**章：簡介

1-1塑料鏡片的優缺點

制品的產量高、價格低，又可實現輕薄短小的產品需求，但以往被認為精度不高，無法取代傳統的金屬或玻璃等。但近年來由于塑料材料的研發及射出成形技術的精進，已經大大的改變了這個市場。在光學組件的領域中，塑料鏡片早已進入了高精度的時代，從早期拋棄式的相機鏡片，到現在需要高精度的讀取頭物鏡，塑料鏡片充分發揮塑料產品的特色，也超越了塑料產品的瓶頸。在光電產業蓬勃發展的今天，本文將帶領各位進入塑料鏡片射出成形的技術領域，了解鏡片的開發流程和相關技術。

塑料制品生產速度快，適合大量及自動化的生產，所以容易降低價格﹔塑性良好因此耐沖擊﹔因為塑料比重低，因此重量相對的較輕，可以讓整個系統重量降低﹔而且成品形狀自由度高，可以將系統的機構組件與光學組件合并，減少零件數量，并簡化系統組裝程序﹔利用這樣的優點，我們可以設計特殊架構的光學組件。

有優點就有缺點，塑料的缺點有：溫度特性差：和玻璃相較，塑料容易受環境影響光學特性。因為一旦耐熱溫度低，熱膨脹系數大，光學組件就會變形而影響光學特性。精度較玻璃低：塑料由于材料特性的關系，因此不均勻性較高，容易產生收縮變形，導致精度不容易控制。抗刮力差：塑料的機械強度較低，材質的硬度不像玻璃堅硬，因此抗刮力差。與光學玻璃相較，材料種類較少：由于光學玻璃發展已有很長一段時間，所以塑料鏡片和其相較之下，材料種類較少，而且折射率較低，大約在1.5到1.6之間，分布較狹窄。有雙折射現象：造成光學性能降低。要有一定的產量才符合經濟效益：塑料射出成形的模具價格十分昂貴，一個模具開下去，可能需要幾十萬或百萬的費用，所以如果沒有達到一定的產量規模，便不符合經濟效益。大小受限制：塑料鏡片射出成形在∮100mm以上的精度不足，會有成形上的問題，也可以說尺寸愈大，精度愈難控制。

1-2塑料鏡片的應用

塑料鏡片可以應用在相機、數字相機用的觀景窗、鏡頭鏡片；投影機、背投式電視用的鏡頭鏡片；*好的例子是CD/DVD讀取頭上所用的pickup lens 、 grating lens、DOE，年產量在數億顆以上；還有LCD面板上的背光板、導光板也可以看到塑料鏡片的應用；在各種光學系統中，光學組件適合在塑料鏡片上作微細結構，產生繞射、折射、分光或偏光現象，因此也適合應用在Frenel lens, F-θ lens上。

總括來說，塑料鏡片非常適合用在消費性的光電產品，因為這類產品需要降低成本，精度要求與專業儀器相較下比較低，生產量很大而且要求產品輕薄短小，正好符合塑料鏡片的特色。

**章：塑料鏡片射出成形各類技術 

2-1光學設計的基本概念

鏡片射出成形的技術包括了光學設計、模具技術、成形技術和量測技術。現在我們分別來談一談這些技術的基本概念。

首先，我們來看光學設計。在光學設計上，通常需要考慮兩個因素：材料的選用和形狀的設計。了解光學設計的要點與射出成形之間的關系，在與光學設計者討論時較有概念，也可以對于設計者所設計的鏡片可行性及困難度加以評估與判斷。

在選用光學塑料的時候，幾個光學特性是必須注意的，比方說：穿透頻譜、反射損失、吸收，也就是穿透率，一般在88~92%之間、還有折射率、折射率穩定性，是指射出成形后的穩定性、色散、雙折射特性等。

光學塑料的物理特性在光學設計時也需要考慮進去，比如說塑料材料的吸水性、成形收縮率、玻璃轉移點溫度、熱變形溫度、流動性、比重、強度、抗刮，耐高溫、抗化學、電氣、耐沖擊等。

在形狀設計方面，光學設計人員應考慮塑料的光學和樹脂特性來設計形狀，也就是說，不同的塑料材料會有不同的特性，光學設計人員會利用這樣的特性去設計出易于成形的形狀，讓厚薄比、形狀變化等保持在一定的限度。

