非球面玻璃镜片模造成形技术

广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂

非球面镜片比球面镜片更容易修正影像畸变 (distortion)、色差 (chromatic aberration)、彗差 (coma) 等光学像差，不仅可有效提高光学系统成像质量，更让镜头的镜片数目大幅降低。另外，玻璃镜片比塑料镜片具有较高折射率、低吸收率、宽的光穿透频谱范围、高抗变形性、高抗高温性、高抗湿性、硬度高及拥有较佳表面抗刮等特性，因此近年来非球面玻璃镜片市场不断成长。

图一、非球面模造成形模具

非球面透镜依材质可区分为塑料透镜和玻璃透镜，其制作方式说明如表一所示。塑料透镜一般利用射出成形及超精密车削加工，在少量生产或打样情况下，一般都是直接利用超精密车削加工制作所需的塑料非球面透镜。大量生产时则是利用射出成形加工，模仁材料大多使用高硬度钢材，或在高硬度钢表面镀无电解镍层。若直接使用高硬度钢为模仁材料，必须利用超精密轮磨方式成形非球面轮廓，但是目前台湾业者比较少采用这样的方式，多半使用车削无电解镍层方式制作非球面轮廓，因为此加工方式生产速度较快。

非球面玻璃透镜的制作方式分为精密研磨与抛光法和精密模造成形法。精密研磨与抛光法必须利用超精密加工机或非球面研磨机成形透镜，最后再经过非球面研磨抛光制程才能完成，但此法不适合大量生产，而且对技术人员的加工技术要求较高。近年来，在高量产的需求下，多采用精密模造成形法，此成形常用的模仁材质为碳化钨 (tungsten carbon, WC) 和碳化硅 (silicon carbon, SiC)，其轮廓必须利用超精密轮磨法成形，并于模仁表面镀上一层离形膜，以提高模仁的寿命及避免玻璃与模仁表面发生沾粘，如图一所示。

非球面玻璃镜片模造成形技术包括：精密模仁及模具加工技术、模仁表面镀膜技术、精密量测技术、模造成形技术和镜片误差补偿技术。非球面玻璃镜片的模具较塑料射出的模具简单，但是精度的要求却比塑料射出模具高出许多，因此非球面玻璃镜片的模造成形关键技术在于模仁和模具的加工。另外，模造成形用的模仁表面，需要披覆一层膜层，膜层质量的好坏将会直接影响到模仁的寿命，也会直接影响镜片的生产成本。常见合金膜层的厚度约为 1 µm 左右，合金膜层的厚度太厚时，将会影响已加工的曲面形状精度。

玻璃模造成形法系利用玻璃在高温粘滞系数降低时，受力变形成至所需之轮廓。当温度加热至转移点温度 (transformation temperature, Tg) 以上，粘滞系数随温度增加而降低，所产生的内应力也随热应力松弛而自行消除，图二为玻璃加热温度与热膨胀系数关系图。

图二、玻璃加热温度与热膨胀系数关系图 (数据源：日本 Toshiba 公司)

图三、玻璃模造成形机线性轴传动示意图 (数据源：日本 Toshiba 公司)

目前市售机种可分成形模具固定系统 (diemolding fix system) 和成形模具移送系统 (diemolding transfer system)，其系统主要由线性驱动单元、加热装置、压力／温度检测单元、模具组、CNC 控制器、监控接口和真空帮浦等所组成。加工过程将上下模仁固定于模座上，下模座会由 AC 伺服马达驱动螺杆传动上升进行模造成形加工 (如图三)。最大优点为成形过程中可做多段加压设定，亦可改善成形后玻璃 X 和 Y 轴形状精度曲线趋势。

以成形非球面 L-BAL42 玻璃材料为例，一段加压成形后量测其非球面形状精度 (如图四)，若明显发现 X 轴 (蓝线) 和 Y 轴 (红线) 形状精度曲线有些许落差时，此镜片容易产生像散。因此可藉由二段加压成形修正此现象 (如图五)，图中黑线代表下模座位置、红线代表加热温度、绿线代表加压力。修正后形状精度已消除 X 和 Y 轴落差，同时亦降低形状精度值，如图六所示。

图四、非球面镜片形状精度 (一段加压)

图五、非球面镜片二段加压成形参数曲线

图六、非球面镜片形状精度 (二段加压)

目前非球面透镜利用模造成形加工之技术门坎较高，必须有效建立精密模仁及模具加工技术、模仁表面镀膜技术、精密量测技术、模造成形技术和镜片误差补偿技术方能进行量产，降低生产成本。