非球面光學(xué)組件制程技術(shù)

1、第七章非球面光學(xué)組件制造技術(shù)非球面光學(xué)組件一直以來被廣泛的使用在各項光學(xué)產(chǎn)品中，如數(shù)字相機(jī)、各類的影像傳感器模塊、DVD讀取頭等光學(xué)產(chǎn)品中，與一般傳統(tǒng)的玻璃或塑料鏡片搭配在一起，以達(dá)到該光學(xué)產(chǎn)品應(yīng)有的品質(zhì)與功能。非球面光學(xué)組件可以成功的矯正光學(xué)各類像差，如球面像差、慧差、像散，還有光學(xué)形變像差，一直以來都是光學(xué)設(shè)計者于設(shè)計過程中之錦囊妙計。但是由于非球面光學(xué)組件一般而言成本較傳統(tǒng)鏡片高出許多，且不易制作，故工程上若需考慮成本及良品率問題，往往會放棄非球面光學(xué)組件來作為設(shè)計。近年來，由于塑料光學(xué)組件射出制作逐漸成熟，造就了塑料非球面光學(xué)組件的生產(chǎn)技術(shù)成熟，使得成本大幅降低，也間接促使光學(xué)設(shè)計者采

2、用塑料非球面光學(xué)組件來作設(shè)計，尤其是小口徑的鏡頭產(chǎn)品，如照相手機(jī)模塊等產(chǎn)品，都大量的采用塑料非球面光學(xué)組件。然玻璃鏡片一直都是光學(xué)設(shè)計者最佳的光學(xué)材料選擇，其高穿透率、高環(huán)境耐受度等優(yōu)點(diǎn)，一直以來都被定義為光學(xué)產(chǎn)品中的第一材料優(yōu)先選擇。然要制作非球面玻璃組件，卻是難度相當(dāng)高，相對成本也是相當(dāng)高昂。以往只能在高價的單眼相機(jī)用的鏡頭可以見到非球面玻璃光學(xué)組件搭配在其中，然如今模壓玻璃生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，相信便宜且質(zhì)優(yōu)的非球面玻璃光學(xué)組件將會大量的取代現(xiàn)有的光學(xué)組件。7-1塑料非球面光學(xué)組件材料塑料光學(xué)組件自1970年代由日本人開始嘗試以 PC等材質(zhì)制作放大鏡等簡單的光學(xué)產(chǎn)品，塑料光學(xué)組件就開始深入日

3、常生活中。由于塑料射出技術(shù)的發(fā)達(dá)，可以制造出許多玻璃光學(xué)組件難以達(dá)成的形狀。然在當(dāng)時，許多傳統(tǒng)光學(xué)廠對于塑料光學(xué)組件相當(dāng)不了解，更別提要取代玻璃光學(xué)組件了。但經(jīng)過了30多年的改進(jìn)，其光學(xué)用塑料材料的種類增多了，也改善了許多以往為人詬病的缺點(diǎn)，如材料選擇少、穿透率低等，慢慢的拉近與玻璃組件材料的差距。若以可用光學(xué)材料而言，一般光學(xué)設(shè)計者會采用兩類材料來設(shè)計，一為 Crown材料類，一為 Flint材料類，會以高低折射率及高低色散率來搭配設(shè)計；而塑料光學(xué)材料中也有同樣法則可供參考。一般而言，以 Crown材料類而言，大多會選擇以 PMMA或是以 COP兩類材料作設(shè)計；而以 Flint材料類而言，會

4、以 PC或是以 PS兩類材料作為設(shè)計的考量。然在設(shè)計過程中，各類材料選擇上都必須考量到其光學(xué)性質(zhì)及優(yōu)缺點(diǎn)等，才能達(dá)到預(yù)期的效果，如表 7-1-1所示。表 7-1-1塑料光學(xué)材料列表Crown MaterialsFlint Materials材料Acrylic【PMMA】 Cyclic olefin polymer【COP】 Polycarbonate【PC】 Polystyrene【PS】光學(xué)系數(shù)（Nd） 1.49 1.531.591.59阿貝系數(shù)（Abbe） 57 563431穿透率（未鍍膜） 92 928889密度1.19 1.011.021.06吸濕度0.3% 0.01%0.2%0.2%

5、耐沖擊度0.4 0.5140.35硬度M97 M89M70M90最高工作溫度 9012012580優(yōu)點(diǎn)少應(yīng)力雙折射低吸濕度高耐沖擊度低成本缺點(diǎn)較小的溫度容忍度高成本 容易于材料中產(chǎn)生霧化現(xiàn)象 高應(yīng)力雙折射以常見的 CCM（compact camera module）產(chǎn)品為例，其常用的光學(xué)塑料材料有 Zeonex的 E48R、330R等、ARTON的 D4532、Tejin的 AD5503、Osaka gas chemical（OGC）的 OKP4及 OKP4HT等，如表 7-1-2所示。表 7-1-2 CCM中常見的光學(xué)塑料材料maker namendvdZeonex E48R1.529965

