塑膠鏡片的制作和檢測

**章：簡介

1-1塑料鏡片的優(yōu)缺點

制品的產(chǎn)量高、價格低，又可實現(xiàn)輕薄短小的產(chǎn)品需求，但以往被認為精度不高，無法取代傳統(tǒng)的金屬或玻璃等。但近年來由于塑料材料的研發(fā)及射出成形技術(shù)的精進，已經(jīng)大大的改變了這個市場。在光學(xué)組件的領(lǐng)域中，塑料鏡片早已進入了高精度的時代，從早期拋棄式的相機鏡片，到現(xiàn)在需要高精度的讀取頭物鏡，塑料鏡片充分發(fā)揮塑料產(chǎn)品的特色，也超越了塑料產(chǎn)品的瓶頸。在光電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，本文將帶領(lǐng)各位進入塑料鏡片射出成形的技術(shù)領(lǐng)域，了解鏡片的開發(fā)流程和相關(guān)技術(shù)。

塑料制品生產(chǎn)速度快，適合大量及自動化的生產(chǎn)，所以容易降低價格﹔塑性良好因此耐沖擊﹔因為塑料比重低，因此重量相對的較輕，可以讓整個系統(tǒng)重量降低﹔而且成品形狀自由度高，可以將系統(tǒng)的機構(gòu)組件與光學(xué)組件合并，減少零件數(shù)量，并簡化系統(tǒng)組裝程序﹔利用這樣的優(yōu)點，我們可以設(shè)計特殊架構(gòu)的光學(xué)組件。

有優(yōu)點就有缺點，塑料的缺點有：溫度特性差：和玻璃相較，塑料容易受環(huán)境影響光學(xué)特性。因為一旦耐熱溫度低，熱膨脹系數(shù)大，光學(xué)組件就會變形而影響光學(xué)特性。精度較玻璃低：塑料由于材料特性的關(guān)系，因此不均勻性較高，容易產(chǎn)生收縮變形，導(dǎo)致精度不容易控制。抗刮力差：塑料的機械強度較低，材質(zhì)的硬度不像玻璃堅硬，因此抗刮力差。與光學(xué)玻璃相較，材料種類較少：由于光學(xué)玻璃發(fā)展已有很長一段時間，所以塑料鏡片和其相較之下，材料種類較少，而且折射率較低，大約在1.5到1.6之間，分布較狹窄。有雙折射現(xiàn)象：造成光學(xué)性能降低。要有一定的產(chǎn)量才符合經(jīng)濟效益：塑料射出成形的模具價格十分昂貴，一個模具開下去，可能需要幾十萬或百萬的費用，所以如果沒有達到一定的產(chǎn)量規(guī)模，便不符合經(jīng)濟效益。大小受限制：塑料鏡片射出成形在∮100mm以上的精度不足，會有成形上的問題，也可以說尺寸愈大，精度愈難控制。

1-2塑料鏡片的應(yīng)用

塑料鏡片可以應(yīng)用在相機、數(shù)字相機用的觀景窗、鏡頭鏡片；投影機、背投式電視用的鏡頭鏡片；*好的例子是CD/DVD讀取頭上所用的pickup lens 、 grating lens、DOE，年產(chǎn)量在數(shù)億顆以上；還有LCD面板上的背光板、導(dǎo)光板也可以看到塑料鏡片的應(yīng)用；在各種光學(xué)系統(tǒng)中，光學(xué)組件適合在塑料鏡片上作微細結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生繞射、折射、分光或偏光現(xiàn)象，因此也適合應(yīng)用在Frenel lens, F-θ lens上。

總括來說，塑料鏡片非常適合用在消費性的光電產(chǎn)品，因為這類產(chǎn)品需要降低成本，精度要求與專業(yè)儀器相較下比較低，生產(chǎn)量很大而且要求產(chǎn)品輕薄短小，正好符合塑料鏡片的特色。

**章：塑料鏡片射出成形各類技術(shù) 

2-1光學(xué)設(shè)計的基本概念

鏡片射出成形的技術(shù)包括了光學(xué)設(shè)計、模具技術(shù)、成形技術(shù)和量測技術(shù)?，F(xiàn)在我們分別來談一談這些技術(shù)的基本概念。

