塑胶非球面镜片制作知识总结.docx
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塑胶非球面镜片制作知识总结
第一部：
（非球面）镜片的开发，测量与生产技术
本文章阐述了塑料镜片的生产开发过程，包括成型从材料的介绍，模具的设计制造，非球面模仁的加工，成型射出的调整，表面精度测量（接触/非接触方式）等等。
从而使各位读者领会塑料镜片加工的关键所在。
一：
塑料镜片的起源
文献回顾:
首先介绍非球面玻璃模造技术的发展,1970年首先由美国Kodak公司开始进行非球面模造玻璃镜片的计划,直到1982年首度推出以精密模造方式生产的非球面透镜应用于简单形相机上,非球面透镜的开发才逐渐普及开来,虽然在1980年代美国Kodak公司已有数百万片的产量,但是在精度上和成本上能有许多困难.几年后,日本HoyaOhara等公司,开发大量制造非球面的玻璃模造镜片,成为技术领先的公司.
另外关于非球面塑料镜片由美国polaroid公司于1940年首先发表,在1980年代开始使用射出成型技术进行大量生产1985年,日本学者内尾舜二也发表了非球面塑料镜片在日本的趋势,并提出三点问题:
（1）可用光学级塑料材料种类不多.
（2）非球面膜仁制造不容易.
（3）有关成形的问题.
就地一个问题,新光学级的树脂材料渐渐的被开发出来,并就特殊用途来做研发,例如最近所流行的安全镜片,其材料具有奈冲击性极佳的聚碳酸树脂简称PC.第二个问题,直到70年代初期超精密加工技术的逐步建立,利用CNC来做形状的研磨后续的抛光作业,可直接加工出形状精度符合设计要求精度的非球面.在日本则迈向非轴旋转对称形状的非球面制造,即所谓3次元自由曲面,其加工机需要原有加工机更多自由度之运动机能,在光学领域中形状精度须达0.1um,表面粗度则为0.01umRa之高精度要求.
第三个问题,是射出成形制程上经常遇到的问题,例如如何控制收缩率已达到精密尺度,避免不均匀收缩所形成的翘曲变形（Warpage）,或是控制分子定向（Orientating）,使残余应力和双折射率差直下降等,一般可以从制程中最重要的控制参数-温度,压力和充填时间来着手.此外,从模穴大小,浇道流道等模具设计,可以先利用模流分析的软件建立起来,并进行射出成形的模拟,这可以省下很多试模时藏是错误的时间,以及模具设计上的说明。
二：
何为非球面镜片
非球面的定义与公式:
就几何上所知,球面上每一点的曲率半径皆相同,而所谓非球面（Aspheric
Surface）,以狭义的观点来看,其曲率会随着曲面各点的位置而改变,而非一定值的
曲面;包括椭圆面,双曲面,抛物面等数学曲面;而已广义的观点来看,非球面光学
应该包含平面和马鞍面等复杂的曲面.在光学设计上,镜片大多为旋转对称,如此
资可以用下列的多项式来定义非球面的轮廓,而球面祇是特例而已.
式中,
C=1/R
X:
距非球面轴之水平距离.
H:
非球面的旋转对偁轴.
R:
顶点曲率半径.
k:
二次曲线常数.
A4,A6,...:
非球面修正系数.
k>0扁椭圆
K<-1双曲面
K=0球面
K=-1抛物面
一般探讨光学系统的成像理论,先以进轴光线分析,以了解成像的基本特性,如
成像位置及像的放大率等;再来是详细研究成像的细节,如光学像差等.而了解像
差之后,便要设法消除之,以改良光学设计之成果质量,提高其实用性.通常消除像，以前没有非球面镜片的时候，消除像差只有增加球面镜片的数量或尺寸改善，但是那会直接导致成本的提高。
非球面则解决了这个困扰。
轻,薄,短,小的产品正是目前潮流的趋势,非球面的设计刚刚好符合这一方面的需求,利用非球面组件所组成的镜组,其使用的镜片数要比同质量的球面镜组少,若以成本来考虑,使用越少的镜片镜组,成本当然也就降低下来.
