塑胶非球面镜片制作知识总结

第一部：(非球面)镜片的开发，测量与生产技术

本文章阐述了塑料镜片的生产开发过程，包括成型从材料的介绍，模具的设计制造，非球面模仁的加工，成型射出的调整，表面精度测量(接触/非接触方式)等等。从而使各位读者领会塑料镜片加工的关键所在。 一：塑料镜片的起源 文献回顾:

首先介绍非球面玻璃模造技术的发展,1970年首先由美国Kodak公司开始进行非球面模造玻璃镜片的计划,直到1982年首度推出以精密模造方式生产的非球面透镜应用于简单形相机上,非球面透镜的开发才逐渐普及开来,虽然在1980年代美国Kodak公司已有数百万片的产量,但是在精度上和成本上能有许多困难.几年后,日本Hoya Ohara 等公司,开发大量制造非球面的玻璃模造镜片,成为技术领先的公司.

另外关于非球面塑料镜片由美国polaroid公司于1940年首先发表,在1980年代开始使用射出成型技术进行大量生产1985年,日本学者内尾舜二也发表了非球面塑料镜片在日本的趋势,并提出三点问题: (1)可用光学级塑料材料种类不多. (2)非球面膜仁制造不容易. (3)有关成形的问题.

就地一个问题,新光学级的树脂材料渐渐的被开发出来,并就特殊用途来做研发,例如最近所流行的安全镜片,其材料具有奈冲击性极佳的聚碳酸树脂简称PC.第二个问题,直到70年代初期超精密加工技术的逐步建立,利用CNC来做形状的研磨后续的抛光作业,可直接加工出形状精度符合设计要求精度的非球面.在日本则迈向非轴旋转对称形状的非球面制造,即所谓3次元自由曲面,其加工机需要原有加工机更多自由度之运动机能,在光学领域中形状精度须达0.1um,表面粗度则为0.01um Ra之高精度要求.

第三个问题,是射出成形制程上经常遇到的问题,例如如何控制收缩率已达到精密尺度,避免不均匀收缩所形成的翘曲变形(Warpage),或是控制分子定向 (Orientating),使残余应力和双折射率差直下降等,一般可以从制程中最重要的控制参数-温度,压力和充填时间来着手.此外,从模穴大小,浇道流道等模具设计,可以先利用模流分析的软件建立起来,并进行射出成形的模拟,这可以省下很多试模时藏是错误的时间,以及模具设计上的说明。

二：何为非球面镜片

非球面的定义与公式:

就几何上所知,球面上每一点的曲率半径皆相同,而所谓非球面(Aspheric Surface),以狭义的观点来看,其曲率会随着曲面各点的位置而改变,而非一定值的 曲面;包括椭圆面,双曲面,抛物面等数学曲面;而已广义的观点来看,非球面光学 应该包含平面和马鞍面等复杂的曲面.在光学设计上,镜片大多为旋转对称,如此 资可以用下列的多项式来定义非球面的轮廓,而球面祇是特例而已.

x?

cH21?1?(k?1)c2H2?A2H2?A4H4?A6H6?A8H8?A10H10?A12H12

式中, C=1/R

X:距非球面轴之水平距离. H:非球面的旋转对偁轴. R:顶点曲率半径. k:二次曲线常数.

A4,A6,...:非球面修正系数. k>0 扁椭圆 K<-1 双曲面 K=0 球面 K=-1 抛物面

一般探讨光学系统的成像理论,先以进轴光线分析,以了解成像的基本特性,如 成像位置及像的放大率等;再来是详细研究成像的细节,如光学像差等.而了解像

差之后,便要设法消除之,以改良光学设计之成果质量,提高其实用性.通常消除像，以前没有非球面镜片的时候，消除像差只有增加球面镜片的数量或尺寸改善，但是那会直接导致成本的提高。非球面则解决了这个困扰。,轻,薄,短,小的产品正是目前潮流的趋势,非球面的设计刚刚好符合这一方面的需求,利用非球面组件所组成的镜组,其使用的镜片数要比同质量的球面镜组少,若以成本来考虑,使用越少的镜片镜组,成本当然也就降低下来.