首先，我們來看光學(xué)設(shè)計。在光學(xué)設(shè)計上，通常需要考慮兩個因素：材料的選用和形狀的設(shè)計。了解光學(xué)設(shè)計的要點與射出成形之間的關(guān)系，在與光學(xué)設(shè)計者討論時較有概念，也可以對于設(shè)計者所設(shè)計的鏡片可行性及困難度加以評估與判斷。

在選用光學(xué)塑料的時候，幾個光學(xué)特性是必須注意的，比方說：穿透頻譜、反射損失、吸收，也就是穿透率，一般在88~92%之間、還有折射率、折射率穩(wěn)定性，是指射出成形后的穩(wěn)定性、色散、雙折射特性等。

光學(xué)塑料的物理特性在光學(xué)設(shè)計時也需要考慮進去，比如說塑料材料的吸水性、成形收縮率、玻璃轉(zhuǎn)移點溫度、熱變形溫度、流動性、比重、強度、抗刮，耐高溫、抗化學(xué)、電氣、耐沖擊等。

在形狀設(shè)計方面，光學(xué)設(shè)計人員應(yīng)考慮塑料的光學(xué)和樹脂特性來設(shè)計形狀，也就是說，不同的塑料材料會有不同的特性，光學(xué)設(shè)計人員會利用這樣的特性去設(shè)計出易于成形的形狀，讓厚薄比、形狀變化等保持在一定的限度。

我們拿CD和DVD讀取頭物鏡來做例子。從這張表格中，我們可以看到一些關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計值。

NA值越大，代表物鏡聚焦角度越大，通常伴隨而來的是曲率半徑更小、厚薄比更大、模仁加工和成形困難度更高。厚薄比是衡量鏡片成形難度的重要指標(biāo)，當(dāng)厚薄比越大時，成形收縮越不均勻，越難成形高精度的鏡片。有效徑是指光路真正通過鏡片的口徑大小。鏡片在成形時，由于厚度和溫度的差異，在中央與邊緣的收縮率會不一致，當(dāng)有效徑比率越大時，代表在周圍無效的區(qū)域要越小。*小曲率半徑與有效徑同時考慮，通常就決定了*大曲面斜率，曲面斜率越大，加工范圍及量測誤差也會越大，甚至可能產(chǎn)生刀具干涉或超出可量測范圍的問題，這對高精度的鏡片是很大的問題。波面收差是物鏡的規(guī)格要求，可以有效的量化鏡片的光學(xué)特性，對于物鏡微小的缺陷，都可以由波面收差表現(xiàn)出來﹔因此，波面收差值越小，代表物鏡可容許的誤差越小。這些誤差包含了兩個曲面的形狀誤差、tilt和decenter誤差的綜合表現(xiàn)。

這個表為光學(xué)鏡片射出成型精度比較表，以曲率半徑變化為例子，在較低階的鏡片，所允許的誤差值為正負3-5%， 但對精密的鏡片，所要求的值則達千分之0.5-1之間；也就是說，愈精密等級的鏡片，所允許的誤差值就愈小。一般而言，傳統(tǒng)射出成型技術(shù)對形狀精度的控制無法達到精密光學(xué)鏡片的要求，特別是近年來塑料鏡片應(yīng)用范圍變大后，光學(xué)系統(tǒng)所需要的鏡片精度高、厚薄比大，更提高了成型技術(shù)的困難度。精密塑料鏡片的成形，無論在模具設(shè)計、模仁加工、成形條件及鏡片量測上都需要高層次的技術(shù)和設(shè)備。

2-2模具技術(shù)的基本概念

模具技術(shù)含有下列三個要素：模具設(shè)計、模具制作和模仁加工。

塑料射出成形的制程是將塑料射入模具，經(jīng)過充填、保壓、冷卻三個步驟完成，因此，如果模具設(shè)計不當(dāng)，就會影響整個制程和成品。模具設(shè)計包含澆道、澆口、排氣、定位、頂出、模溫控制等，對成形的品質(zhì)量都有影響，此外，還需考慮模具材質(zhì)的摩耗、腐蝕等。

**個要素是模具制作，我們必須選擇各零件的尺寸搭配、加工方法及加工程序。

*后一個要素模仁加工，指的是模仁鍍膜及鏡面加工技術(shù)，模仁加工技術(shù)愈精密，鏡片的形狀精度相對地也會提高等級。

2-3模具技術(shù)的基本概念

成型條件的調(diào)整，是確保鏡片形狀的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。依據(jù)累積經(jīng)驗與模擬分析，加上實驗計劃及溫壓控制的使用，找出適當(dāng)?shù)臈l件組合，達到穩(wěn)定且良好的形狀精度。

