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[老戴说镜头]浅谈模造工艺及在手机镜头的运用

2016-03-04 10:25:19 慧眼网

在第五期的《老戴说镜头》中,我们给大家介绍了非球面及其应用;我们知道非球面镜片相比球面镜片在消除球差、慧差、场曲、畸变等大部分像差方面具有优势,能降低系统复杂程度,提高光学成像质量;非球面镜片根据材料的不同可以分为塑料非球面镜片和玻璃非球面镜片,其加工工艺各有不同。本文主要介绍玻璃非球面镜片的一种成型方法:精密模造成型方法。

模造成型法原理:

模造成型法是利用玻璃随温度的升高粘滞度降低的特性,从本质上说是一种热加工方法。将已具初形的玻璃初胚置于精密加工成型模具中,升高温度使玻璃软化,再由模仁表面施压使玻璃受力变形分模取出,即可形成我们所需要的镜片形状。温度升高到多少才为合适,如下图一所示,温度需要在软化点附近。Tg的玻璃不再以线性的方式膨胀,而会加速软化,最适合压造。一般来说模造的温度需要达到490℃以上,由此方法制造的玻璃非球面镜片称为GM镜片(Glass Moding)。

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图 一

模造工艺主要流程:

一般包括以下流程:

玻璃初胚的制作→加热成型→退火处理→量测→芯取→镀膜→切边→涂墨等工序,较详细过程如下图二:

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图 二

采用模造成型法相比传统的人工研磨法缩短了制程时间,精度也更高,玻璃非球面镜片的加工方法普遍采用的是模造成型法。

模造过程注意事项:

①  玻璃初胚的选择与研磨:玻璃初胚作为模造技术的原始材料,选型上尤为重要。我们一般选择球面镜片状的玻璃预性体,或者GOB(滴下球),它的形状已经类似玻璃成品,因此便于加工。

②  模仁的选择:模造成型工艺是在490℃左右的高温条件下进行作业,所以模仁的选择必须要能够耐高温稳定性好,否则会导致模仁使用寿命减少。此外模仁必须保证不会与玻璃反应,否则会有玻璃粘附在模仁上。最后模仁的加工性要强,模造工艺要达到光学等级的精度,需要经过钻石磨轮和车刀加工。模仁的材料一般选择碳化钨和碳化硒。

③  镀硬膜:通常我们会在模仁表面镀上一层硬膜,比如类金刚石、金属氮化膜、贵金属膜等,保护模仁表面免于高温氧化及高温腐蚀。另外,其超低的摩擦系数,也利于镜片与模具分离,即防止玻璃和模仁表面的黏模问题。

④  环境气氛:此处所说的环境气氛指的模造过程中要冲入氮气,如下图三所示,这样做的目的是为了防止模仁、镜片材料和空气中的氧气发生反应,含氧量一般控制在100ppm以下 。

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图 三

模造玻璃镜片在手机应用上展望:

玻璃非球面镜片与塑料非球面镜片各有优缺点,而在手机镜头的应用领域中,由于玻璃的成本相较塑料的成本更高,另外考虑到目前的模造工艺没有手机镜头塑料非球面镜片的加工工艺成熟,所以手机镜头中普遍采用的还是塑料非球面的镜片。

应用玻璃非球面镜片可以解决塑料非球面镜片存在的两大典型难点:

①  塑料非球面镜片的温漂现象比较明显;所谓温漂现象就是指塑料镜片表面形状及尺寸和折射率随着温度的升高而发生改变,进而影响景深,对FF成像系统有较大影响。而玻璃材料比塑料材料稳定,因此玻璃非球面可以解决塑料非球面的温漂问题。

②  玻璃非球面镜片选择的材料范围比较广泛;塑料非球面的材料一般是选用一种折射率(nd)较低而阿贝数(vd)较高的材料与另一种折射率较高而阿贝数较低的材料搭配使用,比如APL5514(COC类)与SP3810(PC类)等,材料的选择空间较小。而如果使用玻璃模造的非球面镜片原材料的选择将更丰富,可以较好的提升设计空间。

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图 四

模造镜片现在主要的应用领域是车载镜头、安防、数码相机等非手机领域;如果模造玻璃镜片的成本降低精度提高,这会有助于手机镜头高像素发展(增大相对孔径以及改善成像质量),部分手机厂商如三星和诺基亚的高端手机机型部分镜片已经采用了模造镜片。

量测技术:

模造玻璃成型后,借助一些仪器对其进行检测。下图a所示的千分尺可以用来测量部品的外径、边厚等尺寸;b所示的圆度仪用来测量产品的圆度、同轴度、垂直度等;c所示高倍显微镜用于观察模芯表面光洁度。

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图 五

理论上来讲非球面表面任意一点的曲率都是不同的,要衡量模造镜片精度更重要的在于面精度和偏心的测量。

一般来说使用轮廓仪(Taylor surf、UA3P等设备)进行面精度,其原理是根据探针在镜片上的接触走过的轨迹,扫描出表面的轮廓形状,用于非球面量测和表面粗糙度量测来测定非球面形状和设计非球面形状之差。下图六所示曲线C代表的是设计上的非球面轮廓,曲线B代表的是实际扫描所得的轮廓。

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图 六

偏心检测:一般使用TROPTICS偏心仪检测透过偏心、反射偏心、非球面面间偏心以及镜头组面间偏心。

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图 七

结语

随着模造工艺的不断提升,制造成本会相对降低,相信玻璃模造镜片会有更广阔的应用前景。

 

(本文由舜宇光学公司提供)


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