ภาพรวมของการขึ้นรูปแก้วที่มีความแม่นยำ (PGM)
การปั้นแก้วที่มีความแม่นยำ (PGM) สำหรับ เลนส์แอสเฟอริก เปิดตัวในช่วงต้นทศวรรษ 1980 และนับแต่นั้นมาได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น โทรคมนาคม การถ่ายภาพดิจิทัล และการถ่ายภาพความร้อน การใช้ PGM อย่างแพร่หลายเนื่องมาจากความสามารถในการผลิตเลนส์แก้วคุณภาพสูงที่ทำซ้ำได้พร้อมพื้นผิวแอสเฟียริกด้วยต้นทุนที่ต่ำและในปริมาณมาก สิ่งนี้ทำให้ PGM กลายเป็นกระบวนการอันล้ำค่าสำหรับการออกแบบการมองเห็น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้หลักการออกแบบเพื่อการผลิต (DFM) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต
กระบวนการผลิตพีจีเอ็ม
PGM คือกระบวนการขึ้นรูปแบบอัดด้วยความร้อนโดยใช้ความร้อน ขั้นแรก พรีฟอร์มแก้วจะถูกวางระหว่างแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำภายในเครื่องขึ้นรูปแก้ว แม่พิมพ์เหล่านี้ซึ่งสะท้อนพื้นผิวเลนส์ที่ต้องการ ได้รับการปรับตามโปรไฟล์ความร้อนและคุณสมบัติของวัสดุ เครื่องถูกไล่ออกด้วยไนโตรเจนหรือสุญญากาศ และทั้งผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นและแม่พิมพ์ได้รับความร้อน การใช้แรงกดและปล่อยให้แม่พิมพ์เย็นลงจะส่งผลให้เลนส์สุดท้าย
ตาม จางและคณะ (2019)กระบวนการขึ้นรูปแก้วที่มีความแม่นยำช่วยให้สามารถผลิตเลนส์แอสเฟอริกที่ซับซ้อนซึ่งมีคุณภาพพื้นผิวสูงและความหยาบต่ำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบออพติคอลประสิทธิภาพสูง
การเลือกวัสดุที่เหมาะสมสำหรับเลนส์ Aspheric
การเลือกวัสดุเป็นขั้นตอนสำคัญในโครงการริเริ่ม DFM และการขึ้นรูปแก้วที่มีความแม่นยำก็ไม่มีข้อยกเว้น แก้วแสงที่เหมาะสมสามารถเพิ่มประสิทธิภาพ ลดเวลาในการผลิต และลดต้นทุนได้อย่างมาก ด้วยแก้วที่สามารถขึ้นรูปได้มากกว่า 200 ชนิด นักออกแบบจึงมีอิสระอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ปัจจัยต่างๆ เช่น ความสามารถในการผลิต ความพร้อมใช้งาน และต้นทุน จะต้องนำมาพิจารณาเพื่อจำกัดตัวเลือกให้แคบลง การหารือเบื้องต้นกับซัพพลายเออร์สามารถช่วยระบุวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงสุดได้
การเริ่มต้นด้วยกระจกหนึ่งหรือสองประเภทและการขอคำติชมตั้งแต่เนิ่นๆ จากผู้ผลิต จะช่วยประหยัดเวลาและต้นทุนได้ ผู้ผลิตมักจะสร้างมาตรฐานให้กับกลุ่มวัสดุที่เลือกสรรเพื่อใช้ประโยชน์จากการประหยัดต่อขนาด โดยผ่านการประหยัดต้นทุนให้กับลูกค้า ประสบการณ์ของพวกเขากับเอกสารเหล่านี้สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าในการลดความเสี่ยงด้านประสิทธิภาพ คุณภาพ และการจัดกำหนดการ