三：塑料镜片材料应用

有优点就有缺点，塑料的缺点有：温度特性差：和玻璃相较，塑料容易受环境影响光学特性。因为一旦耐热温度低，热膨胀系数大，光学组件就会变形而影响光学特性。精度较玻璃低：塑料由于材料特性的关系，因此不均匀性较高，容易产生收缩变形，导致精度不容易控制。抗刮力差：塑料的机械强度较低，材质的硬度不像玻璃坚硬，因此抗刮力差。与光学玻璃相较，材料种类较少：由于光学玻璃发展已有很长一段时间，所以塑料镜片和其相较之下，材料种类较少，而且折射率较低，大约在1.5到1.6之间，分布较狭窄。有双折射现象：造成光学性能降低。要有一定的产量才符合经济效益：塑料射出成形的模具价格十分昂贵，一个模具开下去，可能需要几十万或百万的费用，所以如果没有达到一定的产量规模，便不符合经济效益。大小受限制：塑料镜片射出成形在∮100mm以上的精度不足，会有成形上的问题，也可以说尺寸愈大，精度愈难控制。

我们常用的光学塑料材料如下：

聚碳酸酯,Polycarbonate,俗称PC,为热可塑性树酯。（AD5503）厂家：日本帝人 PMMA:聚甲基丙烯酸甲脂树脂,俗称压克力. 厂家：三菱化学 PS:聚苯乙烯酸（MS:为 PMMA 与 PS 的共聚物）

ZEONEX （COC）非结晶体材料。包括E48R，480R 日本东京材料 APEL （COC）非结晶体材料，型号包括5014DP/DQ。

ARTON （COC）非结晶体材料。型号一般有D4531，D4532 FX4727等等。 其它的还有TOPAS，OKP4（OKP4-HT），QI5000等新材料。 其中OKP4的折射率相对其他要高，具体资料就不表述了。 四：光学模具设计，制造

4．1 模具设计(此篇幅针对有模具方面知识的人员讲解)

作为光学镜片而言，精密射出成形的根本在于高精度的模具。模具的质量是镜片成形技术的关键，也是整个镜片制造过程中，花费最大的部分，不仅需要有经验的设计者加以设计，而且也需要制造人员具有精密加工以及检测方面的知识。

塑料光学镜片按照外形一般分几种：圆形，方形，圆含剖边，多面棱镜，含侧面柱子的圆/方形镜片，含侧面导轴孔的镜片，柱面镜片，其它异形镜片。我先针对不同的类型叙述不同的模具结构。

4．1．1 圆形镜片对于模具来讲是结构比较简单的。固定侧分割出镶块和CORE，可动侧亦同，可设计为EP顶出和CORE直接顶出，镶块可为套筒或方体积块均可。但要注意的地方是尽量避免CORE作为顶出机构，从而可以改善偏心大的状况。方形的亦然。

4．1．2 圆含剖边的镜片之所以设计剖边是为了让开GATE，所以做模具设计者而言，一定要保证其GATE的突出量在外圆的最大范围之内。至于顶出方式可参考4.1.1.

4．1．3 多面棱镜：由于镜片含有多个光学有效面，并且一般多面棱镜使用在相机的观景窗里面，相对外观要求特别的严格，而且面精度（平面干涉条纹）要求在1本以下。而对面的倾角要求也非常严格，各面的结合处要求填充饱满但不能有毛边。这样对于模具的要求就十分高。有上图可以看出，为保证光学面，模具结构必须要做双滑块。光学平面模仁固定在滑块上面。而且此模具的加工难点在与各滑块的配合精度，模具的传热效果等等。

4．1．4 其它像需要侧面抽芯的，前后模抽芯的结构需要看LENS的具体形状而定。 4．2 模具的顶出机构

4．2．1 一般模具的顶出机构为EP顶出，但是考虑到LENS的微观变形问题，设计者应尽量避免使用模仁顶出，而是使用EP顶出，这样可以是受力更加均匀，LENS不会因为顶出而造成其它的不良现象发生。 4．2．2 即便是EP顶出，也有缺陷，当EP过长，过细的时候强度必然会受到影响，那么这个时候就需要做二次顶出机构。使得EP的长度可以降低。达到稳定作动的目的。

