超精密研磨抛光|光学镜片完美成像背后工艺

发布时间: 11月19日 浏览次数:1140

华为手机

图源:华为官网

随着智能手机的不断迭代,各大手机厂商在去库存和推新品中都在寻找新的手机性能以谋求差异化的竞争优势和销量突破。摄像头成为智能手机进化的过程中最重要的主打设计之一,满足了人们更高品质的光影需求。

不仅手机,随着市场对照相机、摄像机、无人机、投影仪等光学消费品的需求不断扩大,液晶显示器、触摸屏手机的逐步普及,光学玻璃加工行业也随之日益发展,而抛光工艺在其生产过程中是不可或缺的重要环节,也得到前所未有的升级,适应了光学镜片的进步。

光学镜片/镜头,通常是光学玻璃或其他特殊材质做出来的镜片,一般指能透过和调节可见光的镜片,光学镜片必须经过光学仪器测量,检验纯度、透明度、均匀度、折射率和色散率是否合规格,合格的玻璃块经过加热锻压,成光学镜片毛胚。光学玻璃基片通常经过切割、滚圆、粗磨、精磨、抛光、磨边、镀膜、胶合、涂墨等加工。光学镜片经过研磨液细磨后,表面尚有厚的裂痕层,要消除此裂痕层的方法即为抛光。在磨边/研磨/抛光等工序中,需要研磨液和抛光粉等来辅助作业。

6P手机镜片

6P手机镜片 图源:舜宇光学官网

 

手机主流摄像头镜头组成图
  • 手机主流摄像头镜头组成图。由若干镜片、隔片(隔圈)和压圈、镜筒组成。镜头则受像素、规格、标准等要素的影响,目前市场上有4P、5P 、6P甚至7P的结构,

从材质上分,光学镜片/镜头主要分为塑料镜头和玻璃镜头两大类;制程上又分成球面和非球面。塑料镜头便于自动化批量加工,玻璃镜头需要逐个研磨加工难度较大。现在手机应用的主要是非球面塑料镜头。塑料镜头的优点在于便于大规模量产,玻璃镜头的优点在于透光率更高。除此之外,还有玻璃塑料混合镜头,结合了二者的特点。加工工艺不同,其中的抛光工序也有所不同。

镜头主要决定画面清晰度(画面清透度、光线、远近景)、图像显示范围,同时影响硬件支持的最高像素。研磨抛光工艺决定镜头品质,包括对光学镜片的精度、公差、光洁度、透过率以及后期的成像品质。

光学镜片(如手机摄像头、专业摄像机/照相机、无人机镜头、车载摄像头、望远镜以及光电仪器的光学系统)的传统抛光方法有热流法、回蚀法、旋转式玻璃法、电子环绕共振法、低压CVD、选择淀积、淀积一腐蚀一淀积、等离子增强CVD由于这些技术都属于的局部平面化技术,为了能达到全局平面化,化学/机械抛光技术逐步兴起。

专业摄像机/照相机镜头

图源:蔡司官网

光学镜片主流的抛光方式有三种种,机械抛光、化学抛光和化学机械抛光。三种者都需要研磨抛光液(粉),又可分为抛光粉研磨液(行业中也把抛光液称为研磨液或把研磨液称为抛光液)。一般研磨液(粉)用于粗磨,抛光液(粉)用于精密磨削。抛光粉通常用于研磨液的下道工序。

抛光粉,就是抛光过程中用的粉状磨介,通常由氧化铈、氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化锆、氧化铬等组份组成。铈基稀土抛光粉是较为重要的抛光粉产品之一,因其具有切削能力强、抛光时间短、抛光精度高、操作环境清洁等优点,故比其他抛光粉(如Fe2O3红粉)的使用效果佳,而被人们称为"抛光粉之王",用于光学镜片、表面玻璃、天然水晶、液晶显示屏、各种棱镜和反射镜抛光等。传统的抛光玻璃镜片所使用的抛光粉以氧化铈(CeO2)为主,抛光粉调配的比例依镜片抛光时期不同而有所不同,一般抛光初期与和抛光模合模时使用浓度较高的抛光粉,镜片表面光亮后,则改用浓度较稀的抛光粉,以避免镜面产生的表面雾化。

稀土抛光粉

稀土抛光粉 图源:海城海美抛光材料

研磨液是一种不含任何硫、磷、氯添加剂的水溶性抛光剂,抛光液具有良好的去油污,防锈,清洗和增光性能。性能稳定、无毒,对环境无污染。按照材质主要分为金刚石研磨液、氧化硅研磨液、氧化铈研磨液、氧化铝研磨液和碳化硅研磨等。是各主要光学镜头的重要研磨抛光液体,还可适用于高精密元件的研磨,如硅晶圆片、蓝宝石片、LED芯片、微晶玻璃基板、集成电路光掩模、硬盘基板、磁头、陶瓷、光纤连接器等。当对光学镜头及其光学系统的镜片抛光时,研磨液在机械抛光和化学机械抛光中的作用原理不尽相同。