สูตรแก้วบางสูตรอาจส่งผลเสียต่ออายุการใช้งานของเครื่องมือและเพิ่มต้นทุนได้ แก้วที่ต้องการอุณหภูมิในการประมวลผลต่ำจะช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดออกซิเดชันที่พื้นผิวระหว่างการขึ้นรูป ลดการปนเปื้อนและความต้องการในการบำรุงรักษา อุณหภูมิที่ต่ำลงเหล่านี้ยังทำให้วงจรการทำความร้อนและความเย็นสั้นลง ปรับปรุงปริมาณงานและลดการใช้พลังงาน
ผลกระทบของ PGM ต่อการออกแบบออปติคอล
การทำความเข้าใจผลกระทบของกระบวนการ PGM ต่อการออกแบบออปติกนั้นถือเป็นสิ่งสำคัญหลังจากเลือกวัสดุ ประวัติความร้อนของกระจกมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางกายภาพและออปติกของกระจก ซึ่งเป็นสาเหตุที่การผลิตเลนส์แบบเดิมจึงกำหนดอัตราการอบอ่อน กระบวนการ PGM จะปรับรอบการทำความเย็นให้เหมาะสมที่สุดเพื่อเพิ่มผลผลิตให้สูงสุดและลดต้นทุนให้เหลือน้อยที่สุด อัตราการทำความเย็นของ PGM จะสอดคล้องกับอัตราการอบอ่อนของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป แม้ว่าเลนส์ PGM หลังการอบอ่อนจะสามารถทำได้ แต่บ่อยครั้งที่ต้นทุน เวลาดำเนินการ และคุณภาพของพื้นผิวจะลดน้อยลง
วิจัยโดย เหงียนและคณะ (2020) บ่งชี้ว่าโดยทั่วไปแล้วเลนส์ PGM จะมีดัชนีการหักเหของแสงลดลงเล็กน้อย ตั้งแต่ -0.0006 ถึง -0.010 สำหรับแว่นตาแบบขึ้นรูปทั่วไปที่ใช้ในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ แก้วชาลโคเจนไนด์ที่มีดัชนีสูงกว่าจะพบว่าสเปกตรัมอินฟราเรดลดลงอย่างมีนัยสำคัญมากกว่า
หลักการออกแบบสำหรับเลนส์ Aspheric ขึ้นรูปด้วยแก้วที่มีความแม่นยำ
การนำแนวทางปฏิบัติ DFM ที่มีประสิทธิภาพมาใช้ในการออกแบบชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแก้วอย่างแม่นยำนั้นเกี่ยวข้องกับหลักการสำคัญหลายประการ โดยปัจจัยด้านรูปร่างโดยรวมของเลนส์ถือเป็นปัจจัยหลักในการพิจารณา โดยปกติแล้วเส้นผ่านศูนย์กลางจะมีตั้งแต่น้อยกว่า 1 มิลลิเมตรไปจนถึงมากกว่า 100 มิลลิเมตร แม้ว่าส่วนใหญ่จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 1 ถึง 25 มิลลิเมตรก็ตาม
แม้ว่าจะสามารถใช้รูปทรงเลนส์และพรีฟอร์มได้หลากหลาย แต่โดยทั่วไปแล้วผู้ผลิตจะเป็นผู้รับผิดชอบในการเลือกพรีฟอร์ม พรีฟอร์มแบบลูกบอลนั้นคุ้มต้นทุนที่สุดสำหรับ PGM กฎการออกแบบสำหรับพรีฟอร์มแบบลูกบอลระบุไว้ที่นี่ แต่สามารถใช้รูปทรงขั้นสูงหรือรูปทรงที่ไม่เป็นปกติได้โดยใช้รูปทรงพรีฟอร์มที่แตกต่างกัน และควรหารือกับผู้ผลิตล่วงหน้า
ความหนาศูนย์กลาง (CT) ของเลนส์ขึ้นอยู่กับรูปร่างหรืออัตราส่วนภาพ CT ที่บางมากสามารถผลิตได้จนถึง 0.2 มม. แต่อาจต้องใช้ผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างใกล้เคียงตาข่ายเพื่อลดความเครียด ควรหลีกเลี่ยงค่า CT ที่มีขนาดใหญ่เพื่อป้องกันการไล่ระดับความร้อน โปรไฟล์ความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้อาจทำให้เกิดการหักเหของแสงจากความเครียด ดัชนีการหักเหของแสงที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน และอาจเกิดการแตกหักได้