三：
塑料镜片材料应用
有优点就有缺点，塑料的缺点有：
温度特性差：
和玻璃相较，塑料容易受环境影响光学特性。
因为一旦耐热温度低，热膨胀系数大，光学组件就会变形而影响光学特性。
精度较玻璃低：
塑料由于材料特性的关系，因此不均匀性较高，容易产生收缩变形，导致精度不容易控制。
抗刮力差：
塑料的机械强度较低，材质的硬度不像玻璃坚硬，因此抗刮力差。
与光学玻璃相较，材料种类较少：
由于光学玻璃发展已有很长一段时间，所以塑料镜片和其相较之下，材料种类较少，而且折射率较低，大约在1.5到1.6之间，分布较狭窄。
有双折射现象：
造成光学性能降低。
要有一定的产量才符合经济效益：
塑料射出成形的模具价格十分昂贵，一个模具开下去，可能需要几十万或百万的费用，所以如果没有达到一定的产量规模，便不符合经济效益。
大小受限制：
塑料镜片射出成形在∮100mm以上的精度不足，会有成形上的问题，也可以说尺寸愈大，精度愈难控制。
我们常用的光学塑料材料如下：
聚碳酸酯,Polycarbonate,俗称PC,为热可塑性树酯。
（AD5503）厂家：
日本帝人
PMMA:
聚甲基丙烯酸甲脂树脂,俗称压克力.厂家：
三菱化学
PS:
聚苯乙烯酸（MS:
为PMMA与PS的共聚物）
ZEONEX（COC）非结晶体材料。
包括E48R，480R日本东京材料
APEL（COC）非结晶体材料，型号包括5014DP/DQ。
ARTON（COC）非结晶体材料。
型号一般有D4531，D4532FX4727等等。
其它的还有TOPAS，OKP4（OKP4-HT），QI5000等新材料。
其中OKP4的折射率相对其他要高，具体资料就不表述了。
四：
光学模具设计，制造
4．1模具设计（此篇幅针对有模具方面知识的人员讲解）
作为光学镜片而言，精密射出成形的根本在于高精度的模具。
模具的质量是镜片成形技术的关键，也是整个镜片制造过程中，花费最大的部分，不仅需要有经验的设计者加以设计，而且也需要制造人员具有精密加工以及检测方面的知识。
塑料光学镜片按照外形一般分几种：
圆形，方形，圆含剖边，多面棱镜，含侧面柱子的圆/方形镜片，含侧面导轴孔的镜片，柱面镜片，其它异形镜片。
我先针对不同的类型叙述不同的模具结构。
4．1．1圆形镜片对于模具来讲是结构比较简单的。
固定侧分割出镶块和CORE，可动侧亦同，可设计为EP顶出和CORE直接顶出，镶块可为套筒或方体积块均可。
但要注意的地方是尽量避免CORE作为顶出机构，从而可以改善偏心大的状况。
方形的亦然。
4．1．2圆含剖边的镜片之所以设计剖边是为了让开GATE，所以做模具设计者而言，一定要保证其GATE的突出量在外圆的最大范围之内。
至于顶出方式可参考4.1.1.
4．1．3多面棱镜：
由于镜片含有多个光学有效面，并且一般多面棱镜使用在相机的观景窗里面，相对外观要求特别的严格，而且面精度（平面干涉条纹）要求在1本以下。
而对面的倾角要求也非常严格，各面的结合处要求填充饱满但不能有毛边。
这样对于模具的要求就十分高。
有上图可以看出，为保证光学面，模具结构必须要做双滑块。
光学平面模仁固定在滑块上面。
而且此模具的加工难点在与各滑块的配合精度，模具的传热效果等等。
4．1．4其它像需要侧面抽芯的，前后模抽芯的结构需要看LENS的具体形状而定。
4．2模具的顶出机构
4．2．1一般模具的顶出机构为EP顶出，但是考虑到LENS的微观变形问题，设计者应尽量避免使用模仁顶出，而是使用EP顶出，这样可以是受力更加均匀，LENS不会因为顶出而造成其它的不良现象发生。
4．2．2即便是EP顶出，也有缺陷，当EP过长，过细的时候强度必然会受到影响，那么这个时候就需要做二次顶出机构。
使得EP的长度可以降低。
达到稳定作动的目的。
五．模具的制造：
1．材料的使用
1．1模座钢材一般使用S55，S45即可。
特殊要求使用SKD51/61进行热处理后加硬。
1．2镶块/套的材料一般使用S136/STAVAX牌号，真空热处理到52°。
1．3顶针采用SKD61/SKH51等材料，但需要硬化到50HRC。
1．4其它的标准件可以供货商的具体规格为准。
2．模座的加工：
何精度及定位精度对成品精度有很大的影响。
