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玻璃模造技术(宝贵资料)三
光学人生 / 2016-01-05

 第六章:模仁

6-1模仁的选择

因为玻璃模造需要在高温下进行,因此对于模仁的材料和硬膜的选择需要特别注意。
首先要注意的是离形性,这个意思是指模仁本身在高温下不会和玻璃产生反应,因为如果玻璃黏附在模仁上,不仅会破坏模仁,亦会对成品造成缺陷。此外,模仁本身需要有足够的硬度及机械强度,材质过软,在模造玻璃时表面容易产生刮伤。第三个是高温稳定性,一般而言,为了不让模仁和空气中的氧气产生反应,在模造时我们会充入氮气,因此良好的模仁应该不会和氮气气氛反应。其次是耐热冲击性,如果说一套模仁模造了两、三千次,也表示它必须忍受两、三千次的经过室温、升温到五六百度再降到室温的连续过程,所以模仁材料假如不能够耐热冲击的话,就容易导致脆化裂化,模仁的寿命也相对地减少。另外是可加工性,是指模仁能够被加工机以钻石磨轮或车刀加工,且能达到所要求的光学等级的表面。另外,若要考虑模造的量产性,模仁的寿命也是选择因素之一,模仁的寿命愈长,镜片制作的成本就愈低。

6-2碳化钨模仁

贵金属膜-WC 碳化钨--
碳化钨为超硬合金的一种。经过模造条件例如耐热冲击、可加工性良好以及高温稳定度佳的考量,我们发现碳化钨可以耐热450-600C,并有上述的优势,所以十分适合制作模造玻璃用的模仁。利用碳化钨作材料来做超精密加工,形状精度可以达到0.5um下,磨轮几何形状最小可达到3mm的模仁曲面曲率半径。
6-3
超精密加工技术

光学镜片有其非球面系数,相对的,在制作模仁表面加工的时候,也需要去换算相对应模仁的非球面系数,这样转造的镜片才能达到光学设计所要求的形状精度。由于所需要制作的镜片精度相当的高,在压制镜片的时候,玻璃预形体是直接转造模仁的形状精度和表面粗糙度,因此模仁的形状精度和粗糙度需要一定的标准要求。
这是超精密模仁加工技术的超精密加工机,以钻石轮磨的方式加工模仁,我们可以看到以这样的技术所做出来的模仁表面,在有效径15mm以内,可达到p-v0.1842um,粗度4.9nm的精度。这样的标准已达到可制作精密光学镜片所需的要求。
钻石研磨示意图--
这是钻石研磨示意图,运用钻石磨轮研磨,至少要在两轴的加工机上做研磨,以达到所需要精度的模仁曲面曲率。
双轴和斜轴磨轮的比较--
若要作模仁曲面半径更小的模仁,因为用一般双轴的加工机可能产生刀具干涉的现象,所以如果利用如右图所示的斜轴磨轮去作加工的话,就能够制作模仁曲面曲率半径更小的模仁。
6-4
硬模披覆

合金膜层的类型--
除了碳化钨材质的模仁本身,我们会在模仁表面披覆上一层或多层硬质保护膜,简称硬膜,硬膜最主要的目的是保护模仁表面免于高温氧化及高温腐蚀,亦能防止玻璃与模仁表面的黏模问题。同时由于硬膜的硬度高于玻璃的硬度,使得模仁表面不易刮伤,所以可延长模仁的使用寿命。在模仁硬模披覆的研究中,硬膜材料的选择和披覆技术的开发将是最重要的关键。模仁表面的合金膜层分为两种类型:
有一种是可切削膜,以钻石车刀切削,因此可镀较厚的膜,之后再去做表面的切削,好处是延长钻石刀具寿命, 形状稳定性高, 可以延长模仁寿命。从这个图标可以清楚的看到模仁上面先披覆2号可切削膜,之后经过切削,再覆上3号膜。
另一种为贵金属膜,具耐腐蚀耐热冲击性等优点,我们现在来针对贵金属膜作更详细的解说。
磁控溅镀的原理 --
硬膜材料有一种是贵金属合金,它具有高化学稳定度及耐腐蚀等优点,它的离模性和耐冲击性也比较好。我们是以磁控溅镀的方式来制作贵金属薄膜,利用电浆把气体引导到溅镀靶上使其活性化,让合金溅镀到制作模仁表面,形成一层非常薄的金属层,作为硬膜。
如图所示,蓝色部份为模仁,模仁上会披覆一层或多层的硬膜如橘色绿色黄色部份,主要目的是为了在模造过程延长模仁的寿命,防止模仁的表面和气氛及镜片产生化学反应。
溅镀薄膜制程与量产制程评估--
为了达到量产的需求,能延长模仁寿命的溅镀薄膜是必要的。以工研院光电所为例,之前曾以贵金属合金去做硬膜制程,经过模造制程的过程,贵金属合金会产生晶粒粗化的效应,一旦晶粒粗化到某一程度,这样的硬膜便无法使用,因此我们选择溅渡制程去做硬膜,而经过测试之后,它的成品精度:可达形状精度小于1μm,表面粗度小于100 A
以这张硬膜测试的图来看,在摄氏500C以上,去测试硬膜的耐热状况。而这张图则可看出,当模造次数累积到2000次时,硬膜的cpk值会到降1.1以下,也就是说,说模造次数超过2000次之后就不能保证所有的成品的精度皆在规格范围以内。什么是cpk值呢?在品质管制中,Cpk值是用来评估品质的一个统计指针,我们可以从这个表格约略知道各级品质的统计指针。
第七章:量测技术

当压造出一个镜片之后,经由精密量测,来验证镜片是否合乎光学设计的要求。

7-1接触式量测

Form Talysurf--
Form Talysurf
属于接触式量测,利用探针划过镜片的表面,检验其粗糙度和形状精度。这张图中锯齿状的曲线即代表仪器划过镜片表面的型态,以这套仪器,我们可以测出在有效径15mm中,非球面玻璃镜片可达到pv0.1842um,粗度4.9nm的标准。
7-2
非接触式量测

干涉仪--
一种为干涉仪。之前提到的Form Talysurf是以探针在镜片表面划一条线去做量测,然后我们在几次的采样中去检视玻璃成品是否在所需的规格范围之内。但干涉仪不同,它的测量结果可以呈现镜片或模仁的整个表面形状精度。这里以DVD系统用CD读取头的量测结果为例,它的p-v值小于0.35λ
Rms小于0.035λ
非接触式三次元量测仪--
我们再来看Panasonic UA3P非接触式三次元量测仪。用它来量测金属模仁,模仁形状精度可达0.2um,成品形状精度可达0.3um,品质符合设计要求。
非接触式量测仪的好处是不会刮伤到模仁和镜片的表面。

碳化钨小常识 ---

  所谓超硬合金,意指以化学周期表IAa、Va、VIa族中9种元素之碳化物为对象﹐另添加Fe、Co、Ni及其合金,经配方、混合、形成,最后烧结成为复合化合金。
  这种复合化合金的特征,特别在高温硬度及机械性质上,极为出色。其中,尤以WC-Co系的机械性质,更是优越无比。此系列的合金通称为超硬合金。 (源自中华民国产业科技发展协进会之粉末冶金技术手册”)

磁控溅镀的原理 ---

  磁控溅镀法是在真空腔体中,以靶材为阴极,是当通入氩气,并在电场的作用下,于靶材附近形成电浆区,电浆区中的正离子受靶材负偏压吸引,加速轰击靶材,当这种具高能量的粒子(energetic particle)撞击靶材表面时,可藉由能量之转换 (moment exchange),将靶材表面之原子击出溅射。

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