五．模具的制造： 1．材料的使用

1．1 模座钢材一般使用S55，S45即可。特殊要求使用SKD51/61进行热处理后加硬。 1．2 镶块/套的材料一般使用S136/STAVAX牌号，真空热处理到52°。 1．3 顶针采用SKD61/SKH51等材料，但需要硬化到50HRC。

1．4 其它的标准件可以供货商的具体规格为准。 2．模座的加工：

何精度及定位精度对成品精度有很大的影响。一般LENS使用的模座尺寸在200*200至250*250mm之间，模座的精度比较好控制，首先平面度的保证，各模板包括AB板单独每块的正反面要求做到1~2um以下，只有这样才能保证迭加后的平行度达到要求。一般基本的加工流程为先开粗—>做孔位?热处理-?精加工。根据实际的设计需要设定各寸法的公差。 3．镶块/套筒的加工。

作为成型零件的模具关键部份，对于镶块/套筒而言精度要求是非常严格的。

下面的图片有具体表示：相互孔之间位置寸法要求做到1um以下，孔的同轴度要求在￠0.002以下，然后做装配的尺寸要求也是非常严格。

镶块的加工精度要求非常高，所以对于机械加工人员来讲，怎样达到图纸设计的要求成为难点，比如同心度2um以下的规格，一般加工非常困难，需要非常精密的坐标磨床进行研磨才能达到要求。

镶套的同心度测量比较特殊，需要非常精密的真圆度仪器来测量，一般使用的比较多的三丰，TALYH公司的真圆度仪器。通过测量可以得到非常精确的数据：

4．模仁的设计与加工

模仁作为一套模具的核心，也是附加价值最大的一个部分。

射出成型使用的模仁一般采用钢材制作，材料一般选用S136/STAVAX（HRC52），进行外形创成后镜面端面进行镀镍处理，因为镍的致密性，可加工性能都非常良好，所以对于超镜面表面而言采用镍做加工层是非常合适的。

目前行业内成像镜头使用的小口径非球面镜片的模仁表面形状误差可以加工到0.1um以下，RA（表面粗糙度）可以达到0.05um。成型收缩后可以达到P-V值在0.3um以下。如下图：

非球面模仁是一个对称的曲面，加工的时候使用单点金刚石车床进行车削。 由于车刀的刀头R为0.2mm，所以一般设计模仁的时候请多注意留足够的让刀距离。 模仁重要的尺寸要保证，特别是光学矢高，外径，深度，高度等等。

面型是光学制造中的重要精度指标之一，简单来说是表面不平整度；这就好像铺水泥路面，铺的好的表面很平整，没有坑坑洼洼，车子开过去好的路面很平稳、不好的坑坑洼洼的，就颠簸得厉害！面型的两个参数PV和RMS值，PV是表示路面的最高处与最低处的差值，RMS值是全部路面高低的平均值；因此PV值能够做到0.1个波长，RMS值至少在0.02左右，一般来说，PV值是RMS值的6-8倍。目前很多商家说出所谓的1/8波长或1/10波长实际上多指RMS值，其PV值往往达不到1个波长，而良好的天文观测器材应该具备PV=1/2波长才算是精度比较好的。

在实际中，光学图纸对光学零件的要求用光圈数（N）和局部光圈表示，而在加工出来后用zygo干涉仪检测却是pv和rms值,用ZYGO可以测出光圈，局部光圈，PV。RMS。不同的设置测出来的是不同的。并不是出来的都是PV。光圈和PV的关系是：光圈好的。PV肯定好。PV好的。光圈不一定好。PV是光圈的波峰和波谷的相对值。不考虑局部误差的影响。说光圈时一般要考虑局部光圈误差的影响。 /<* GH ZZ 用ZYGO仪器测量光学零件的光圈（N）,读的不是很准，要读的话就是软件上面surface map 中的power值，不过要把单位转化成光学单位。至于局部光圈读profile map中的pv直，很准确，把surface map 中的line放在最高点和最低点位置，看高或低所占的pv的比例就行. B OvF9rb

