第七章非球面光学组件制程技术

第七章非球面光学组件制造技术非球面光学组件一直以来被广泛的使用在各项光学产品中，如数字相机、各类的影像传感器模块、DVD读取头等光学产品中，与一般传统的玻璃或塑料镜片搭配在一起，以达到该光学产品应有的品质与功能。非球面光学组件可以成功的矫正光学各类像差，如球面像差、慧差、像散，还有光学形变像差，一直以来都是光学设计者于设计过程中之锦囊妙计。但是由于非球面光学组件一般而言成本较传统镜片高出许多，且不易制作，故工程上若需考虑成本及良品率问题，往往会放弃非球面光学组件来作为设计。近年来，由于塑料光学组件射出制作逐渐成熟，造就了塑料非球面光学组件的生产技术成熟，使得成本大幅降低，也间接促使光学设计者采用塑料非球面光学组件来作设计，尤其是小口径的镜头产品，如照相手机模块等产品，都大量的采用塑料非球面光学组件。然玻璃镜片一直都是光学设计者最佳的光学材料选择，其高穿透率、高环境耐受度等优点，一直以来都被定义为光学产品中的第一材料优先选择。然要制作非球面玻璃组件，却是难度相当高，相对成本也是相当高昂。以往只能在高价的单眼相机用的镜头可以见到非球面玻璃光学组件搭配在其中，然如今模压玻璃生产技术逐渐成熟，相信便宜且质优的非球面玻璃光学组件将会大量的取代现有的光学组件。7-1塑料非球面光学组件材料塑料光学组件自1970年代由日本人开始尝试以PC等材质制作放大镜等简单的光学产品，塑料光学组件就开始深入日常生活中。由于塑料射出技术的发达，可以制造出许多玻璃光学组件难以达成的形状。然在当时，许多传统光学厂对于塑料光学组件相当不了解，更别提要取代玻璃光学组件了。但经过了30多年的改进，其光学用塑料材料的种类增多了，也改善了许多以往为人诟病的缺点，如材料选择少、穿透率低等，慢慢的拉近与玻璃组件材料的差距。若以可用光学材料而言，一般光学设计者会采用两类材料来设计，一为Crown材料类，一为Flint材料类，会以高低折射率及高低色散率来搭配设计；而塑料光学材料中也有同样法则可供参考。一般而言，以Crown材料类而言，大多会选择以PMMA或是以COP两类材料作设计；而以Flint材料类而言，会以PC或是以PS两类材料作为设计的考量。然在设计过程中，各类材料选择上都必须考量到其光学性质及优缺点等，才能达到预期的效果，如表7-1-1所示。表7-1-1塑料光学材料列表CrownMaterialsFlintMaterials材料Acrylic【PMMA】Cyclicolefinpolymer【COP】Polycarbonate【PC】Polystyrene【PS】光学系数（Nd）1.491.531.591.59阿贝系数（Abbe）57563431穿透率（未镀膜）92928889密度1.191.011.021.06吸湿度0.3%＜0.01%0.2%0.2%耐冲击度0.40.5140.35硬度M97M89M70M90最高工作温度90℃120℃125℃80℃优点少应力双折射低吸湿度高耐冲击度低成本缺点较小的温度容忍度高成本容易于材料中产生雾化现象高应力双折射以常见的CCM（compactcameramodule）产品为例，其常用的光学塑料材料有Zeonex的E48R、330R等、ARTON的D4532、Tejin的AD5503、Osakagaschemical（OGC）的OKP4及OKP4HT等，如表7-1-2所示。表7-1-2CCM中常见的光学塑料材料makernamendvdZeonexE48R1.5299655.8Zeonex330R1.50956.4ARTOND45321.51457Tejin(PC)AD55031.58530Osakagaschemical(OGC)OKP41.60727Osakagaschemical(OGC)OKP4HT1.632237-2非球面塑料光学组件制作技术塑料光学组件于光学产品设计生产过程中，尤其以与机构件设计兼容度高著称。由于塑料光学组件以塑料射出成型来生产制作，许多与机构件作搭配挟持的部分可以一并用注射来成型，进一步来配合装配流程，提高生产良品率。目前塑料光学组件生产制作技术大约分为三类，射出成型、热压成型、及铸模成型。以光学镜片生产而言，是以射出成型为主，如表7-2-1。表7-2-1各类塑料光学镜片生产方式技术射出成型热压成型铸模成型内容将塑料原料予以加热射出成型将塑料原料与以热压成型将铸模材料及单体置入模具内，使其完成聚合反应及固化优点加工便利，效率高高精密度设备投资低，能制作大面积产品设备投资低，能制作大面积产品缺点模具成本高学习周期长成型后加工程序多产品成型周期长、精准度低适合产品光学级镜片大面积的导光板聚光罩、反射罩然在制作过程中，公差的考量是绝对且必要的。若以精密塑料非球面光学镜片为例，其公差设定与一般的玻璃光学镜片不尽相同，如表7-2-2所示。