用于机械抛光的研磨液,以金刚石、B4C等为磨料,通过添加分散剂等方式分散到液体介质中,从而形成具有磨削作用的液体,称为金刚石研磨液、碳化硼研磨液等。磨料在分散液中游离分布,利用磨料硬度比待磨工件硬度大的原理,实现工件的研磨、减薄。根据磨料的表面、颗粒大小及研磨液配置、研磨设备稳定性等情况,研磨完成后,工件表面容易留下或大或小的划痕。所以,机械作用的研磨液一般用于粗磨,后续还需要精密研磨抛光。

用于机械抛光的研磨液

图源:加孚官网

 

  • 由Cavo Special Lubricants加孚公司自行配液研制的金刚石研磨抛光液(又名钻石研磨液)。包括聚晶、单晶和纳米三种不同的研磨液。针对不同的研磨产品、磨具、工艺可以专业订制,具有适用性强,产品分散性好,粒度均匀、规格齐全、品质稳定等特点。广泛应适用于蓝宝石衬底、表镜、窗口片以及蓝宝石精密元器件的研磨和抛光。

用于化学机械抛光的研磨液利用了磨损中的“软磨硬”原理,即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的抛光表面,是机械削磨和化学腐蚀的组合技术,它借助超微粒子的研磨作用和化学腐蚀作用在被研磨的介质表面形成光洁平坦表面。所以化学机械作用研磨液又称为化学机械抛光液。在一定压力及抛光浆料存在下,被抛光工件相对于抛光垫作相对运动,借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合,在被研磨的工件表面形成光洁表面。

化学机械抛光

图源:徕卡官网

随着光学镜片及其光学系统技术的升级和功能的提升,传统的研磨及抛光方法,从精度和效率方面已不适应。除了通用型的化学/机械抛光方法以外,浴法抛光、离子束抛光、等离子体辅助抛光也被适用于不同精密构造的光学系统。

浴法抛光:浴法抛光是指工件和抛光盘都浸在抛光液中,所用装置示意图抛光液的深度以设备静止时淹没工件 10~15mm 为宜,搅拌器是使抛光液处于悬浮状态,不产生沉淀,抛光玻璃时一般使用氧化铁(红粉)、氧化铝等抛光材料。

离子束抛光:离子束抛光是玻璃工件在传统抛光后,用来进一步提高抛光精度的补充抛光方法。先在真空(1.33Pa)条件下,将惰性气体(氩、氪、氙等)原子使用高频或放电等方法使之成为离子,再用20~25kV的电压加速,然后碰撞到位于1.33×10 Pa真空度的真 空室内的被加工工件表面上,将能量直接传给工件材料原子,使其逸出表面而被去除。这种方法可以使工件去除厚度达10~20μm,是典型的用物理碰撞方法进行的抛光技术,一般情况下表面粗糙度可达0.01μm,精度高的达0.6nm。

 

离子束研磨

离子束研磨 图源:徕卡官网

等离子体辅助抛光:等离子体辅助抛光是利用化学反应来去除表面材料而实现抛光的方法,采用特定气体,制成活性等离子体,当活性等离子体与工件表面作用,发生化学反应,生成易挥发的混合气体,从而将工件表面材料去除。

基于光学镜片的研磨抛光的精密需求,目前又发展出了新的加工技术,如数控研磨和抛光技术、应力盘抛光技术、超光滑表面加工技术、延展性磨削加工、弹性发射抛光法、激光抛光、震动抛光等,这些新技术,已完全适应光学领域迅猛发展的要求。

光学透镜新的加工技术,需要边检测、边修正,不仅加工精度高,而且加工速度提高几倍到几十倍,对人工技术的依赖性已很小,新研磨和抛光技术的智能化程度都很高,重复精度高。数控研磨和抛光、应力盘抛光技术等,专门针对球面和非球面光学透镜的加工,非常专业化。

苹果公司的iPhone手机目前使用的摄像头镜片就是由蓝宝石材料制作。

图源:苹果官网

 
  • 单晶蓝宝石是一种用途广泛的晶体材料,具有优异的透光性,因此应用于各种光学领域的仪器镜头以及电子产品屏幕等。苹果公司的iPhone手机目前使用的摄像头镜片就是由蓝宝石材料制作。

2000 年 6 月夏普首先开始在手机上装载摄像头,开启了移动端的光学市场;iPhone 4 首发手机前置摄像头并且摄像头的体积得到了缩减;之后前置摄像头的规格也在不断升级;2017年双摄爆发式增长;2009年华为P30系列50倍变焦开启远射革命;2020年,前置双摄、后置四摄更大功能的摄像头组装载各大旗舰手机上。如今3D 建模等功能正在加速导入,未来手机摄像头将会继续导入 AR 等功能。现有的光学镜头(片)的抛光研磨作为光学系统设计的重要工序之一,也将助力光学在自动驾驶、 虚拟现实、工业等领域取得新的突破。

从各类电子显示屏到设备摄像头以及其他精密仪器的光学系统,从生物识别到人脸识别,从3D建模到虚拟现实,随着 5G 时代的到来,光学革命性创新将与新的 AR\VR 领域息息相关,也为供应商带来了更多的创新方向和更大的市场空间 。

资料来源:智研咨询、国盛证券研究所


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