光学塑料的非球面加工培训课件

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。所所以一一般塑塑料光光学零零件的的最高高连续续工作作温度度不得得高于于80~120℃。（2）模压压成型型光学学塑料料零件件存在在不同同程度度的双双折射射。13（3）注射射成型型过程程影响响表面面面形形精度度。由于材材料在在成型型过程程中的的流动动模式式，冷冷却和和固化化收缩缩，光光学零零件的的面形形精度度会受受到影影响。。大多多数光光学塑塑料零零件在在成型型时的的收缩缩率一一般是是模具具尺寸寸的0.1%~0.6%，随随材料料和生生产过过程的的不同同而不不同。。14光学塑塑料的的加工工方法法目前光光学塑塑料零零件的的加工工方法法有两两大类类:一类是是模塑塑法，，如注注射成成型、、压塑塑成型型、铸铸塑成成型及及放射射线成成型等等;另一类类是直直接加加工法法，也也称机机械加加工法法或冷冷加工工法.即研研磨一一抛光光法和和用金金刚石石车直直接切切削法法。15光学塑塑料的的加工工方法法注射成成型法法注射成成型法法是热热塑性性塑料料的主主要成成型，，适用用于大大批中中小型型零件件的生生产。。注射射成型型的工工艺是是将塑塑料加加热到到流动动状态态，以以很高高的压压力和和较快快的速速度注入精精密的的模具具中，经过过一定定时间间的冷却零件就就可以以从模模具中中提取取出来来，成成型零零件经经过表面处处理，就可可以用用作光光零件件，而而不用用抛光光。注注射成成型法法的特特点是是成型型零件件的形形状范范围广广，除除了产产生双双凸、、双凹凹、平平凸、、弯月月形等等各种种透镜镜外，，还可可以生生产透透镜系系列、、校正正镜和和非球球面透透镜，，并且且生产产效率高高，成成本低低。16光学塑塑料的的加工工方法法压塑成成型法法压塑成成型法法也称称模压压成型型法或或热压压成型型法。。其工工艺是是将预预热的的塑料料毛坯坯放入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计、材质选择以及制造精度等都提出了较较高的要求。。光学塑料零件件的注射成型型技术：21光学塑料注射成型法是将经过加热热成为流体的的定量的光学学塑料注射到到不锈钢模具具中，在加热热加压条件下下成型，经冷冷却固化后打打开模具便可可获得所需要要的光学塑料零件件的一种非球面面光学塑料透透镜加工技术术。注射成型又叫叫注塑，它是光学塑塑料成型技术术的其中一种种，其它还有有铸造成型、、压制成型等等技术，而光光学塑料成型型技术是当前前制造塑料非非球面光学零零件的先进技技术。22光学塑料零件件的注塑：1.光学塑料零件件注塑机注塑机是实现注塑过过程的设备，，使塑料融化化而塑化；并并能将塑化的的物料注入模模具腔中成型型。23注射装置：注射装置一般般包括料斗、、计量装置、、螺杆传动装装置、注射和和移动油缸、、机筒和喷嘴嘴加热装置、、塑化注射部部分。合模装置：合模装置主要要有固定模板板、移动模板板、连接模板板用的拉杆、、合模油缸、、成品顶出装装置等。24液压传动和电电气系统：液压传动和电电气控制系统统是为了保证证注射机完成成塑化、注射射和成型各工工艺过程预定定的要求和动动作程序，准准确有效地设设置动力和控控制系统。主主要有电动机机、油泵、管管道、各种阀阀门和其他液液压件、控制制箱等。机座：支撑和固定铁铁芯、绕组等等部件，将定定子、转子连连接组装起来来的结构件，，同时起到方方便设备安装装，适应不同同的设备及安安装环境而调调整安装尺寸寸的作用。252.模具模具的质量是是注射成型技技术的关键。模具是在注射射时使塑料成成型的一个腔腔体装置，组组成模具型腔腔的零件称为为成型部件，，主要由凸模、凹模、型芯、嵌件和镶块等组成；构成成模具上型腔腔的模具零件件叫模芯，模模芯是模具中中最精密、最最关键的部分分，由它完成成注塑技术中中对零件的复复制。