表7-2-2精密塑料光学组件公差设定项目公差设定Radiusofcurvature±0.5%Effectivefocallength±1.0%Centerthickness±0.01mmDiameter±0.01mmAsphericsurfaceform2μmAsphericirregularity1μmCentration±1minuteS1toS2displacement±0.02mmScratch-dig40-20Surfaceroughness2nmnPartrepeatability0.5%Diameter／thicknessratio＞5：1公差设定必须考量的是整个产品成本，以最便宜的组件生产方式来达到可用的品质要求。而塑料光学组件更往往在光学设计中比玻璃光学组件更具光机整合特性，整体设计弹性大，目前大多与玻璃组件作复合设计达到质轻、低成本，亦合乎要求的光学设计。7-3玻璃非球面光学组件生产技术玻璃非球面光学组件一直以来都是光学设计者，在无成本考量，以追求最高光学品质为前提的最好的设计方案选择。但是由于加工困难，且成本高昂，对于光学设计者而言，往往只能远观，却迟迟不敢采用。而玻璃非球面光学组件生产技术大略分为三大类，超精密加工、模具制压（模具轮廓转写技术）、光学机械加工，如表7-3-1所示。表7-3-1非球面玻璃光学组件制造技术技术超精密加工模具制压光学机械加工加工方式SPDT钻石切削，DG钻石轮磨，ELID电解抛光，MRF磁流抛光..玻璃模压..玻璃热压..传统研磨抛光CNC研磨抛光..化学抛光加工型态直接制造模具转写直接制造优点超高精密度合乎经济效率加工容易高精密度缺点工时长，良率不佳模压生产技术掌握不易工时长，良率不佳目前主流☆目前「模具制压技术」是生产非球面玻璃光学组件的主流技术，也就是俗称的模压技术。模压技术包含了玻璃材料、模具模芯加工技术、光学组件镀膜技术等技术，与传统光学组件研磨抛光的制造方式相比，其程序上是简化了，但其技术门坎却大幅提高。7-4模压玻璃组件生产技术整合以前模压玻璃制造技术，原本是使用在玻璃毛胚预形体的成型或是低精度成型的光学组件上。但随着玻璃材料技术的演进及模具、模芯技术的进步，制作非球面模压玻璃镜片的良品率日益提高，以及大量的市场需求，才使得模压玻璃技术再一次的受到光学厂的重视。模压玻璃组件制造其实是高温材料的热处理技术，大部分的模压玻璃材料其软化点约在摄氏480~550度之间，才能方便施予高温模压成型，但因为制程环境都是处在摄氏500度上下的高温，对于模仁及模具的影响相当大。早期的模具材料大部分以硬模为主，如WC（碳化钨材料）为主，但是碳化钨材料极硬且韧性高，不易加工，故慢慢的研究以DLC（类钻薄膜）附着其上来增加模具模芯的寿命。目前玻璃模压技术中的模芯多采用Pt-Ir合金膜为最佳，其脱模性（抗沾粘性）佳、化学稳定性佳、与玻璃材料高温接口反应差、镀膜稳定性佳，可以有效增加模具的寿命。若严格来说，模压玻璃组件其核心技术可以分为材料类、精密加工类、硬膜技术类、及生产控管类几个面向，如图7-4-1所示。图7-4-1模压玻璃组件生产技术之核心技术能力目前各大光学厂莫不积极朝向各核心技术作改进，惟其技术门坎高，且学习时间长，要整合上述的各关键技术相当不容易。7-5塑料光学镜片与玻璃光学组件一直以来，非球面塑料光学镜片及非球面玻璃光学组件哪个才是未来光学设计者所乐意采用的最后赢家，对此光学界至今并没有共识，普遍认为塑料与玻璃镜片将会同时存在，其分隔点将会依产品不同作不同的设计区隔。以照相手机模块为例，低阶的CIF、VGA等级的照相手机模块全都采用塑料非球面镜片，原本市场普遍认为高阶的3百万像素的照相手机将会采用非球面玻璃镜片，但受到市场价格不断下滑的因素，厂商利润不断的压缩，目前看来还是采用塑料非球面镜片为主。非球面玻璃镜片大多用在高阶的安防监视镜头或是高光学变焦倍数之数字相机镜头为主，为了达到小巧的尺寸要求。以目前最新的5倍光学变焦、1千2百万像素数位相机用的镜头为例，其镜头长度仅需要2公分左右，其主要原因就是采用了非球面玻璃镜片。若以生产成本及生产难易度来了解其中的差异，普遍来说玻璃模压镜片生产成本是比塑料镜片高，生产难度也比塑料镜片难上许多，如图7-5-1所示。图7-5-1各类非球面镜片生产难易及生产成本比较故孰优孰劣很难以单一论点来评判，塑料及玻璃非球面镜片各有各的定位。不过可以很清楚的知道，非球面镜片的采用将会大量普及于各类的光学产品中。结论非球面光学组件一直以来被光学厂视为战略武器，若要发展镜头或是相关的影像模块产品，不论是非球面塑料镜片或是玻璃镜片都是一项关键组件。平心而论，传统镜片市场于大陆、南韩、及台湾业者持续投入之下，其供应上不论质与量都已可以满足现有的生产需求，以日本光学业界为例，对于传统光学镜片的生产比重已不若以往的高，且逐渐对其他国家业者以采购或是异地合作的方式取得传统光学组件的供应。而在日本母厂则转向系统的开发或是先进光学组件的研发，如高精密塑料光学组件或是材料之开发，及模压玻璃组件的研发，以保持日本光学于世界上的领导地位。而台湾光学业者也逐渐重视技术的开发及取得，这几年来也在某些特定的产品市场上大放异彩，如数字相机、照相手机模块、扫瞄器镜头等，但是面对后进者如大陆及韩国厂商急急追赶的压力下，要突显出技术差异性的难度就日益提高，而基础的光学组件开发更是不可缺席，甚至要提升到系统整合的阶段才能胜出。