我們拿CD和DVD讀取頭物鏡來做例子。從這張表格中，我們可以看到一些關于光學系統的設計值。

NA值越大，代表物鏡聚焦角度越大，通常伴隨而來的是曲率半徑更小、厚薄比更大、模仁加工和成形困難度更高。厚薄比是衡量鏡片成形難度的重要指標，當厚薄比越大時，成形收縮越不均勻，越難成形高精度的鏡片。有效徑是指光路真正通過鏡片的口徑大小。鏡片在成形時，由于厚度和溫度的差異，在中央與邊緣的收縮率會不一致，當有效徑比率越大時，代表在周圍無效的區域要越小。*小曲率半徑與有效徑同時考慮，通常就決定了*大曲面斜率，曲面斜率越大，加工范圍及量測誤差也會越大，甚至可能產生刀具干涉或超出可量測范圍的問題，這對高精度的鏡片是很大的問題。波面收差是物鏡的規格要求，可以有效的量化鏡片的光學特性，對于物鏡微小的缺陷，都可以由波面收差表現出來﹔因此，波面收差值越小，代表物鏡可容許的誤差越小。這些誤差包含了兩個曲面的形狀誤差、tilt和decenter誤差的綜合表現。

這個表為光學鏡片射出成型精度比較表，以曲率半徑變化為例子，在較低階的鏡片，所允許的誤差值為正負3-5%， 但對精密的鏡片，所要求的值則達千分之0.5-1之間；也就是說，愈精密等級的鏡片，所允許的誤差值就愈小。一般而言，傳統射出成型技術對形狀精度的控制無法達到精密光學鏡片的要求，特別是近年來塑料鏡片應用范圍變大后，光學系統所需要的鏡片精度高、厚薄比大，更提高了成型技術的困難度。精密塑料鏡片的成形，無論在模具設計、模仁加工、成形條件及鏡片量測上都需要高層次的技術和設備。

2-2模具技術的基本概念

模具技術含有下列三個要素：模具設計、模具制作和模仁加工。

塑料射出成形的制程是將塑料射入模具，經過充填、保壓、冷卻三個步驟完成，因此，如果模具設計不當，就會影響整個制程和成品。模具設計包含澆道、澆口、排氣、定位、頂出、模溫控制等，對成形的品質量都有影響，此外，還需考慮模具材質的摩耗、腐蝕等。

**個要素是模具制作，我們必須選擇各零件的尺寸搭配、加工方法及加工程序。

*后一個要素模仁加工，指的是模仁鍍膜及鏡面加工技術，模仁加工技術愈精密，鏡片的形狀精度相對地也會提高等級。

2-3模具技術的基本概念

成型條件的調整，是確保鏡片形狀的準確性與穩定性。依據累積經驗與模擬分析，加上實驗計劃及溫壓控制的使用，找出適當的條件組合，達到穩定且良好的形狀精度。

隨著鏡片形狀精度要求的增加，成形機條件的再現性的要求也提高了。

2-3量測技術的基本概念

量測能驗證鏡片的質量，所得數據可對鏡片的形狀誤差作補償。量測方式通常有兩種：**種是量測成品的表面形狀及粗度，*常用的儀器為Form Talysurf，它是屬于接觸式量測，因為塑料的硬度、彈性系數比金屬小，如果以金屬相同的量測方式，會因成品變形而失真，所以需考慮塑料特性加以修正，才能增加量測的精度。另一種為非接觸式量測，也稱為光學性能量測，*常使用的儀器為干涉儀和點像質量檢測系統。量測時須注意如何設計及架設量測系統，使量測值能夠正確的反映出如波面收差等光學性能。

第三章：塑料鏡片開發流程

鏡片開發流程的**個步驟為光學設計，之后經過審查，考慮這些設計值是否需要修改；一般在衡量塑料鏡片的成形難度時，主要會先看鏡片的厚薄比及精度要求，再考慮形狀與材料等特性。前兩者決定模具及成形機精度與成形條件的困難度，后兩者則牽涉到成品的成形性。所謂良好的成型性，是指射出成型所設定的溫度、壓力范圍廣泛；塑料流動性佳；脫模容易及成型收縮率小等等。除此，在機臺能力、模具精度是否符合標準，及對于工作的分配、時程的順序也需做好完善的安排。同時，我們亦會進行光學設計驗證，依據這些設計值直接打樣去做檢驗。
上述條件都通過之后， 即開始進行模具設計，包括整體設計、零件設計、材料選用等。 設計沒有問題，即著手進行模具制作，相關工作包括制程方法、估價、發包、進度追蹤和驗收。整個模具制作完成后，則組裝起來做試模，
然后以實驗計劃法進行模具和制程的調整，如量測數據、模仁形狀的補償。此時若有任何瑕疵，則需要修改模具重新設計， *后經過試產，確認無誤后，才進行*后的量產階段，依需要去做光學鍍膜、自動化澆口剪斷等動作。