一般LENS使用的模座尺寸在200*200至250*250mm之间，模座的精度比较好控制，首先平面度的保证，各模板包括AB板单独每块的正反面要求做到1~2um以下，只有这样才能保证迭加后的平行度达到要求。
一般基本的加工流程为先开粗—>做孔位热处理-精加工。
根据实际的设计需要设定各寸法的公差。
3．镶块/套筒的加工。
作为成型零件的模具关键部份，对于镶块/套筒而言精度要求是非常严格的。
下面的图片有具体表示：
相互孔之间位置寸法要求做到1um以下，孔的同轴度要求在￠0.002以下，然后做装配的尺寸要求也是非常严格。
镶块的加工精度要求非常高，所以对于机械加工人员来讲，怎样达到图纸设计的要求成为难点，比如同心度2um以下的规格，一般加工非常困难，需要非常精密的坐标磨床进行研磨才能达到要求。
镶套的同心度测量比较特殊，需要非常精密的真圆度仪器来测量，一般使用的比较多的三丰，TALYH公司的真圆度仪器。
通过测量可以得到非常精确的数据：
4．模仁的设计与加工
模仁作为一套模具的核心，也是附加价值最大的一个部分。
射出成型使用的模仁一般采用钢材制作，材料一般选用S136/STAVAX（HRC52），进行外形创成后镜面端面进行镀镍处理，因为镍的致密性，可加工性能都非常良好，所以对于超镜面表面而言采用镍做加工层是非常合适的。
目前行业内成像镜头使用的小口径非球面镜片的模仁表面形状误差可以加工到0.1um以下，RA（表面粗糙度）可以达到0.05um。
成型收缩后可以达到P-V值在0.3um以下。
如下图：
非球面模仁是一个对称的曲面，加工的时候使用单点金刚石车床进行车削。
由于车刀的刀头R为0.2mm，所以一般设计模仁的时候请多注意留足够的让刀距离。
模仁重要的尺寸要保证，特别是光学矢高，外径，深度，高度等等。
一般使用的非球面车床有：
TOSHIBA，MOOR等。
不同的品牌有各自的优点。
但是综合精度而言TOSHIBA的精度应该是行业最高的。
下表为不同品牌非球面加工机的加工精度对照表：
模仁的加工是多道非常精密的工序共同完成，加工者必须清楚的了解轮廓的形状，并且熟悉表面轮廓测量技术，并具有相当丰富的机械加工知识才能车削出高精度的模仁。
精密和超精密制造工程是适应前沿高技术发展需求而发展起来的。
它是一个国家重要经济和技术实力
的体现，是其它高新技术实施的基础。
精密和超精密加工范畴划分的界限见表1。
表1按加工精度划分加工精密度级别
普通加工
精密加工
高精度加工
超精密加工
极超精密加工
加工精度（μm）
100-10
10-3
3-0.1
0.1-0.005
≤0.005
超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一，各技术先进国家在高技术领域（如国防工业、集成电路、信息技术产业等）之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展超精密制造技术有极其重要的关系。
超精密制造技术是随着测量技术的发展而发展的。
Renishaw、Heidenhain及SONY等公司发展了分辨率均可以达到1nm的测量组件；美国HP公司、英国Taylor、美国zygo等公司的测量仪器均可以满足纳米测量的需求。
超精密制造技术在国际上已经得到广泛应用。
与国防工业有关的如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件、被送入太空的哈勃望远镜（HST）、飞机发动机转子叶片等；与集成电路（IC）有关的硅片加工（要求硅片的加工表面粗糙度Ra一般小于2nm，最高要求达0．1nm）；此外光刻设备和硅片加工设备的精度要求到亚微米和纳米级。
导弹惯性仪表的精度、激光陀螺仪的平面反射镜的精度、红外制导的导弹反射镜等，其表面粗糙度均要求达到纳米级。
另外，光学非球曲面零件面形制造精度要求已达λ/（30—50），表面粗糙度要求≤0．5nm。
1超精密制造技术的发展状况
1962年美国UnionCarbide公司研制出首台超精密车床。
在美国能源部支持下，LLI实验室和Y—12工厂合作，与1983年成功地研制出大型超精密金刚石车床（DTM—3型）。
该机床可加工最大直径￠2100mm，多路激光干涉测量系统分辨率为2．5nm。
