光学透镜涂墨抑制杂散光

使用涂墨工艺对于透镜来说有什么好处呢？又是通过什么工艺实现的呢？

在深入工艺之前，我们需要明确涂墨的核心目的，总结起来主要有三个：

吸收杂散光：防止非成像光线在透镜侧壁、镜筒内壁之间发生反射和散射，最终到达像面，造成鬼影、光晕、对比度下降等问题。

提高系统信噪比：通过最大限度地消除杂散光，提升图像的清晰度和质量。

保护侧壁：某些涂墨材料（如环氧树脂基）还能为研磨过的透镜侧壁提供一定的保护，防止边缘崩边或划伤。

透镜侧壁涂墨的工艺会根据自动化程度和具体方法会有所不同，但核心步骤基本一致。

下面我们就逐步来介绍。

涂黑工艺是什么

1. 前处理，主要包括清洁和等离子处理。

这是确保涂墨附着力和质量最关键的一步。如果前处理不到位，后续一切工序都是徒劳。

清洁的目的是彻底去除透镜侧壁上的所有污染物，包括油脂、指纹、灰尘、抛光粉残留、水分等。

使用的方法一般为溶剂清洗和水基清洗。

清洗完成之后要用去离子水漂洗，然后在洁净烘箱中低温烘干。

等离子处理是对于高要求的应用，尤其是使用环氧树脂类黑墨时，常采用等离子体活化。

通过等离子体轰击透镜侧壁，微观上增加表面粗糙度，增大接触面积。在表面引入极性基团（如-OH、-COOH），显著提高墨水的润湿性和附着力。

这是一种干式、环保、高效且效果显著的表面活化方法，使用这种处理方式的通常是玻璃或晶体材料。

2. 涂覆，就是将黑色涂料施加到透镜侧壁上的方法。常见的方法有三种：

喷涂：
- 过程：将透镜固定在高精度转台上，使用微型喷笔或自动喷阀，在压缩空气的带动下将雾化的涂料喷涂到旋转的透镜侧壁上；
- 优点：效率高，易于自动化，适合大批量生产。涂层厚度均匀性好，且易于控制；
- 缺点：需要精确控制喷涂参数（气压、流量、转速、距离），可能会有过喷污染，需要保护透镜光学面。
浸涂：
- 过程：将透镜缓慢浸入盛有涂料的容器中，使其侧壁覆盖涂料，然后匀速提拉出来；
- 优点：设备简单，操作快捷；
- 缺点：涂层厚度不易控制，容易产生边缘堆积（“咖啡环”效应），可能同时污染到透镜的倒角甚至部分光学面。
笔涂：
- 过程：操作人员使用细毛刷或专用点胶针头手动将涂料涂在侧壁上；
- 优点：灵活性高，适合小批量、原型制作或返工。可以精确控制涂覆区域，避免光学面污染；
- 缺点：效率低，一致性差，非常依赖操作人员的技能。

目前，在工业化生产中，以自动化喷涂为主流和首选。

3. 固化，这一步是使涂料从液态转变为固态薄膜的过程。

这个过程又分为预固化和全固化。

预固化/流平：在低温（如60-80°C）下静置一段时间，让涂料充分流平，并使大部分溶剂挥发，避免固化时产生气泡或针孔。
全固化：
- 热固化：这是最常用的方式。将透镜放入精密烘箱中，按照涂料供应商推荐的曲线（温度、时间、升温速率）进行固化。例如，典型的环氧树脂黑墨可能在120°C下固化1-2小时。
- UV固化：部分丙烯酸酯类涂料可以通过紫外线照射在数秒内固化。效率极高，但需要确保光线能照射到所有涂覆区域，且材料本身可能与某些光学胶不兼容。

涂黑性能如何检测

当然，只是简单的涂黑并不算完，涂黑完成之后还要有关键指标与要求的检测。

作为光学工程师，你需要向生产工艺部门或供应商明确提出明确的指标要求：

1. 光学性能

光谱反射率/吸收率：
- 要求：在系统工作的整个波长范围内（例如，可见光380-780nm，或红外3-5μm、8-12μm），侧壁涂墨层的镜面反射率应低于1.5%，理想目标是在1.0%以下。漫反射也应尽可能低。
- 测量：使用积分球配合光谱仪进行测量。
总积分散射：
- 要求：涂墨表面本身应尽可能均匀，不能成为一个强的散射源。其BSTS值应控制在很低水平。

2. 机械与物理性能

附着力：
- 要求：这是核心可靠性指标。涂墨层必须与玻璃基底牢固结合，通过百格测试（ASTM D3359）达到4B或5级（无脱落）。
- 测试：使用百格刀划格后，用专用胶带撕拉。
涂层厚度：
- 要求：厚度需均匀一致，通常要求在10-30μm之间。太薄可能导致遮光性不足，太厚则可能影响透镜压圈装配，或在固化时因内应力导致脱胶。
- 测量：可使用千分尺对比涂墨前后尺寸，或使用涡流测厚仪、激光共聚焦显微镜等。
硬度：
- 要求：具有一定的耐磨性，防止在装配、擦拭过程中被刮掉。通常要求铅笔硬度达到H或以上。
- 测试：用铅笔硬度计测试。

3. 环境可靠性

涂墨层必须能在系统所处的环境中稳定工作。

高低温循环：
- 要求：通过例如-40°C ~ +85°C，循环5-10次后，涂层无龟裂、起泡、脱落。
高温高湿（双85）测试：
- 要求：在温度85°C、相对湿度85%的环境中存储500-1000小时后，附着力、外观无异常。
耐溶剂性：
- 要求：用IPA等常见溶剂擦拭后，涂层无溶解、软化现象。

4. 化学与出气性能

低出气：
- 要求：在真空或航天应用中，涂料必须满足低出气率要求（通常参照ASTM E595标准，TML < 1.0%， CVCM < 0.10%），防止挥发性物质污染其他光学表面。
无腐蚀性：
- 要求：涂料及其固化产物不能含有卤素、硫等会腐蚀金属镜筒或镀膜的成分。

5. 外观

要求：涂层表面应平整、光滑、无气泡、无杂质、无缩孔、无流挂现象。颜色应为纯黑色，无发亮或反光。

涂黑材料有哪些

前面讲了很多工艺的问题，那么用什么材料来涂黑呢？这里再来说一下常用涂料类型。常用的主要有三种：

环氧树脂基黑墨：附着力好，硬度高，耐化学性好，是最常用的类型。但固化温度较高，出气率可能不如丙烯酸类。
丙烯酸树脂基黑墨：固化快（尤其是UV型），出气率较低。但附着力和对苛刻环境的耐受性有时不如环氧树脂。
硅树脂基黑墨：柔韧性好，耐高低温性能极佳，但附着力和硬度相对较差。

总结一下

对于光学工程师而言，透镜侧壁涂墨绝非一个简单的“刷黑”过程。

它是一个涉及材料科学、表面工程和精密工艺的微型涂层系统。

在制定规格时，必须根据最终产品的应用场景（民用消费级、工业级、车载、医疗还是航天） 来定义上述指标的严格程度，并与工艺工程师和材料供应商紧密合作，才能实现稳定、可靠、高性能的涂墨效果。