정밀유리성형(PGM) 개요
정밀 유리 성형(PGM) 비구면 렌즈 1980년대 초반에 소개된 이후 통신, 디지털 사진, 열화상 등 다양한 산업 분야의 핵심 기술이 되었습니다. PGM이 널리 채택되는 이유는 저렴한 비용으로 대량으로 비구면 표면을 갖춘 고품질의 반복 가능한 유리 광학 제품을 생산할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 PGM은 특히 생산을 최적화하기 위해 DFM(제조 가능성을 위한 설계) 원칙을 구현할 때 광학 설계를 위한 귀중한 프로세스가 됩니다.
PGM 제조 공정
PGM은 등온 압축 성형 공정입니다. 처음에는 유리 성형기 내의 정밀 금형 사이에 유리 프리폼이 배치됩니다. 원하는 렌즈 표면을 반영하는 이러한 금형은 열 프로필과 재료 특성에 맞게 조정됩니다. 기계는 질소 또는 진공으로 퍼지되고 프리폼과 금형이 모두 가열됩니다. 압력을 가하고 금형을 냉각시키면 최종 렌즈가 완성됩니다.
에 따르면 Zhang et al. (2019), 정밀 유리 성형 공정을 통해 고성능 광학 시스템에 중요한 표면 품질이 높고 거칠기가 낮은 복잡한 비구면 렌즈를 생산할 수 있습니다.
비구면 렌즈에 적합한 재료 선택
재료 선택은 모든 DFM 이니셔티브에서 중요한 단계이며 정밀 유리 성형도 예외는 아닙니다. 올바른 광학 유리를 사용하면 성능이 크게 향상되고 리드 타임이 단축되며 비용이 절감됩니다. 200가지가 넘는 유형의 성형 가능한 유리를 사용할 수 있으므로 설계자는 상당한 자유를 누릴 수 있습니다. 그러나 옵션의 범위를 좁히려면 제조 가능성, 가용성, 비용 등의 요소를 고려해야 합니다. 공급업체와의 조기 논의는 가장 효과적인 재료를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.
한두 가지 유리 유형으로 시작하고 제조업체로부터 초기 피드백을 구하면 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 제조업체는 규모의 경제를 활용하여 고객에게 비용 절감 효과를 전달하기 위해 특정 재료 그룹을 표준화하는 경우가 많습니다. 이러한 자료에 대한 경험은 성능, 품질 및 일정 위험을 줄이는 데 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
일부 유리 제제는 공구 수명에 부정적인 영향을 미치고 비용을 증가시킬 수 있습니다. 더 낮은 가공 온도가 필요한 유리는 성형 중 표면 산화 위험을 줄여 오염 및 유지 관리 필요성을 낮춥니다. 이렇게 낮은 온도는 가열 및 냉각 주기를 단축시켜 처리량을 향상시키고 에너지 소비를 줄입니다.
PGM이 광학 설계에 미치는 영향
재료를 선택한 후에는 PGM 공정이 광학 설계에 미치는 영향을 이해하는 것이 필수적입니다. 유리의 열 이력은 유리의 물리적, 광학적 특성에 영향을 미치며, 이는 기존 렌즈 제조에서 어닐링 속도를 지정하는 이유입니다. PGM 프로세스는 냉각 주기를 최적화하여 처리량을 최대화하고 비용을 최소화합니다. PGM의 냉각 속도는 완제품의 어닐링 속도에 해당합니다. 사후 어닐링 PGM 렌즈가 가능하더라도 비용과 리드 타임이 증가하고 표면 품질이 저하되는 경우가 많습니다.
연구 Nguyenet al. (2020) 이는 PGM 렌즈가 일반적으로 가시광선 파장에 사용되는 일반적인 성형 가능 유리에 대해 -0.0006에서 -0.010 범위의 굴절률이 약간 감소한다는 것을 나타냅니다. 굴절률이 높은 칼코게나이드 유리는 적외선 스펙트럼에서 더 큰 감소를 나타냅니다.