這里的圖像可以更進一步了解鏡片開發流程中的幾個步驟。這是一個光學鏡片的外形設計圖，曲面有個別的光學設計值，鏡片也須訂定量測的規格。而在模具設計這個步驟，我們看到的是模具的整體設計圖，圖中的各個零件也會有屬于該部分更詳細的設計圖。（模具制作）之后根據設計圖制作模具，如圖片所示，模具的形狀，一般而言，都大同小異。
模具完成之后，必須經過試模，圖片中是一射出成形機，我們將模具置放在成形機中，測試模具作動是否正常，成品外觀是否有瑕疵，尺寸是否正確。在射出制程中，需要經過一些調整，比如說，我們以田口實驗計劃法，經過實驗及量測得到一些數據及圖表，可得知一些條件參數的趨勢，需要往什么方向做調整。*后，我們對成品做各類的檢測，從量測結果可以知道鏡片的形狀精度、光學性能等數據。其實，制程調整和量測兩個步驟是相輔相成，經由量測的數據去做制程的調整，制程參數調整之后，也必須經過再次的量測。

第四章：模具技術

在射出成形中，模具是為了得到所要求質量的成形品而使用的一種工具﹔引申來說，精密射出成形的根本在于高精度的模具。模具的質量是鏡片成形技術的關鍵，也是整個鏡片制造過程中，花費*大的部分，不僅需要有經驗的設計者加以設計，而且也需要制造人員具有精密加工以及檢測方面的知識。

模具的技術主要分為兩個部分：模具設計與模具制作。模具設計的方向主要是為了對應鏡片精度的要求，為了確保鏡片質量，在設計模具時，應該將成形時所有可能影響精度的因素加以控制，包括成形機、成形條件和成形材料。整體的模具設計要注意成形機的尺寸和精度、成形條件和成形材料的特性，并考慮到具有累加性的誤差，如平行度、垂直度、同心度，及影響塑料流動的因子，如排氣孔位置和澆口形狀，都需要特別的注意。

此外，模具要達到高精度，在制作上就必須考慮其加工方法、工作機械和模具材料，比方說零件制造的機臺、方法、程序是否合宜。因為機臺能力不足、制造方法或程序有誤，都會直接影響模具的尺寸精度，很容易導致模具無法達到設計的公差范圍。因此，檢測尺寸精度，是確保設計的不二法門。

4-1模具設計

整體設計

在模具的整體設計上，設計人員根據鏡片的材質、規格、大小，來設計模具的大小、結構、模穴數量、模穴位置的分布、模溫控制和分模線位置。（澆口澆道圖）澆道系統也是必須特別注意的地方。因為澆道的功能是將灌嘴所射出的塑料，在溫度與壓力降低*少的情況下注入模具內，所以此處的設計將會影響塑料在模具內的流動狀況。澆口是澆道系統的終點，也是塑料進入模仁的入口，澆口的位置、形狀、尺寸不只是對鏡片外觀有影響，對收縮率及尺寸精度影響亦大。澆口設計的好壞較難量化，只能從成品的質量或量測上看出端倪，好的澆口設計不但可以避免外觀上的**，更可確保形狀精度，降低收縮變形量，這些可從量測鏡片形狀和光學性能判斷出來。

材料選用

對于模具的材料也需慎選，必須根據模具各零件的功能和重要性做選擇。一般模仁、模套及模板的質量要求較嚴格，使用不銹鋼及STAVAX﹔模座要求比較低，使用易加工的鋼材，隔熱板使用耐溫及耐壓的復合材料或陶瓷材料﹔其它零件則依照其功能，決定使用硬化過或未硬化過的鋼材。

零件設計

在零件設計方面，應對鏡片的精度要求與整體設計，將各零件可能影響鏡片質量的因素加以控制，比方說尺寸公差、具有累加性的誤差，如平行度、垂直度、同心度、位置度，還有，影響塑料流動及成形收縮率的因素，如排氣孔位置、流道形狀及面粗度、澆口形狀等。