图纸中的光圈数是加工元件与样板的偏差而产生的干涉条纹数；而干涉仪测量时，参考球半径（类似于样板半径）可变，条纹多少是可以变化的，测量结果（PV和RMS值）是加工元件与最接近参考球的偏差. v!`\

一道圈是面型偏差有二分之一个波长大小,546.1nm是标准波长,PV是面型偏差的最大值,除以546.1就是几分之几波长,和二分之一个波长比较,有几个二分之一波长就有几到圈. C/7' w|w~E 总之呢，光圏和PV、RMS是两种不同的评价标准。局部光圈如果作为PV来评价的话，是比对的PV值还要高。 3．

2．1 非接触式测量（球面干涉仪器）

FUJINON干涉仪器 ZYGO干涉仪

球面干涉仪器是鉴定球面面形精度的快速准确的工具之一，属于非接触式测量。在测量的过程中不会造成工件（镜片）损伤。 2．1 接触式测量

2．1．1 Taylor hobson

Taylor hobson 轮廓测定误差仪器是英国TAYLOR公司的一款十分精确的轮廓测量仪器。根据不同的规格它可以测量不同外形的LENS，测量数据包括P-V（RT）形状误差，RA 表面粗糙度等等。测量精度可以达到0.15um.

Taylor hobson 轮廓测定误差仪器 2．1．2

Panasonic UA3P三次元量測儀是日本松下公司的一宽测量仪器，其特点是可以针对非球面镜片整个表面进行扫略测量，然后生成3D误差形状，而且测量精度非常高，为目前世界上纳米级的轮廓测量仪器的先驱。

Panasonic UA3P三次元量测仪

七：结束语

非球面镜片的生产和测量技术目前国内还是比较落后，和日本，美国，德国等发达国家还有相当大的差距，无论是在理论上，还是在加工/测量的机器上都有。希望借此一章小小的总结，能对有需要的同仁有所借鉴。因资历浅薄，文章中提到许多经验方面的东西难免有误，请各位多多指正。

注：专业性术语/图片有摘自其它期刊/文章，此处不做详细描述。

塑料镜片成型工艺&测试评价

塑料镜片用模具及其结构

1. 塑料在注射机内加热成熔融状态并射出到模具中﹐塑料在模具中冷却后形成固态的镜片。塑料镜片的模具对镜片的质量影响非常大﹐是生产中的关键因素。塑料镜片模具有如下几个特点:1.结构简单﹐但加工精度要求高。2.公母模座都设计有冷却水道来控制公母模具温度。3.模具要求不可有油﹐洁净度要求比较高。4.模仁精度高﹐表面镍层非常脆弱﹐容易受损。 模具结构图如下﹕

澆道母模仁墊片母模仁公模仁公模仁墊片流道頂針上固定板冷卻水流道母模板母模仁板公模仁板公模板頂出行{墊塊上頂板下頂板止動塊下固定板 ( 图 一 ) 模仁座導向結构頂出肥`位結构頂出板導向結构兼模架支撐頂出板導向結 ( 图 二 ) 2. 模具用零件材料表﹕ 零件名称 上下固定板 公母模板 P5 NAK80 材料 要求 平面度0.005以内 平面度0.005以内 公母模仁座 公母模仁 浇口 公母模仁垫片 上顶板 下顶板 模架支撑块 V-4 (热处理) STAVAX-420 STAVAX-420 SKD61热处理 P5 SKD61热处理 P5 HRC:60~62度 HRC:52~54度 HRC:52~54度 HRC:52~54度 平面度0.005以内 HRC:52~54度 3.模仁的制造

镜片的镜面为模仁成型﹐模仁镀镍(厚度约0.1mm)﹐在镍层上采用超精密加工车床车削出需要的镜面回转曲面。新模具一般先制做一套镜面模仁﹐并把该模仁组立入模具后﹐试模并在射出的最佳状态下射出试模镜片﹐并对试模的镜片进行镜片的面精度测量﹐如果误差太大则在成品测量数据的基础上计算出对模仁修正所需要的加工量﹐模仁进行二次超精密加工补正作业﹐以使最终产品精度进入图面范围。如果一次补正不行则进行二次补正﹐直至图面要求。当首套模仁确认OK后﹐再对其它穴的模仁进行复制作业﹐复制的模仁再进行实际射出并确认﹐如果不符合图面则进行补正修改直到符合要求为止。模仁的曲面外形与最终射出完成品的曲面外形不一定完全相同﹐其取决于镜片的结构状况等。因模仁制造使用了超精密加工车床加工﹐故可以制造出非球面的轴回转曲面塑料镜片﹐这是球面磨镜片所无法达到的。而非球面镜片对于光学组件改善球差等像差是非常重要的﹐故射出镜片的重要性得到了肯定。 二．塑料镜片射出成型