ความหนาของขอบ (ET) ต่ำกว่า 0.4 มม. อาจทำให้ขอบแตกและมีปัญหาในการจัดการ เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก (OD) ถูกจำกัดโดยการออกแบบแม่พิมพ์ โดยทั่วไปจะมีตั้งแต่น้อยกว่า 1 มม. ถึงมากกว่า 25 มม. OD ขนาดใหญ่ยังอาจได้รับผลกระทบจากการไล่ระดับความร้อน ซึ่งส่งผลกระทบต่อผลผลิต อัตราส่วนด้านของ OD ต่อ CT และ ET ควรอิงตามประสบการณ์ของผู้ผลิตเพื่อรักษาผลผลิตที่สูง
ผสมผสาน Radii และ Transition Zone ในเลนส์ Aspheric
ช่องรับแสงทางกายภาพ (PA) ควรใหญ่กว่าช่องรับแสงที่ชัดเจน (CA) เสมอ เพื่อรองรับรัศมีการผสมผสานที่ช่วยลดความเข้มข้นของความเค้น และช่วยผ่อนแรงให้กับเครื่องมือตัด ขนาดรัศมีการผสมผสานขึ้นอยู่กับพื้นผิวและวิธีการผลิต อาจจำเป็นต้องมีโซนการเปลี่ยนผ่านระหว่าง CA และรัศมีการผสมผสานเพื่อลดข้อจำกัดด้านเครื่องมือแม่พิมพ์และปกป้องพื้นผิวแสงภายใน CA
ความลาดชันสูงบนพื้นผิวแสงทำให้เกิดความท้าทายในการผลิตแม่พิมพ์และมาตรวิทยา โดยทั่วไปแล้ว เครื่องเจียรเพชรที่มีความแม่นยำและโปรไฟล์พื้นผิวจะถูกจำกัดไว้ที่ความลาดชันไม่เกิน 55° ถึง 60° รูปทรงที่สูงชันอาจต้องใช้การขึ้นรูปแบบสุญญากาศเพื่อหลีกเลี่ยงการกักเก็บก๊าซ ในขณะที่ความลาดชันที่ต่ำมากจะเพิ่มความเสี่ยงในการวางแนวที่ไม่ตรง
หน้าแปลนและการขึ้นรูปเม็ดมีดสำหรับเลนส์แอสเฟอริก
คุณสมบัติการติดตั้ง เช่น หน้าแปลนสามารถรวมเข้ากับส่วนประกอบ PGM ได้โดยตรง ต้องพิจารณารัศมีการผสมผสานและขอบเมื่อใช้หน้าแปลนเพื่อให้แน่ใจว่ามีพื้นที่การประกอบเพียงพอ หน้าแปลนขนาดใหญ่จะเพิ่มปริมาณพรีฟอร์มและต้นทุนวัสดุ แต่เป็นที่ต้องการสำหรับการติดตั้งที่ง่ายกว่า
การขึ้นรูปเม็ดมีด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการขึ้นรูปเลนส์โดยตรงลงในตัวยึดโลหะ เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่ควรตรวจสอบแยกต่างหากจากเลนส์ PGM มาตรฐาน
สรุป
การรวมซัพพลายเออร์ตั้งแต่เนิ่นๆ ในกระบวนการออกแบบและการใช้เทคนิค DFM เมื่อออกแบบเลนส์แอสเฟอริกที่ขึ้นรูปด้วยแก้วที่มีความแม่นยำ สามารถนำไปสู่การออกแบบที่คุ้มค่าและผลิตได้สูง การปฏิบัติตามหลักเกณฑ์เหล่านี้ช่วยให้แน่ใจว่าข้อดีของ PGM จะเกิดขึ้นได้อย่างเต็มที่ในกระบวนการออกแบบด้านการมองเห็น
การวิจัยและการใช้งานจริงแสดงให้เห็นว่าการขึ้นรูปแก้วที่มีความแม่นยำเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงในการผลิตเลนส์แก้ความคลาดทรงกลมคุณภาพสูงในวงกว้าง ตามที่ได้เน้นไว้โดย สมิธแอนด์โจนส์ (2018)การใช้ประโยชน์จากหลักการ DFM ใน PGM สามารถเพิ่มประสิทธิภาพและความคุ้มทุนของการผลิตเชิงแสงได้อย่างมาก