262728光学塑料非球球面设计的特特点29光学塑料非球球面设计特点点30影响光学塑料料零件的主要要因素影响透镜质量量的主要因素素有注射温度度、注射压力力、注射时间间、保压压力力、保压时间间和模具温度度等。这些工工艺条件的选选择是注射成成型技术的关关键。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影响响光光学学塑塑料料零零件件的的主主要要因因素素（3）模模具具温温度度提提高高，，冷冷却却周周期期加加长长，，注注入入模模腔腔中中的的高高聚聚物物大大分分子子的的深深度度取取向向得得到到松松弛弛，，从从而而获获得得折折射射率率均均匀匀一一致致高高质质量量产产品品。。模模具具温温度度高高，，高高聚聚物物颗颗粒粒保保持持融融化化时时间间较较长长，，产产品品的的致致密密性性好好，，表表面面光光洁洁度度也也就就提提高高了了。。（4）注注射射到到模模具具型型腔腔高高温温熔熔体体，，冷冷却却液液体体变变为为固固体体，，体体积积发发生生变变化化。。所所以以需需要要较较高高压压力力下下注注料料。。保保压压就就是是利利用用熔熔体体的的可可压压缩缩性性来来解解决决过过量量收收缩缩问问题题。。保保压压压压力力越越高高，，体体积积收收缩缩越越小小。。34光学学塑塑料料零零件件的的检检验验1.外观观检检验验外观观检检验验主主要要是是检检验验材材料料的的均均匀匀性性、、透透明明度度、、色色泽泽和和颗颗粒粒的的大大小小。。2.工艺艺性性能能检检验验工艺艺性性能能检检验验主主要要是是检检验验水水分分、、收收缩缩率率、、流流动动性性和和熔熔融融指指数数。。一、、塑塑料料原原料料质质量量的的检检验验原材材料料的的质质量量直直接接影影响响塑塑料料零零件件的的外外观观、、尺尺寸寸精精度度和和物物理理性性能能。。351.加加料料量量与与塑塑化化温温度度加料料量量每每次次应应相相等等，，以以保保证证均均匀匀塑塑化化。。温温度度合合适适的的检检验验方方法法是是，，在在模模具具和和喷喷嘴嘴脱脱开开状状态态下下进进行行对对空空注注射射，，流流出出的的塑塑料料条条应应光光滑滑明明亮亮、、无无变变色色、、无无气气泡泡、、银银丝丝。。2.压压力力压力力包包括括塑塑化化压压力力、、注注射射压压力力、、保保压压压压力力等等。。3.时时间间与与成成型型周周期期一次次注注射射全全过过程程包包括括闭闭模模、、注注射射、、保保压压、、冷冷却却、、开开模模顶顶出出塑塑件件等等。。4.模模具具温温度度控制制模模具具温温度度主主要要有有冷冷却却介介质质控控制制和和熔熔料料注注入入的的自自然然升升温温和和散散热热控控制制。。二、、注注射射工工艺艺过过程程检检验验36光学学塑塑料料零零件件的的检检验验三、、塑塑料料透透镜镜的的曲曲率率半半径径检检验验制造造塑塑料料光光学学零零件件必必须须检检检检其其面面型型精精度度。。由由于于塑塑料料光光学学元元件件表表面面硬硬度度低低，，接接触触式式检检测测易易划划伤伤其其表表面面是是表表面面变变形形。。因因此此塑塑料料透透镜镜面面形形检检测测必必须须是是非非接接触触度度的的。。图图为为一一种种检检验验塑塑料料透透镜镜的的曲曲率率半半径径的的仪仪器器结结构构示示意意图图，，可可以以依依据据成成像像质质量量定定性性判判别别表表面面的的完完善善程程度度。。37光学塑料零件件的表面镀膜膜塑料零件成型型后，为了改改进和提高其其物理和化学学性能，延长长其使用寿命命，从而扩大大它的适用范范围提高经济济效益。通常常都要进行镀镀膜处理，根根据需要在光光学零件塑料料表面镀减反膜、反射膜、分光膜、滤光膜、抗静电膜和耐磨膜以及防水膜。38光学塑料零件件的表面镀膜膜在光学领域最最常用的光学学塑料有:聚甲基丙烯酸酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(PS)和聚碳酸脂(PC)三种热塑性塑塑料。