정밀 유리 성형 비구면 렌즈의 설계 원리
정밀 유리 성형 부품 설계에 효과적인 DFM 방식을 통합하려면 몇 가지 핵심 원칙이 필요합니다. 렌즈의 전체 폼 팩터는 주요 고려 사항이며 직경은 일반적으로 1mm 미만에서 100mm 이상이지만 대부분은 1mm에서 25mm 사이입니다.
다양한 렌즈 모양과 프리폼을 사용할 수 있지만 프리폼 선택은 일반적으로 제조업체의 책임입니다. 볼 프리폼은 PGM에 가장 비용 효율적입니다. 볼 프리폼에 대한 설계 규칙은 여기에 설명되어 있지만 다양한 프리폼 형상을 사용하여 고급 또는 비일반적인 모양을 얻을 수 있으므로 제조업체와 초기에 논의해야 합니다.
렌즈의 중심 두께(CT)는 모양이나 종횡비에 따라 다릅니다. 0.2mm까지 매우 얇은 CT를 생산할 수 있지만 응력을 최소화하기 위해 거의 그물 모양의 프리폼이 필요할 수 있습니다. 열 구배를 방지하려면 큰 CT 값을 피해야 합니다. 제어되지 않은 열 프로파일은 응력 복굴절, 불균일한 굴절률 및 잠재적인 균열을 유발할 수 있습니다.
0.4mm 미만의 가장자리 두께(ET)는 가장자리가 부서지거나 취급이 어려워질 수 있습니다. 외경(OD)은 금형 툴링 설계에 의해 제한되며 일반적으로 1mm 미만에서 25mm 이상 범위입니다. 대형 OD는 열 구배로 인해 수율에 영향을 미칠 수도 있습니다. 높은 수율을 유지하려면 OD와 CT 및 ET의 종횡비가 제조업체의 경험을 기반으로 해야 합니다.
Aspheric Lens의 반경과 전환 영역 혼합
물리적 구멍(PA)은 응력 집중을 줄이고 절단 도구에 대한 완화를 제공하는 혼합 반경을 수용하기 위해 항상 투명 구멍(CA)보다 커야 합니다. 블렌드 반경 크기는 표면과 제조 방법에 따라 다릅니다. CA와 혼합 반경 사이의 전이 영역은 금형 툴링 제약을 완화하고 CA 내의 광학 표면을 보호하는 데 필요할 수 있습니다.
광학 표면의 높은 경사는 금형 제조 및 계측에 어려움을 야기합니다. 정밀 다이아몬드 연삭 및 표면 프로파일로미터는 일반적으로 55°~60° 미만의 경사로 제한됩니다. 가파른 형상은 가스 포착을 방지하기 위해 진공 성형이 필요할 수 있으며, 매우 낮은 경사는 정렬 불량 위험을 증가시킵니다.
비구면 렌즈용 플랜지 및 인서트 몰딩
플랜지와 같은 장착 기능은 PGM 구성 요소에 직접 통합될 수 있습니다. 적절한 조립 영역을 보장하기 위해 플랜지를 구현할 때 혼합 및 가장자리 반경을 고려해야 합니다. 큰 플랜지는 프리폼의 부피와 재료 비용을 증가시키지만 더 쉬운 장착을 위해 바람직합니다.
렌즈를 금속 홀더에 직접 성형하는 인서트 성형은 표준 PGM 렌즈와 별도로 검토해야 하는 또 다른 옵션입니다.
요약하자면
설계 프로세스 초기에 공급업체를 통합하고 정밀 유리 성형 비구면 렌즈를 설계할 때 DFM 기술을 적용하면 비용 효율적이고 제조 가능성이 높은 설계를 얻을 수 있습니다. 이러한 지침을 따르면 광학 설계 프로세스에서 PGM의 장점이 완전히 실현됩니다.
연구 및 실제 응용에서는 정밀 유리 성형이 고품질 비구면 렌즈를 대규모로 생산하는 데 매우 효과적인 방법이라는 것이 입증되었습니다. 강조한 바와 같이 스미스 앤 존스 (2018), PGM에서 DFM 원리를 활용하면 광학 제조의 효율성과 비용 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
