精密加工

什么是非球面镜片

由球面和平面以外的表面 (如自由曲面) 所构成的镜片。
抛物面及多项式所表示的椭圆面、双曲面·4次曲面等等。
在这里对一般镜片,球面镜片的必要性及优越性进行说明。

通俗易懂的说明从这里开始。

什么是非球面镜片

一般镜片的形状及作用

凸面透镜

  • 双凸型透镜

    双凸型透镜
    两面都采用凸面的透镜

  • 平凸型透镜

    平凸型透镜
    一面为平面的透镜

  • 凸型弯月面透镜

    凸型弯月面透镜
    意思是月芽形的透镜,一面为凸面另一面为凹面。
    透镜中内比周围厚

凸面透镜

凹型透镜

  • 双凹型透镜

    双凹型透镜
    由两个凹面组成的透镜

  • 平凹型透镜

    平凹型透镜
    一面为平面的透镜。

  • 凹型弯月面透镜

    凹型弯月面透镜
    意思是月芽形的透镜,一面为凸面另一面为凹面。
    透镜的周围比中央厚.

凹型透镜

非球面镜片的必要性

什么是镜片?

镜片是想放大观察体积小的物体或是远处的物体时,亦或是想像照相机一样将对象物体写入胶片时使用。
一般镜片的形状为球面 (凹凸) 或是平面,将玻璃切削加工后再研磨形成的镜片。

一般镜片 : 问题1

观察体积小的物体或是远处的物体时采用高倍镜头,但是镜头随着倍率的升高亮度会有所减小,越想扩大越不易观察。
另外,想拍摄在高速移动中的跑车时必须提升快门的速度也是同样。亮度的下降使得成像很暗.

一般镜片 : 问题2

想取得更多的光量,可以采用大口径的镜片,但是大口径会造成像差的增大。

什么是像差 ?

像差是指从镜片中央射入的光线与镜片边缘射入的光线的焦点不一样。
以照片为例,中间位置虽然对准了焦点但周围角落的位置并没有调整好。
正因为有这样的问题,像差大的镜片不能被采用。

缩小像差的办法 ?

用好几枚的凹型镜片和凸型镜片组合,虽然不能完全削除但可以减小像差。

一般镜片 : 问题3

为使镜片取得更多的光量需要用大口径的镜片。但是因为大口径镜片像差大只能采用好几枚镜片的组合来减小像差。
表面上看起来问题被解决了,但是必须由好几枚大口径镜片组合而成,这样的方法如果用于照相机等产品的生产,非但不能实现小型化·轻量化,反而增加了产品的成本。
正因如此,我们一直致力于研发新型镜片来解决像差问题。
研发成功了「非球面镜片」。

能解决一直以来的像差问题的非球面镜片是什么?

  • 球面镜片
  • 非球面镜片

非球面镜片是由非球面 (凹凸) 或平面的曲面组成的镜片。
除抛物面或双曲面、椭圆面以外还有高次多项式 (4次曲面)。另外还有像甜甜圈或橄榄球一像非轴对称曲面的提议。
最大的特点就是至今为止的像差问题得到解决。
因为通过的光量较多,无论多大的口径也没有像差。
正因如此球面镜片需要2、3组合而成达到的效果非球面镜片1枚就可实现。
这样,产品的小型化轻量化乃至节省成本都变成了可能。

非球面镜片的问题及解决方法

但是非球面镜片也有问题存在。
非球面的形状很复杂,如果像一般镜片一样研磨会很困难。
这导致了非球面迟迟不用于实际生产。

这样,放弃研磨,在非球面的模具里加入与成品形状比较接近的预型材进行加热软化后压型的方法被采用。这就叫「精密模压」。
精密模压技术使得研磨困难的非球面镜片加工变得容易。

玻璃精密模压的问题及解决方法

但是精密模压还是存在问题。
那就是玻璃只在高温环境下才会软化。
为了软化玻璃而升到高温不仅花费时间,还使得模具寿命缩短。另外冷却也需要花费时间。
因为有以上原因我们须要研发适用于精密模压能低温软化玻璃材料。

但是精密模压用的玻璃材料除此之外,还必须满足透明度、温度抗性、高强度、多种类、压型时不因产生结晶物或挥发物而丧失透明度、不含有易与模具产生化学反应物质、不含铅及砒霜等有害物质等等众多条件。
在这方面如果与塑料产品相比玻璃有压倒性的优势。但是塑料产品有大产量、低成本的特点。

即使有这些严格的条件,我们开发出了325℃低温熔解的精密模压玻璃材料-K-PG325 (SUPER VIDRON)

玻璃材料→预型材→玻璃精密模压→非球面镜片

但是,即使采用低温可成形 的玻璃精密模压材料,精密模压制品还是很昂贵。
其中之一的原因是为制做成形前的材料需要高成本。
精密模压前的玻璃材料一般称为「预型材」。
在预型材里原来只有称为「研磨预型材」,即与球面镜片一样通过研磨而成的材料。现在从玻璃熔解直接做成预型材的制作方法也被研发成功,并且已经用于实际生产。这种产品称为「GOB预型材

玻璃精密模压成型机

为降低玻璃精密模压成型机的成本,需要高速加温·冷却的技术。
除此以外,温度与压型负重的可高精度调节以及避免温度变化引起的应力双折射也是生产高精度镜片的条件。

另外在玻璃模压成型过程中,如果成型时周围的空气中含有氧气会造成模具的劣化及玻璃粘在模具上等情况的发生,所以成型的过程中一定要求密封的环境,可以注入氮气或是氩气来制造无氧环境。
而且作为玻璃精密模压产品,除了上述的非球面镜片以外,最近出现了 构造极其细微的玻璃产品(如方格镜片及微型透镜阵列等)。
要生产像这样的光学产品,成型时的气压也有调整的必要。

真空成型机适用于研究开发及小批量生产。

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