元件件，，以以补补偿偿被被测测非非球球面面的的非非球球面面度度。。因因此此，，如如果果被被测测非非球球面面是是理理想想的的非非球球面面，，其其干干涉涉图图将将是是等等间