成型过程在很大程度上会影响塑料产品的质量。OCBU/PIM使用的是日本FANUC的射出机台﹐公母模都使用水温机进行模具温度控制﹐温度可以控制在-/+1度内。使用的塑料颗粒在射出前先进行干燥处理﹐确保成型品的质量稳定。

成型条件及设定参数包括以下﹕1.公母模模具温度﹔2.射出料管温度(喷嘴﹐料管1﹐料管2﹐料管3﹐进料口)﹔3.射出及保压参数﹔4.模具动作设定﹔5.顶板动作设定﹔6.计量条件设定 其中第1﹐3项对成型镜片影响最大。

射出的整个循环如下﹕1.合模﹐2.射出﹐3.保压﹐4.计量﹐5.开模﹐6.推顶中

射出及保压参数中﹕射出段数一般4~5段﹐各段表示射出的塑料充填到模具的料头﹐料杆﹐进料口﹐镜片主体各部位时的塑料料流速﹑压力及活塞活动距离等数值。当设定的切换条件(位置或压力)达到设定值的时候﹐进入保压状态。保压也可分多段保压﹐每段保压有相应的压力设定及保压时间。常用的2~~3段保压﹐后段的保压比前段的压力下降。

射出稳定后﹐机器手把射出的镜片从模具中夹出﹐并用离子风扇吹至室温。射出的镜片温度降低为室温后放在相应治具上﹐用表面轮廓仪测量面形精度(抽检)﹐如果发现与图面要求有差异﹐修改射出条件待射出稳定后再进行成品测量。一般情况下射出可以改善的精度范围在1μm以内。

现在PIM所使用到的塑料材料有﹕1.PMMA(00134-000 日本三菱)﹔2.PC(00134-100 日本帝人化成)﹔3.PS(00134-200) ﹔4.ZEONEX (00134-300) ﹔5.PMMA(00134-001日本旭化成)。

在成型过程中既需要注意测量镜片的面形精度也需要注意测量镜片的机械尺寸﹐因每次模仁的修正皆要拆卸模仁﹐每次组装模仁后都需要从新调整镜片的中心肉厚和R1/R2面高度﹐以达到图面要求。 因模具上无法确定产品的中心肉厚等﹐故试模的时候就需要通过射出的镜片数据来反馈调整模具上中心肉厚及R1/R2高的数值。

在成型过程中有一些客观的因素会导致产品的不良﹐常见的有黑白点﹑白雾﹑刮伤线﹑流痕﹑红线等等﹐部分与模具有关﹐部分与射出条件有关﹐具体原因需要具体分析。

三.塑料镜片的镀膜

塑料镜片镀膜为真空冷镀﹐通过镀膜材料汽化及离子化后打击在镜片表面以形成非常薄的薄膜。PIM现在可以在塑料镜片上镀的膜有:全反射铝膜﹑半反射膜﹑增透膜。其中PIM现在所镀的半反射膜﹑增透膜都为多层膜﹐每面5~~7层。

因PMMA塑料不耐高温﹐故镀膜时温度必须控制的比较低(45度以内)﹐否则容易在镜片表面形成裂纹状的膜。PC耐候性较好﹐可以承受的温度较高一些。塑料镀膜较玻璃镀膜设备多个低温度冷冻机﹐用于降低镀膜室温度和抽取水分和氮气的功能。