6、5.8Zeonex 330R1.50956.4ARTON D45321.51457Tejin(PC) AD55031.58530Osaka gas chemical(OGC) OKP41.60727Osaka gas chemical(OGC) OKP4HT1.632237-2非球面塑料光學(xué)組件制作技術(shù)塑料光學(xué)組件于光學(xué)產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中，尤其以與機(jī)構(gòu)件設(shè)計兼容度高著稱。由于塑料光學(xué)組件以塑料射出成型來生產(chǎn)制作，許多與機(jī)構(gòu)件作搭配挾持的部分可以一并用注射來成型，進(jìn)一步來配合裝配流程，提高生產(chǎn)良品率。目前塑料光學(xué)組件生產(chǎn)制作技術(shù)大約分為三類，射出成型、熱壓成型、及鑄模成型。以光學(xué)鏡片生產(chǎn)而言，是

7、以射出成型為主，如表 7-2-1。表 7-2-1各類塑料光學(xué)鏡片生產(chǎn)方式技術(shù)射出成型熱壓成型鑄模成型內(nèi)容將塑料原料予以加熱射出成型將塑料原料與以熱壓成型將鑄模材料及單體置入模具內(nèi)，使其完成聚合反應(yīng)及固化優(yōu)點(diǎn)加工便利，效率高高精密度設(shè)備投資低，能制作大面積產(chǎn)品設(shè)備投資低，能制作大面積產(chǎn)品缺點(diǎn)模具成本高學(xué)習(xí)周期長成型后加工程序多產(chǎn)品成型周期長、精準(zhǔn)度低適合產(chǎn)品光學(xué)級鏡片大面積的導(dǎo)光板聚光罩、反射罩然在制作過程中，公差的考量是絕對且必要的。若以精密塑料非球面光學(xué)鏡片為例，其公差設(shè)定與一般的玻璃光學(xué)鏡片不盡相同，如表 7-2-2所示。表 7-2-2精密塑料光學(xué)組件公差設(shè)定項目公差設(shè)定Radius of

8、 curvature 0.5%Effective focal length 1.0%Center thickness 0.01mmDiameter 0.01mmAspheric surface form 2mAspheric irregularity 1mCentration 1 minuteS1 to S2 displacement 0.02mmScratch-dig 40-20Surface roughness 2nmnPart repeatability 0.5%Diameterthickness ratio 5：1公差設(shè)定必須考量的是整個產(chǎn)品成本，以最便宜的組件生產(chǎn)方式來達(dá)到可用的品質(zhì)

9、要求。而塑料光學(xué)組件更往往在光學(xué)設(shè)計中比玻璃光學(xué)組件更具光機(jī)整合特性，整體設(shè)計彈性大，目前大多與玻璃組件作復(fù)合設(shè)計達(dá)到質(zhì)輕、低成本，亦合乎要求的光學(xué)設(shè)計。7-3玻璃非球面光學(xué)組件生產(chǎn)技術(shù)玻璃非球面光學(xué)組件一直以來都是光學(xué)設(shè)計者，在無成本考量，以追求最高光學(xué)品質(zhì)為前提的最好的設(shè)計方案選擇。但是由于加工困難，且成本高昂，對于光學(xué)設(shè)計者而言，往往只能遠(yuǎn)觀，卻遲遲不敢采用。而玻璃非球面光學(xué)組件生產(chǎn)技術(shù)大略分為三大類，超精密加工、模具制壓（模具輪廓轉(zhuǎn)寫技術(shù)）、光學(xué)機(jī)械加工，如表7-3-1所示。表 7-3-1非球面玻璃光學(xué)組件制造技術(shù)技術(shù)超精密加工模具制壓光學(xué)機(jī)械加工加工方式SPDT鉆石切削，DG鉆石輪磨

10、，ELID電解拋光，MRF磁流拋光.玻璃模壓 .玻璃熱壓 .傳統(tǒng)研磨拋光 CNC研磨拋光 .化學(xué)拋光加工型態(tài)直接制造模具轉(zhuǎn)寫直接制造優(yōu)點(diǎn)超高精密度合乎經(jīng)濟(jì)效率加工容易高精密度缺點(diǎn)工時長，良率不佳模壓生產(chǎn)技術(shù)掌握不易工時長，良率不佳目前主流目前模具制壓技術(shù)是生產(chǎn)非球面玻璃光學(xué)組件的主流技術(shù)，也就是俗稱的模壓技術(shù)。模壓技術(shù)包含了玻璃材料、模具模芯加工技術(shù)、光學(xué)組件鍍膜技術(shù)等技術(shù)，與傳統(tǒng)光學(xué)組件研磨拋光的制造方式相比，其程序上是簡化了，但其技術(shù)門坎卻大幅提高。7-4模壓玻璃組件生產(chǎn)技術(shù)整合以前模壓玻璃制造技術(shù)，原本是使用在玻璃毛胚預(yù)形體的成型或是低精度成型的光學(xué)組件上。但隨著玻璃材料技術(shù)的演進(jìn)及模具