4-2模具制造

要達到模具設計的精度，在模具制作時必須考慮周詳，并且確實檢測重要尺寸。模具大致分為模仁、模套、模座及其配件等三個部分，各部分與成品都有重要的關系，簡述如下：

鏡片成品其實是復制模仁的形狀及尺寸，所以模仁是模具中決定鏡片質量*重要的部分。模仁的制造是以STAVAX鍍上無電鍍鎳層做為粗胚，經過外形研磨，然后使用單晶鉆石切削成品面以達到鏡面要求，亦可提高模仁使用壽命。

模套是結合模仁與模座間的重要零件，目的是獨立定位公母模套，可降低成品錯位的情形，并且在模具需要更換不同用途的產品時，只需要更換模套，模座依然可以共享。模套的制作是以不銹鋼材制作粗胚，先加工流道及澆口，*后做模仁及定位孔的加工。

模具中的另一個重要零件為模座，泛指公母模板、承板、上下頂出板、間隔板、公母模固定板及其它零件，模座的幾何精度及定位精度對成品精度有很大的影響。

如果沒有精準的模具，根本無法達到鏡片的規格，因此模具要以嚴謹的方式制作，然后再依射出成品所發生的問題點加以修改，始能達到鏡片質量優良且穩定。當然，模具本身并不是沒有問題，例如經過多次修改﹔使用及拆裝上的磨耗﹔零件銹蝕，都可能造成部分精度已不如原先制作的等級了。這時需要的是以量測的數據及形狀判斷模具哪個部分的精度發生問題，再尋求補救的辦法。不過這需要深入的分析及探討，以累積判斷的經驗。

第五章：成形技術

5-1成形的流程

整個過程中塑料產生了相變化、密度變化、溫度變化及壓力變化。為了要能掌握塑料變化的情形，除了要了解材料的加工性質外，運用實驗計劃法分析成形條件的趨勢，更是精密成形的關鍵。

成形技術的目的，是希望成品能夠有良好的再現性，并符合形狀精度要求。前者需要的是成形條件范圍大，機臺和模具的精度及穩定性高﹔后者需要成形收縮變形小，成品對稱性高。這些要求除了需要良好的成形技術外，也需要模具技術、硬設備及環境的配合。

5-2成形的**原因與對策

圖中的表格列舉了一般常見的**現象，以及可能的發生原因，并提出一些對應的解決方案。一般而言，成品的外觀**大部分是射出階段就造成了，形狀或光學性能的問題則是在保壓冷卻階段所產生的；無論何種問題，除了改善成形條件外，還需反省模具設計與制作是否正確，射出機、模溫機或環境是否穩定。

5-2射出制程開發

在射出制程開發中，我們以田口實驗計劃法為例子。這是L18田口實驗的量測數據結果，由這些數據產生田口實驗的S/N響應表，我們可以根據響應表看出條件參數的趨勢，每一個英文字母代表不同的條件，比方說從數據A和B可得知所代表的模溫控制和料溫控制，對射出成形的影響*大。工作人員可根據這些趨勢做參數調整，以達到質量更好的精度。

第六章：量測技術

基本的量測包括了模仁的量測和鏡片的量測。一般而言，鏡片量測又分為接觸式量測和非接觸式量測，非接觸式量測也稱光學量測。

塑料的硬度、彈性系數比金屬小，如以金屬相同的量測方式，會因成品變形而失真，應考慮塑料特性加以修正，才能增加量測的精度。

6-1接觸式量測

無論是模仁或是鏡片皆可做接觸式量測。這是Taylor Hobson 的 PGI Talysurf的量測結果，量測標的為模仁或鏡片曲面之形狀精度及表面粗度。因為玻璃模造需要在高溫下進行，因此對于模仁的材料和硬膜的選擇需要特別注意。

6-2光學性能量測

**種光學量測為干涉儀。干涉儀為非接觸式的量測方式，可對球面或平面模仁及鏡片作幾何形狀的量測，亦可對鏡片作光學性能的量測。

對于鏡片的光學性能評價，*普遍為業界所使用的，是利用干涉儀仿真光學系統的光路，經反射回來后，量測光路經由待測鏡片所造成的各項波面收差值。

**種是Taylor Hobson 的LuphoScan的多波長干涉法測量，可以通過非接觸測量方式測到高精度的3D面型，特別適合非球面鏡片的測量。

另一種光學性能量測為點像質量檢測系統。不同于干涉儀的量測指標，它是針對鏡片成像的質量作量測，將成像圖像化，以限度樣品對該圖像作定量化分析，進而判斷出該鏡片的光學性能。