隨著鏡片形狀精度要求的增加，成形機條件的再現(xiàn)性的要求也提高了。

2-3量測技術(shù)的基本概念

量測能驗證鏡片的質(zhì)量，所得數(shù)據(jù)可對鏡片的形狀誤差作補償。量測方式通常有兩種：**種是量測成品的表面形狀及粗度，*常用的儀器為Form Talysurf，它是屬于接觸式量測，因為塑料的硬度、彈性系數(shù)比金屬小，如果以金屬相同的量測方式，會因成品變形而失真，所以需考慮塑料特性加以修正，才能增加量測的精度。另一種為非接觸式量測，也稱為光學(xué)性能量測，*常使用的儀器為干涉儀和點像質(zhì)量檢測系統(tǒng)。量測時須注意如何設(shè)計及架設(shè)量測系統(tǒng)，使量測值能夠正確的反映出如波面收差等光學(xué)性能。

第三章：塑料鏡片開發(fā)流程

鏡片開發(fā)流程的**個步驟為光學(xué)設(shè)計，之后經(jīng)過審查，考慮這些設(shè)計值是否需要修改；一般在衡量塑料鏡片的成形難度時，主要會先看鏡片的厚薄比及精度要求，再考慮形狀與材料等特性。前兩者決定模具及成形機精度與成形條件的困難度，后兩者則牽涉到成品的成形性。所謂良好的成型性，是指射出成型所設(shè)定的溫度、壓力范圍廣泛；塑料流動性佳；脫模容易及成型收縮率小等等。除此，在機臺能力、模具精度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，及對于工作的分配、時程的順序也需做好完善的安排。同時，我們亦會進行光學(xué)設(shè)計驗證，依據(jù)這些設(shè)計值直接打樣去做檢驗。
上述條件都通過之后， 即開始進行模具設(shè)計，包括整體設(shè)計、零件設(shè)計、材料選用等。 設(shè)計沒有問題，即著手進行模具制作，相關(guān)工作包括制程方法、估價、發(fā)包、進度追蹤和驗收。整個模具制作完成后，則組裝起來做試模，
然后以實驗計劃法進行模具和制程的調(diào)整，如量測數(shù)據(jù)、模仁形狀的補償。此時若有任何瑕疵，則需要修改模具重新設(shè)計， *后經(jīng)過試產(chǎn)，確認無誤后，才進行*后的量產(chǎn)階段，依需要去做光學(xué)鍍膜、自動化澆口剪斷等動作。

這里的圖像可以更進一步了解鏡片開發(fā)流程中的幾個步驟。這是一個光學(xué)鏡片的外形設(shè)計圖，曲面有個別的光學(xué)設(shè)計值，鏡片也須訂定量測的規(guī)格。而在模具設(shè)計這個步驟，我們看到的是模具的整體設(shè)計圖，圖中的各個零件也會有屬于該部分更詳細的設(shè)計圖。（模具制作）之后根據(jù)設(shè)計圖制作模具，如圖片所示，模具的形狀，一般而言，都大同小異。
模具完成之后，必須經(jīng)過試模，圖片中是一射出成形機，我們將模具置放在成形機中，測試模具作動是否正常，成品外觀是否有瑕疵，尺寸是否正確。在射出制程中，需要經(jīng)過一些調(diào)整，比如說，我們以田口實驗計劃法，經(jīng)過實驗及量測得到一些數(shù)據(jù)及圖表，可得知一些條件參數(shù)的趨勢，需要往什么方向做調(diào)整。*后，我們對成品做各類的檢測，從量測結(jié)果可以知道鏡片的形狀精度、光學(xué)性能等數(shù)據(jù)。其實，制程調(diào)整和量測兩個步驟是相輔相成，經(jīng)由量測的數(shù)據(jù)去做制程的調(diào)整，制程參數(shù)調(diào)整之后，也必須經(jīng)過再次的量測。

第四章：模具技術(shù)

