特种胶合涂墨光学玻璃工艺研究

文 方涛 孙波 陈玉磊 徐光科

光学玻璃是光电技术产业的基础和重要组成部分，随着光电技术的突飞猛进，光学玻璃材料的应用领域不断扩展，特别是具有照相功能的智能终端普及应用，一定程度上推动了光学镜头产业的发展，成为光学玻璃行业发展的重要推动力。传统普通光学玻璃由于技术含量低、使用功能有限，已经逐步被技术含量更高、使用功能更广泛的特种光学玻璃所替代。

随着光电技术发展，光学玻璃的形状、种类也日益多样化，为了满足不同需要，设计者有时要求两种不同材料光学玻璃胶合，胶合后要达到一体成型的效果，如：胶缝零溢胶、胶缝曲面形状、胶缝完全吻合无缝隙等，即从外观及寸法上看要达到跟单件一样的效果但又满足胶合件的功能，这就要求先对胶缝进行特殊处理，然后再进行涂墨。要想实现上述要求，无法按照常规的先磨边再胶合的加工工艺，必须对胶合件进行磨边，如何实现先胶再磨边？本文中将对磨边及胶合的加工原理进行分析，并对重点问题进行探究。

在光学仪器的成像系统中，杂散光非常有害，其中很大一部分来自光学玻璃边缘，镜片数量越多，杂散光量越大，从而降低仪器的成像清晰度，因此使用不同涂料进行涂墨消光已成为设计人员的共识，涂墨还可以消除镜筒内的反射现象，使得镜头的外观更加协调、美观。作为涂层，在满足外观和使用性能的基础上，墨层与基体必须具有良好的结合力，需要满足常见的定性检测要求，如百格测试、溶剂擦拭等，这类方法简单易操作，也被各光学公司所认可。

加工原理分析

偏心的定义

透射偏心的定义：

镜片的外圆轴和它的光轴是不重合的，他们之间形成的夹角即为该零件的偏心角。如图1所示，红色光轴和绿色外圆轴的夹角即为偏心角。

图1

光轴：透镜两面球心的连线定义为该透镜的光轴。

磨边外圆轴：即零件外圆的对称中心轴，又称作物理轴。

磨边加工原理

图2 机械定心原理

机械法定心是将被定心透镜放在一对同轴精度高，端面精确垂直于轴线的夹头之间，利用弹簧压力加紧透镜，根据力的平衡来实现定心，如图2所示。左端为定位面，当透镜光轴和机器的主轴尚未重合时，右侧接头端面与透镜仅有一处接触，如图1中A点，夹头的压力F的方向沿着透镜的法线的方向，力F可分解为垂直于夹头端面的加紧力F1和垂直于轴线的定心力F2，定心力F2将克服透镜与夹头之间的摩擦力，使透镜沿着轴线方向移动，当夹头整个环行端面都接触到玻璃的表面时，定心力的作用就相互平衡，透镜的光轴与机床的主轴相重合，达到定心的目的。

总而言之，定心磨边分两步：

1.定心：用机械定心法将透镜的光轴和机器的主轴（机器上两接头的轴线）重合，即定心。

2.磨削：定芯完成后机器磨削玻璃的外圆，使透镜的外圆轴（也就是对称轴）和机器的主轴重合，从而使透镜的光轴和透镜的外圆轴重合。

综上分析可知：磨边前零件光轴已经确定，出现偏心时是光轴与物理轴不重合，磨边是利用机械定心原理，通过接头挤压零件曲面产生外力，使零件滑动后光轴与磨边机械轴重合，实现定心，然后通过对外圆的磨削，使外圆轴（即物理轴）也与磨边机械轴重合，进而实现物理轴和光轴重合，达到校正偏心的目的。

胶合加工原理

图3

光学透镜的胶合是指将两个或两个以上的透镜，将彼此吻合的两光学表面，用光敏胶等按照一定技术要求粘结到一起，达到一定偏心规格的加工工艺。

胶合校正偏心原理：借助透射偏心仪，将件1盛放在工装内，以件1的外圆轴为胶合件物理轴，通过调整件2的相对位置，使焦点像落在物理轴上或接近物理轴，然后进行紫外光聚合，从而实现调心定芯。从上述分析可知，胶合未聚合前物理轴已经确定，即为基准零件1的外圆轴，通过调整件2的相对位置来调整胶合后焦点的位置，使胶合后的焦点与物理轴进行重合，进而达到校正偏小的目的，焦点的位置受单件折射率、中心厚、单件偏心、两零件相对位置、胶合后偏心等共同决定。

加工工艺探究

先胶合再磨边偏心工艺的实现

从上述分析可知，磨边是已知光轴来校正物理轴，胶合是已知物理轴来校正光轴，胶合完成后形成新的焦点，该焦点与物理轴重合，胶合后偏心已经校正到位，偏心是合格的，当胶合后再次进行磨边时会对外圆轴进行破坏，导致焦点位置会偏离物理轴，再次出现偏心。胶合是利用焦点成像原理来实现的，焦点的位置受两零件的材料、厚度、两零件的相对位置、单件的偏心、胶合后的偏心等因素共同决定，胶合后为一体，每个胶合件都有一定微小差异，胶合后两单件光轴不一定重合，因此胶合后各曲面球心并非在一条直线上，所以胶合后两非胶合面球心连线不再是光轴，不遵循磨边机械定心原理，但磨边机在加工胶合件时仍会把胶合件当成单件原理加工，仍把两非胶合面球心连线当成光轴，这样即使将该“光轴”校正到和物理轴重合，偏心也不一定是合格的，所以靠受力挤压机械定心的方式来定心的偏心是随机的，偏心毫无保障，不良率极高。

