光学镜片加工之残留应力检测技术

光学镜片加工之残留应力检测技术

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

    随着光学工业及光电科技的发展，各种光电组件依不同的需求孕育而生，光学镜片即为光电仪器系统中不可或缺的零组件。除了常见的天文望远镜与摄影机外，光学镜片在数字相机、激光打印机、复印机及投影机等产品上的应用相当普遍，故市场对光学镜片的质量与精度的要求愈来愈高。在光学镜片的制程中，除了材质本身的缺陷外，加工过程亦会对镜片质量造成影响，不论是以数值控制之钻石轮磨机对玻璃材料来进行成型、研磨加工，或是塑料材质之射出成型制作过程，都易使材料本身产生暂时性应力及残留应力变质层。这些应力变质层的存在会破坏光学镜片的均质性，对要求高精度的光学系统而言，应力变质层的移除是必要的过程，因此抛光过程中，若能分析出各种加工参数下的应力变质层深度与大小，将可提供最小抛光深度。

    光学镜片依产品性质一般可分为折射组件 (透镜、棱镜)、反射组件、绕射组件 (Fresnel plate、光栅) 与混合 (hybrid) 组件等，其材料使用依不同制造方式而有差异，除了射出成型用的塑料材质与模造用的低温玻璃外，就属晶态玻璃 (如石英) 及非晶态玻璃 (如 BK7) 最为广泛使用。虽然以X 光绕射法进行应力量测已广泛应用于金属磨削与薄膜的应力量测上，但在应力损伤深度方面，仍较为缺乏。因此本中心为开发一套可预估应力变质层深度与大小之量测技术，即以田口最佳参数与多层「前馈式类神经网络」方法，探讨光学镜片在成型过程中，其「最小残留应力」加工参数之组合。此法不但可减少抛光所需花费的人力及时间，亦可提高镜片光学质量。

光学镜片的制程可分为选材、切割、滚圆、成型、研磨、抛光、定心、镀膜等流程，其中成型、研磨、抛光过程为镜片表面残留应力产生、减少与移除的三个重要步骤。当光学镜片受到机械应力或热应力的影响时，其偏极光之平行与垂直方向之折射系数会产生变化，藉由平行方向与垂直方向上折射率的差值 n_|| — n_⊥，即可得知残留应力如何影响光学系统质量。

     由于应力晶格对 X 光绕射峰有宽化影响，故可使用于晶相鉴定、优选方向判定、结晶度及晶粒度量测、残留应力检测等分析上。其绕射峰波形亦会受到晶粒大小、不规则应变及仪器本身所影响，如图一的 a 为理想状态，b 为仪器效应，c 为仪器与晶粒的加成效应，d 为仪器、晶粒与应变的加成效应对绕射波形所造成的宽化影响。

图一、X 光绕射峰宽化机制

图二、X 光绕射仪的狭缝与照射区域示意图

    检测所使用 Bede D1 System X 光绕射仪，可进行 θ–2θ 扫描、 2θ 扫描、扫描及扫描等四种扫描模式，其中 X 光源、试片座与侦测器之示意图如图二所示。置于 X 光管前的 divergent slit 为 2 mm × 5 mm 之狭缝，侦测器前的 receiving slit 为则 0.5 mm 之狭缝，仪器示意图如图三所示。在对试片进行 X 光绕射检测时，先以 θ–2θ 扫描模式确定石英试片四个绕射峰值的精确位置如图二所示；完成 θ–2θ 扫描模式后再将侦测器移动至绕射峰值 2 的位置，将试片座沿着轴的方向小角度摆动以进行扫描模式，量测试片表面的晶格失配情形。

光学镜片的加工模式复杂且不易分析，故本法以光学镜片成型实验所得到的数据信息作为类神经网络的训练样本，透过类神经网络的训练建立加工结果与制程参数之间的非线性模型，用以估测光学镜片成型加工后所需移除之应力层深度。以类神经网络训练完成后，将各组加工参数及田口最佳参数代入网络中测试，显示类神经网络训练得相当良好，田口最佳参数之网络输出为 1.24 µm，与实验所得的数值 1.41 µm 相近。

图三、X 光绕射仪示意图

图四、光学镜片加工变质层移除实验之流程

   在进行研磨实验时 (如图四)，各项研磨参数均固定不变，控制变因为研磨液的号数，所采用的研磨颗粒号数为 500 号、800 号、1200 号及 2000 号，进行研磨实验前试片本身必须为无残留应力状态，以利观察实际由研磨所造成之损伤。表一为 4 至 9 组参数之应力值，其中 1 至 3 组实验由于表面应力值太小，无法由 X 光绕射的峰值偏移量观察出。图五及图六为试片以层剥法逐层抛光，并以轮廓仪及 X 光绕射仪所量测之表面轮廓与绕射峰值半高宽的关系图。

图五、试片的移除量与半高宽关系

图六、试片的表面轮廓图

    表面残留压应力对金属材质可以降低表面裂痕的产生，因此可以提高材料的疲劳强度，故有其应用价值。但在光学镜片中，残留应力反而会降低其镜面精度，镜面亦因遭受应力腐蚀而降低了使用寿命，更严重者会因材料本身的应力－光学效应产生双折射的现象，降低成像质量。本检测技术以「田口」观念与「类神经网络」等数学模式，成功估测出成型加工应力深度程序与大小，除可提供光学从业人员合理的抛光深度外，亦可做为非晶态玻璃的应力量测之重要参考。

光学课　黄国政