在射出成形中，模具是為了得到所要求質(zhì)量的成形品而使用的一種工具﹔引申來說，精密射出成形的根本在于高精度的模具。模具的質(zhì)量是鏡片成形技術(shù)的關(guān)鍵，也是整個鏡片制造過程中，花費*大的部分，不僅需要有經(jīng)驗的設(shè)計者加以設(shè)計，而且也需要制造人員具有精密加工以及檢測方面的知識。

模具的技術(shù)主要分為兩個部分：模具設(shè)計與模具制作。模具設(shè)計的方向主要是為了對應(yīng)鏡片精度的要求，為了確保鏡片質(zhì)量，在設(shè)計模具時，應(yīng)該將成形時所有可能影響精度的因素加以控制，包括成形機、成形條件和成形材料。整體的模具設(shè)計要注意成形機的尺寸和精度、成形條件和成形材料的特性，并考慮到具有累加性的誤差，如平行度、垂直度、同心度，及影響塑料流動的因子，如排氣孔位置和澆口形狀，都需要特別的注意。

此外，模具要達到高精度，在制作上就必須考慮其加工方法、工作機械和模具材料，比方說零件制造的機臺、方法、程序是否合宜。因為機臺能力不足、制造方法或程序有誤，都會直接影響模具的尺寸精度，很容易導(dǎo)致模具無法達到設(shè)計的公差范圍。因此，檢測尺寸精度，是確保設(shè)計的不二法門。

4-1模具設(shè)計

整體設(shè)計

在模具的整體設(shè)計上，設(shè)計人員根據(jù)鏡片的材質(zhì)、規(guī)格、大小，來設(shè)計模具的大小、結(jié)構(gòu)、模穴數(shù)量、模穴位置的分布、模溫控制和分模線位置。（澆口澆道圖）澆道系統(tǒng)也是必須特別注意的地方。因為澆道的功能是將灌嘴所射出的塑料，在溫度與壓力降低*少的情況下注入模具內(nèi)，所以此處的設(shè)計將會影響塑料在模具內(nèi)的流動狀況。澆口是澆道系統(tǒng)的終點，也是塑料進入模仁的入口，澆口的位置、形狀、尺寸不只是對鏡片外觀有影響，對收縮率及尺寸精度影響亦大。澆口設(shè)計的好壞較難量化，只能從成品的質(zhì)量或量測上看出端倪，好的澆口設(shè)計不但可以避免外觀上的**，更可確保形狀精度，降低收縮變形量，這些可從量測鏡片形狀和光學(xué)性能判斷出來。

材料選用

對于模具的材料也需慎選，必須根據(jù)模具各零件的功能和重要性做選擇。一般模仁、模套及模板的質(zhì)量要求較嚴格，使用不銹鋼及STAVAX﹔模座要求比較低，使用易加工的鋼材，隔熱板使用耐溫及耐壓的復(fù)合材料或陶瓷材料﹔其它零件則依照其功能，決定使用硬化過或未硬化過的鋼材。

零件設(shè)計

在零件設(shè)計方面，應(yīng)對鏡片的精度要求與整體設(shè)計，將各零件可能影響鏡片質(zhì)量的因素加以控制，比方說尺寸公差、具有累加性的誤差，如平行度、垂直度、同心度、位置度，還有，影響塑料流動及成形收縮率的因素，如排氣孔位置、流道形狀及面粗度、澆口形狀等。

4-2模具制造

要達到模具設(shè)計的精度，在模具制作時必須考慮周詳，并且確實檢測重要尺寸。模具大致分為模仁、模套、模座及其配件等三個部分，各部分與成品都有重要的關(guān)系，簡述如下：

鏡片成品其實是復(fù)制模仁的形狀及尺寸，所以模仁是模具中決定鏡片質(zhì)量*重要的部分。模仁的制造是以STAVAX鍍上無電鍍鎳層做為粗胚，經(jīng)過外形研磨，然后使用單晶鉆石切削成品面以達到鏡面要求，亦可提高模仁使用壽命。

模套是結(jié)合模仁與模座間的重要零件，目的是獨立定位公母模套，可降低成品錯位的情形，并且在模具需要更換不同用途的產(chǎn)品時，只需要更換模套，模座依然可以共享。模套的制作是以不銹鋼材制作粗胚，先加工流道及澆口，*后做模仁及定位孔的加工。