11、、模芯技術(shù)的進(jìn)步，制作非球面模壓玻璃鏡片的良品率日益提高，以及大量的市場需求，才使得模壓玻璃技術(shù)再一次的受到光學(xué)廠的重視。模壓玻璃組件制造其實(shí)是高溫材料的熱處理技術(shù)，大部分的模壓玻璃材料其軟化點(diǎn)約在攝氏 480550度之間，才能方便施予高溫模壓成型，但因為制程環(huán)境都是處在攝氏 500度上下的高溫，對于模仁及模具的影響相當(dāng)大。早期的模具材料大部分以硬模為主，如 WC（碳化鎢材料）為主，但是碳化鎢材料極硬且韌性高，不易加工，故慢慢的研究以 DLC（類鉆薄膜）附著其上來增加模具模芯的壽命。目前玻璃模壓技術(shù)中的模芯多采用 Pt-Ir合金膜為最佳，其脫模性（抗沾粘性）佳、化學(xué)穩(wěn)定性佳、與玻璃材料高溫接口

12、反應(yīng)差、鍍膜穩(wěn)定性佳，可以有效增加模具的壽命。若嚴(yán)格來說，模壓玻璃組件其核心技術(shù)可以分為材料類、精密加工類、硬膜技術(shù)類、及生產(chǎn)控管類幾個面向，如圖 7-4-1所示。圖 7-4-1模壓玻璃組件生產(chǎn)技術(shù)之核心技術(shù)能力目前各大光學(xué)廠莫不積極朝向各核心技術(shù)作改進(jìn)，惟其技術(shù)門坎高，且學(xué)習(xí)時間長，要整合上述的各關(guān)鍵技術(shù)相當(dāng)不容易。7-5塑料光學(xué)鏡片與玻璃光學(xué)組件一直以來，非球面塑料光學(xué)鏡片及非球面玻璃光學(xué)組件哪個才是未來光學(xué)設(shè)計者所樂意采用的最后贏家，對此光學(xué)界至今并沒有共識，普遍認(rèn)為塑料與玻璃鏡片將會同時存在，其分隔點(diǎn)將會依產(chǎn)品不同作不同的設(shè)計區(qū)隔。以照相手機(jī)模塊為例，低階的 CIF、VGA等級的照相手

13、機(jī)模塊全都采用塑料非球面鏡片，原本市場普遍認(rèn)為高階的 3百萬像素的照相手機(jī)將會采用非球面玻璃鏡片，但受到市場價格不斷下滑的因素，廠商利潤不斷的壓縮，目前看來還是采用塑料非球面鏡片為主。非球面玻璃鏡片大多用在高階的安防監(jiān)視鏡頭或是高光學(xué)變焦倍數(shù)之?dāng)?shù)字相機(jī)鏡頭為主，為了達(dá)到小巧的尺寸要求。以目前最新的 5倍光學(xué)變焦、 1千 2百萬像素數(shù)位相機(jī)用的鏡頭為例，其鏡頭長度僅需要 2公分左右，其主要原因就是采用了非球面玻璃鏡片。若以生產(chǎn)成本及生產(chǎn)難易度來了解其中的差異，普遍來說玻璃模壓鏡片生產(chǎn)成本是比塑料鏡片高，生產(chǎn)難度也比塑料鏡片難上許多，如圖 7-5-1所示。圖 7-5-1各類非球面鏡片生產(chǎn)難易及生產(chǎn)成本比較故孰優(yōu)孰劣很難以單一論點(diǎn)來評判，塑料及玻璃非球面鏡片各有各的定位。不過可以很清楚的知道，非球面鏡片的采用將會大量普及于各類的光學(xué)產(chǎn)品中。結(jié)論非球面光學(xué)組件一直以來被光學(xué)廠視為戰(zhàn)略武器，若要發(fā)展鏡頭或是相關(guān)的影像模塊產(chǎn)品，不論是非球面塑料鏡片或是玻璃鏡片都是一項關(guān)鍵組件。平心而論，傳統(tǒng)鏡片市場于大陸、南韓、及臺灣業(yè)者持續(xù)投入之下，其供應(yīng)上不論質(zhì)與量都已可以滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)需求，以日本光學(xué)業(yè)界為例，對于傳統(tǒng)光學(xué)鏡片的生產(chǎn)比重已不若以往的高，且逐漸對其他國家業(yè)者以采購或是異地合作的方式取得傳統(tǒng)光