塑料镜片镀膜后有几项评价项目﹕1.透过率﹔2.外观(膜欠﹑膜不﹑烧蚀﹑白点﹑其它外观不良)﹔3.膜强度﹔4.环境测试等。PIM塑料镜片镀增透膜后﹐420~680纳米波长的透过率大于95%。因直接测试镜片误差较大﹐故每炉镀膜时放置一片玻璃测试片作为对当炉镜片镀膜质量好坏的评价。镀膜过程对所镀膜的透过率影响很大﹐首先膜层厚度监控失灵所镀产品透过率将严重降低﹐其次镀膜过程中氧气压如果发生异常﹐所镀产品颜色无异常﹐但透过率也会大幅度降低。半反射膜一般没有具体的透过率要求﹐以实际肉眼颜色来做判定﹐建立颜色限度样品来做规范。全反射膜理论透过率为零﹐一般以目视检查透过率状况﹐以肉眼观察不到透过可见光为准。机台的运行状况对产品质量也有很大影响。膜强度以TAPE胶剥落测试为基本方法﹐PIM所镀的三种膜都应该能达到抗2次TAPE测试﹐并无任何膜的脱落和变异。也可以用酒精擦拭或热盐水浸泡来检查膜的强度﹐但这些检查都只能作为参考。影响镀膜产品外观的因子比较多,如镀膜环境﹐机台内部洁净程度﹐镜片受潮状况﹐治具状况﹐人员作业状况等等这些都在很大程度上影响镜片外观质量。

四.塑料镜片的测试评价方法

1. 表面轮廓仪测试非球面﹐及球面精度。表面轮廓仪可以测量非球面的回转曲线﹐并与图面设计曲

线做出对比﹐两条曲线对比的差异值即为RT值(PV值)。一般图面都会对RT值做出要求﹐一般在0.5~1.5μm范围内。一般图面上非球面曲线的中心R值都会给出一个公差范围﹐在此公差范围内选择不同的R值﹐所测的RT值也有所不同﹐在公差范围内选择R值以使测得的RT值最小为所谓的优化动作。Ra值表示整条测试曲线的粗糙程度﹐一般要求在0.3~0.1μm左右。PIM的表面轮廓仪测量精度为0.0001μm。对于镜头镜片每个面测量两次﹐与进料方向平行的为X轴﹐与进料方向垂直的为Y轴﹐只有在X与Y方向同时到达图面要求的时候﹐才说明镜片符合要求。对于方形的目视镜镜片﹐只测量一个轴方向即与进料点平行的方向(因目视镜镜片要求较低﹐故测试要求也没那么高)。表面轮廓仪测量出来的数据打印出来数据图形﹐X轴即Y=0的红线表示理想的非球面曲线﹐绿色曲线为镜片非球面曲线经过分析过的数据线。当绿线为”W”或”M”状况的时候﹐基本上在成型上是不可能再有所改善精度了。当绿线为”n”或”u”型时﹐还有在成型上改善精度的可能。表面轮廓仪器也可在一定程度上用于对球面进行分析。

2. 干涉仪测量镜片球面亚斯﹐球面半径等。干涉仪可用于测量塑镜片的亚斯等﹐多数时候塑料镜片

的亚斯数据会低于图面要求﹐以实配为准进行确认。干涉仪也可测量镜片的球面半径﹐但准确度并不很高。

3. 镜片机械尺寸的测量﹐镜片机械尺寸同样为镜片的重要性能参数。其中中心肉厚﹐R1/R2面高度

﹐边厚﹐目镜镜片的导孔内经及其垂直度等等都非常重要﹐如果不能达到图面要求亦可造成解析不良或后焦不良等。机械尺寸可通过卡尺﹐厚薄规﹐工具显微镜﹐塞规﹐高度规等进行测量。边厚误差应在0.005mm范围内﹐中心肉厚R1/R2面高度一般在图面上都有做要求﹐一般公差多为正负0.03mm。

4. 投解机(传统﹑数码)﹕投解机为镜片组立成镜头后﹐通过镜头的投解状况来确认塑料镜片的质量

的。PIM现在具有数码投解机及传统投解机各一台。在生产过程中对镜片投解用于确定镜片生产的稳定性﹐但目镜镜片确无法使用此种方法进行确认。

5. 偏振光片﹕可用偏振光片对镜片的应力状况进行分析﹐找出应力集中的地方并加以改善。也可通

过应力的分析来做出一些对策。一般情况下PC材料镜片的应力会比较集中。

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