若要正正确地进行塑塑料透镜的镀镀膜,首先必须充分分地了解塑料料和膜料的理理化性能及其其相互间的关关系。(一)内应力:从力学观点来来看,塑料透镜在成成型过程中容容易产生内应应力,而且不易消除除。内应力大大就容易使塑塑料透镜产生生裂纹,同时膜料沉积积到这种透镜镜表面后,内应力还会转转移到膜层上上来,从而降低薄膜膜的稳定性,甚至使膜层开开裂起皱。因因此膜层应能能经得起这种种内应力而不不开裂或脱皮皮。39光学塑料零件件的表面镀膜膜(二)静电:塑料表面具有有高阻抗性质质,它经摩擦后容容易产生静电电,而且几乎无限限制地保留。。若塑料透镜镜带上了静电电,就会在镜片表表面吸附灰尘尘,这些灰尘不容容易用吹气球球吹去,用纱布也不容容易擦掉,由静电引起的的灰尘附着可可使薄膜增加加麻点,甚至开裂。(三)耐磨和耐划伤伤性差,容易受各种机机械损伤。为为了清洁镜片片表面所施加加的力也会划划伤镜片表面面。40光学塑料零件件的表面镀膜膜(四)抗化学性和耐耐溶剂性较差差,许多化学药品品和有机溶剂剂对光学塑料料具有腐蚀作作用。主要光学塑料料的耐溶剂性性能表41(五)耐热性差。光光学塑料的耐耐热温度均在在90°C左右,加温会使零件件变形,还会因热疲劳劳而产生裂纹纹,造成塑料老化化,透过率严重下下降,从而给真空镀镀膜带来困难难。光学塑料零件件的表面镀膜膜(六)光学塑料的吸吸水性比光学学玻璃大,尤其是在高温温下,潮湿将使膜层层的附着力恶恶化。(七)光学塑料的热热膨胀比光学学玻璃严重。。42光学塑料零件件的表面镀膜膜主要光学塑料料的物理性能能43光学塑料零件件的表面镀膜膜目前光学塑料料零件常用的的镀膜方法有有真空蒸镀法、离子镀膜法、溅射镀膜法和化学镀膜法等,一般来说,玻璃零件的镀镀膜技术同样样可以用于塑塑料光学零件件。但是从膜层的的附着强度来来看,用塑料基底时时,与玻璃相比是是很弱的。另另外塑料具有有与玻璃不同同的特性,其镀膜工艺不不能照搬玻璃璃透镜的镀膜膜工艺,而有其独特的的工艺措施。。可以对比玻玻璃透镜和塑塑料透镜的镀镀膜工艺流程程。44光学塑料零件件的表面镀膜膜（玻璃和塑塑料透镜镜镀膜工艺流流程）45光学塑料零件件的表面镀膜膜以真空蒸镀法法为例，为了了减少镀膜时时蒸发源对塑塑料透镜的热热辐射,避免透镜受热热变形;为了提高膜层层的质量，要要求:1.尽可能选用口口径大、带有有电子枪、抽抽速快的真空空镀膜机;2.在满足光学性性能要求的前前提下,应选用层数尽尽量少的膜系系；3.膜料除了要有有高纯度外,膜料还要满足足下表。46光学塑料零件件的表面镀膜膜塑料透镜的真真空蒸镀工艺艺与玻璃透镜镜基本相同,所不同的是塑塑料透镜不能能像玻璃透镜镜那样烘烤,而在室温下淀淀积会降低膜膜层在塑料透透镜上的附着着力,必须寻求其它它工艺手段来来提高膜层的的附着力,如控制适当的的淀积速率和和蒸镀过程等等。蒸发方法:目前常用的有有电阻热蒸发和电子束蒸发的方法。由于于电子束蒸发发比电阻热蒸蒸发的热辐射射小,蒸发速率快且且淀积的膜层层数致密,所以对于塑料料透镜最好选选用电子束蒸蒸发方法。在在塑料透镜上上制备硬膜时时,要尽量缩短镀镀膜时间,以减少对塑料料透镜的热辐辐射。并且蒸蒸发离离子轰轰击结束的时时间越近越好好。47非球面面形的的检测对于非球面的的检测从原理理上看，可分分为三类：利利用光的直线线性的几何光线法，利用光的波波动性的干涉法，利用测头对对整个被测面面进行扫描的的直接面形轮廓廓法。48非球面面形的的检测刀口阴影法实实质上是发现现会聚同心光光束完善程度度的一种非常常灵敏的方法法，最初多用用于检验大口口径光学元件件的面形误差差，主要适用用于各种尺寸寸的旋转二次次非球面的面面形检测。它它所需的设备备简单，定性性分析灵敏度度高，适用于于现场的检测测，且不易划划伤镜面，速速度快。刀口阴影法检检测椭球面时时的原理图49非球面面形的的检测干涉