图4

综上所述，胶合件的光轴不再是非胶合面两曲面球心的连线，胶合件不再满足磨边机械定心原理，通过对两曲面施压受力来使光轴与物理轴重合并不能保证偏心，因此无法用常规的机械定心方式来实现偏心要求，但由于胶合后偏心已经满足了图面要求，如果再次磨边时不对基准轴的外圆产生破坏，基准轴就不会改变，偏心也就不会改变，因此可以将两单品进行分开加工，先将件1外圆及非胶合面弧高加工到图面要求的尺寸，然后进行胶合，胶合时将偏心调整到图面要求范围，胶合后二次磨边时只对件1胶合面的弧高及件2的外圆进行磨边，使弧高及外圆尺寸满足图面要求，进而实现了先胶合再磨边。

如上图4，可根据图面需求形状对磨轮进行一体化设计，然后对胶合面红色部分进行二次磨边，既能达到对胶缝进行特殊处理也能保证偏心要求，实现先胶再定。

目前磨边分为光学定心及机械定心，虽然光学定心能够实现胶合件定心磨边，但是对于短焦距偏心要求精度高的零件光学定心难度极大，效率很低，对于此类零件无法进行批量化生产，通过对零件进行分解加工，采用机械定心能达到同样的效果，可实现批量化生产。

涂墨

涂墨关键在涂料，常见的涂料有GT-7Ⅱ、Origin、工业2000#、水墨等，这里我们做简要介绍。

GT-7Ⅱ对折射率大于1.65高曲折率材料具有防止反射的功能，墨层厚度在0.003～0.015mm之间，墨层呈黑色光泽，透光光呈茶色系列颜色。该涂料为三组份，主剂为环氧系列树脂，硬化剂为变性芳香族聚氨，主剂和硬化剂的配比为8：1，稀释剂重量根据产品需要决定。在主剂：硬化剂：稀释剂=8：1：9时，平均墨厚约为0.003mm，8：1：3～6时，平均墨厚能达到0.007mm。该型号涂料保存环境为10～20℃条件下的阴凉环境，开封后的保存期限为90天。

Origin涂料又名TG3。该涂料没有固化剂，主剂和稀释剂的配比通常为1：1～1.5，该涂料的特殊之处在于烘烤温度必须在120℃以上，否则不能彻底干燥，因此对于膨胀系数差异较大的胶合镜片不适宜使用该涂料。该型号涂料保存环境为25℃以下的阴凉环境。

工业2000#是塑料镜片的一种涂料，附着力特别好，主剂和固化剂配比为2：1，主剂容易沉淀，因此在使用前需要充分搅拌。该涂料在50℃条件下就可以干燥。在主剂：硬化剂：稀释剂=2：1：1时，平均墨厚约为0.005mm，2：1：2时，平均墨厚为0.003mm。使用该涂料加工时要注意防止积墨影响寸法。

水墨，指普通写毛笔字的涂料，该涂料在制造时已完成调配，使用时将墨瓶摇晃数下即可导入小杯中使用。该涂料主要应用于光学要求不高的镜片，使用简单易懂。在室温下干燥即可。

对于以上几种涂料的保管要注意：尽量减少开瓶的次数，最好放在与空气隔绝的密封容器中；不同涂料使用的期限也不一样，要根据涂料的性能而规定使用期限，过期的涂料严禁使用；对于稀释剂在常温条件下存放即可。

在涂墨作业的过程管控中，要注意以下原则：

①涂墨工程在原则上应该使用图面指定的涂料型号，避免因涂合成墨而出现发霉、变色等现象，因此在镜片涂墨作业中绝对不能使用超过12小时以上的墨液。

②作业过程严格按照作业指导书进行墨液的配制、涂墨和干燥；在墨液的配制过程中，主剂和固化剂的配合比例对涂料性能影响很大，需要重点进行管控。

③墨层厚度主要由主剂和稀释剂的浓度控制，稀释剂就是充当溶剂的作用，墨层干燥后稀释剂就会逐步挥发掉。

④涂墨前的镜片要保证基体清洁，不可存在油污，更不可裸手接触。

⑤在涂墨作业时，为保证涂墨精度，避免溢墨、欠墨的问题，多采用精度较高的单轴涂墨机或自动涂墨机作业，当然对于形状较为复杂异形镜片，多以手工作业为主。

⑥对于墨的强度，涂料配比影响很大，干燥温度亦有影响；温度高，时间短，温度低，时间长，涂料在干燥过程中发生化学反应和物理反应的反应程度不同，生成物也会有差别，而反应速度和生成物直接影响墨的强度。

表1

在评价墨层质量时，可用专用夹胶带粘拉或溶剂擦拭等（如表1），特殊情况下还需要进行高温、低温、恒湿等方面的信赖性试验。

在涂墨作业中常见的不良情况有墨强度不良、寸法不良、芯取面发白以及结合处发白等，在这里我们做简单探讨（表2、3、4、5）。

综上所述，在特殊光学制造工艺中，根据设计者的需求，需要制定相应的工艺流程和加工细节，并推动产品高质高效的批量化生产。而光学作为消费电子最好的赛道之一，魅力在于其创新永不停歇。同样，光学冷加工行业的加工技术及硬实力也在不断进步，以此推动支撑光学行业不断变革创新进步。

1.墨强度不良

2.涂墨后寸法不良

3.芯取面发白

4.胶合镜片结合处烘烤后出现白线