模具中的另一個重要零件為模座，泛指公母模板、承板、上下頂出板、間隔板、公母模固定板及其它零件，模座的幾何精度及定位精度對成品精度有很大的影響。

如果沒有精準(zhǔn)的模具，根本無法達到鏡片的規(guī)格，因此模具要以嚴謹?shù)姆绞街谱?，然后再依射出成品所發(fā)生的問題點加以修改，始能達到鏡片質(zhì)量優(yōu)良且穩(wěn)定。當(dāng)然，模具本身并不是沒有問題，例如經(jīng)過多次修改﹔使用及拆裝上的磨耗﹔零件銹蝕，都可能造成部分精度已不如原先制作的等級了。這時需要的是以量測的數(shù)據(jù)及形狀判斷模具哪個部分的精度發(fā)生問題，再尋求補救的辦法。不過這需要深入的分析及探討，以累積判斷的經(jīng)驗。

第五章：成形技術(shù)

5-1成形的流程

整個過程中塑料產(chǎn)生了相變化、密度變化、溫度變化及壓力變化。為了要能掌握塑料變化的情形，除了要了解材料的加工性質(zhì)外，運用實驗計劃法分析成形條件的趨勢，更是精密成形的關(guān)鍵。

成形技術(shù)的目的，是希望成品能夠有良好的再現(xiàn)性，并符合形狀精度要求。前者需要的是成形條件范圍大，機臺和模具的精度及穩(wěn)定性高﹔后者需要成形收縮變形小，成品對稱性高。這些要求除了需要良好的成形技術(shù)外，也需要模具技術(shù)、硬設(shè)備及環(huán)境的配合。

5-2成形的**原因與對策

圖中的表格列舉了一般常見的**現(xiàn)象，以及可能的發(fā)生原因，并提出一些對應(yīng)的解決方案。一般而言，成品的外觀**大部分是射出階段就造成了，形狀或光學(xué)性能的問題則是在保壓冷卻階段所產(chǎn)生的；無論何種問題，除了改善成形條件外，還需反省模具設(shè)計與制作是否正確，射出機、模溫機或環(huán)境是否穩(wěn)定。

5-2射出制程開發(fā)

在射出制程開發(fā)中，我們以田口實驗計劃法為例子。這是L18田口實驗的量測數(shù)據(jù)結(jié)果，由這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生田口實驗的S/N響應(yīng)表，我們可以根據(jù)響應(yīng)表看出條件參數(shù)的趨勢，每一個英文字母代表不同的條件，比方說從數(shù)據(jù)A和B可得知所代表的模溫控制和料溫控制，對射出成形的影響*大。工作人員可根據(jù)這些趨勢做參數(shù)調(diào)整，以達到質(zhì)量更好的精度。

第六章：量測技術(shù)

基本的量測包括了模仁的量測和鏡片的量測。一般而言，鏡片量測又分為接觸式量測和非接觸式量測，非接觸式量測也稱光學(xué)量測。

塑料的硬度、彈性系數(shù)比金屬小，如以金屬相同的量測方式，會因成品變形而失真，應(yīng)考慮塑料特性加以修正，才能增加量測的精度。

6-1接觸式量測

無論是模仁或是鏡片皆可做接觸式量測。這是Taylor Hobson 的 PGI Talysurf的量測結(jié)果，量測標(biāo)的為模仁或鏡片曲面之形狀精度及表面粗度。因為玻璃模造需要在高溫下進行，因此對于模仁的材料和硬膜的選擇需要特別注意。

6-2光學(xué)性能量測

**種光學(xué)量測為干涉儀。干涉儀為非接觸式的量測方式，可對球面或平面模仁及鏡片作幾何形狀的量測，亦可對鏡片作光學(xué)性能的量測。

對于鏡片的光學(xué)性能評價，*普遍為業(yè)界所使用的，是利用干涉儀仿真光學(xué)系統(tǒng)的光路，經(jīng)反射回來后，量測光路經(jīng)由待測鏡片所造成的各項波面收差值。

**種是Taylor Hobson 的LuphoScan的多波長干涉法測量，可以通過非接觸測量方式測到高精度的3D面型，特別適合非球面鏡片的測量。

另一種光學(xué)性能量測為點像質(zhì)量檢測系統(tǒng)。不同于干涉儀的量測指標(biāo)，它是針對鏡片成像的質(zhì)量作量測，將成像圖像化，以限度樣品對該圖像作定量化分析，進而判斷出該鏡片的光學(xué)性能。