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2018年9月号

光学微结构的精密微纳印压设备

崭新节能技术降低微纳镜片的生产成本


曾几何时,摄影机的价格相当高昂,不是每个家庭都买得起一台摄影机的;假若摄影机的镜头包含了非球面组件,那它的售价肯定会更高。非球面透镜的轮廓线不是单一的弧度,它是较复杂的曲面形状;与球面透镜相比,非球面透镜产生较少的色差,故它的成像较为清晰。以往,球面透镜可用机器大量生产,非球面透镜则必须由人手逐一打磨抛光。到了今天,随着智能手机普及化,摄影变成了全民嗜好,每一个人都可成为摄影师。再者,现在拍照几乎不费成本,原因之一是镜片能以模压方式生产,毋须人手打磨。为了进一步降低成本,节省耗能,提升生产力,工业及系统工程学系李莉华博士的科研团队开发了崭新的微纳印压技术,以省电的方式把光学玻璃压塑成精密非球面微纳镜片,把成本调低至前所未有的水平。

传统玻璃镜片

以模压形式生产微米和纳米级光学玻璃组件比以塑料注塑生产困难得多。首先,玻璃需要加热至极高温度才会软化,整个真空腔体也要以红外线加热,所以会消耗大量能源。此外,由于模具必须能承受高温和高压,耐腐蚀,故多以碳化钨制成,但碳化钨成本甚高,加上非常坚硬,难以精确地切割,所以生产週期较长,令成本增加,结果提高了成品的价格。

新型玻璃微纳印压

针对这些难题,研究团队构思了新的微纳印压的概念。李博士解释说:「我们的目的是局部加热玻璃表面,而不是加热整块玻璃、整个模具嵌件和腔体,也就是说,预热、塑型、冷却所需的时间缩减了,耗能少了,生产週期自然缩短。」为了快速加热模具表面,微纳印压系统采用表面有石墨烯类碳涂层的矽制模具;通电后,涂层会快速升温,而热量则保存在矽制模具之中。由加热、压塑到冷却,整个过程可于两分钟内完成,远比传统玻璃成型方法省时。另外,矽材料的特性令模具同时有温度感应功能,可以直接、快速地控制温度,加上矽较碳化物容易切割,所以成本较低。系统结合了石墨烯类涂层和温度控制组件的一体化设计,可谓集塑型、加热和感应功能于一身。团队发现,与传统玻璃成型方法相比,微纳印压系统可省电达九成以上,而生产成本亦较传统方法低三分之一。

李博士补充道:「除了智能手机相机镜头外,以微纳印压技术制成的光学玻璃组件还可应用于数码投影机、影印机、太阳能电池和立体光场摄影机等。」

2018年4月,光学微结构的精密微纳印压设备于第46届瑞士日内瓦国际发明展中荣获金奖殊荣。

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