小口径薄型玻璃透镜精密模压制造

　　0 引言

　　不同于材料去除型加工方式，精密模压制造技术首先在无氧环境中将置于高精度模具内的玻璃预型片(Preforms)加热到适合模压的温度，经由模芯表面施压转移面形，继而保压退火去除压力分模，最终只需一道工序即可得到模压透镜，工艺流程简单，生产效率高。由于在制造过程中，不需要对镜片进行装夹固定以及局部接触施加压力铣磨抛光，因此不会产生传统加工方法中难以避免的薄型镜片因机械应力而变形的问题。只要模压条件正确设置，工艺稳定，模压镜片的面形和结构将具有良好的精度和一致性。因此，玻璃精密模压制造技术特别适用于批量生产各种具有特殊结构的高精度中小口径透镜，尤其是那些用传统加工手段难以实现的光学玻璃元件，如小口径薄型透镜、高次非球面镜片、微透镜阵列、衍射光学元件和自由曲面光学元件等[1-6]。文中针对小口径薄型玻璃透镜的热压成形实例进行了讨论， 说明了玻璃精密模压制造技术的工艺特点以及适用性。

　　1 玻璃精密模压制造工艺

　　玻璃精密模压制造技术大体上可以分为3 个部分：精密模具设计与制造、热压成形工艺和模压玻璃。其中模压玻璃包括预型片设计与制造以及模压后玻璃光学性能的变化两部分。模压透镜的光学精度与这3 个部分紧密相关。玻璃精密模压制造的技术流程通常如图1 所示。

　　由于热压成形工艺特别是退火速率对玻璃材料的折射率和色散系数有较大影响，因此，对玻璃光学性能有较高要求的模压透镜，需要在设计之前初步确定热压成形工艺，通过预估或试验来获得玻璃折射率和色散系数的变化量，优化光学设计，从而保证模压后透镜材料特性的实际值满足设计公差要求。然后根据最终的透镜设计完成精密模具和玻璃预型片的设计与制作。当一切准备就绪后，合理设置模压工艺条件，玻璃预型片被压制成为与镀膜后的模具面形相应形状的镜片。如果模压后的透镜无法通过改变热压成形工艺实现光学精度要求，则需要对模具表面面形进行相应的修正。

　　采用东芝GMP-311V 型热压成形机，其基本的工艺操作程序大致如下：首先将清洗干净的玻璃预型片放置在模具下模的中心位置，关闭模压室，打开真空阀门充入氮气，排出空气，同时下模上升到靠近上模的设定位置;然后模压室内温度快速上升并最终稳定在模压温度;当模具和玻璃预型片的温度梯度减小至一定程度后，下模上升挤压预型片，转移模具面形;然后维持较小的压力，在少量氮气流的作用下缓慢降低温度;当温度低于玻璃应变点温度时，增大氮气流量，加快冷却速率;当温度下降到释放温度时，下模回到初始位置，此时可以打开模压室，取出模压透镜。除了在氮气保护下， 也可以在真空条件下完成模压工艺，实现透镜的热压成形，这有利于避免玻璃预型片和模具之间被封存气体，影响表面质量[7]。此外，在不同的模压温度阶段有针对性的施加压力可以减少玻璃热收缩对镜片面形精度的影响。