1984年，LLL实验室成功地研制出LODTM大型金刚石车床。
该机床可加工的最大直径为￠1625mmx500mm，重量1360kg。
采用的双频激光测量系统分辨率为0．7nm，其主轴静态精度为：
径向跳动≤25nm，轴向窜动≤51nm。
LLL实验室这两台机床是目前公认的国际上水平最高的超精密机床。
CUPE（CranfieldUnitforPrecisionEngineering）研制的Nanocenter超精密车床已批量生产，其主轴精度≤50nm，加工工件的面形精度≤0．1μm。
Taylor公司兼并了Pneumo公司以后，批量生产Nanoform250超精密车床，产品占据了国际超精密加工很大部分应用市场，是技术领先的产品。
进入90年代以后，超精密铣磨和抛光技术在几个发达国家竞相发展，个别实验室可以达到很高的水平，
特别是其中包含的纳米制造技术，受到很大的关注。
开发超精密铣磨和纳米抛光制造技术较好的公司及机
构有：
美国M00RE公司、英国的TAYL0R、德国的ZEISS、LOH、SCHNEIDER、日本的NACHI、TOSHIBA、荷兰的PHILIP等。
国内有许多单位在从事研究和生产超精密加工设备和仪器，如：
北京机床研究所、清华大学、长沙国防科技大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、303所等单位。
北京机床研究所生产的超精密机床特点是：
主轴性能好，精度可以达到20-50nm，刚度可以达到350N/μm；溜板直线性≤0．1μm/200mm；加工件表面粗糙度值小，车铣表面最好可以小于1nm；运动系统分辨率高，可以达到纳米级；商品化程度高。
机床类型包括：
JCS—027超精密车床、NAM—800超精密车床、
SQUARE300超精密铣床和SPHERE200超精密球面加工机床等。
哈尔滨工业大学研制的超精密机床型号为HCM，主轴精度≤50nm，径向刚度220N/μm，轴向刚度160N/μm，导轨Z向（主轴）直线度≤0．2μm/100mm，X向（刀架）直线度≤0．2μm/100mm，X、Z向垂直度≤1"，加工工件精度形面精度（圆度）≤0．1μm。
超精密制造技术将沿着三个方向发展：
（1）在尖端技术和产品的需求下，开拓新的加工机理，进入到纳米级和亚纳米级加工精度。
（2）在国民经济发展和人民生活水平提高的需求下，进入国民经济主战场，提高国家的经济实力。
如汽车制造、计算机、通信网路、光盘、家用电器等均紧密依赖于超精密制造技术的支持。
（3）现代制造技术的发展，学科交叉、复合加工技术的特点日益突出，精密加工和超精密加工不仅作为一门独立的学科发展，而且会以更多的交叉学科形式出现，甚至形成新的学科。
例如：
精密特种加工技术、纳米制造技术等就包含了多种学科。
超精密制造技术的发展将促进国民经济主要领域和高技术各相关领域的发展。
2影响表面加工质量的若干因素分析
表面特征是控制工业产品表面质量的主要内容，它是实际表面上某些典型偏差的综合。
超精密加球面质量，主要包括粗糙度、波纹度和面形精度，三者是根据表面测量的空间尺度和频率不同来划分的。
一个复杂的表面轮廓可分为3类空间频率成分：
表面的低频分量（面形）、高频分量（表面粗糙度）、介于此二者之间的中频分量（波纹度）。
因为零件的表面质量是影响其使用性能的最重要因素。
对于光学表面而言，面形误差反映光线经表面后走向的准确性，波纹度和粗糙度则与表面散射有关，特别地，波纹度与小角散射有关。
对于成像系统，小角散射会产生像散，使像面模糊，降低系统的分辨率；对于反射系统，波纹度反映了表面的不均匀程度，它会造成镜面反射及散射不均，这在某些应用中是至关重要的。
在超精密车削中，很多因素都对表面加工质量有影响。
如刀具的几何参数、主轴回转精度、溜板运动精度、自振与隔振、系统稳定性等。
这些因素自身具有一定规律性，这些有规律的影响因素以其固有的规则对表面加工质量产生影响。
为了实现超精密车削必须对切削用量进行优选，因而需要预测将要获得的表面粗糙度。
通过对表面粗糙度影响因素分析模型理论的研究，可进一步进行机床、单元部件、刀具、切削机理和切削工艺的研究。
六：
镜片射出成形。
镜片射出成形同普通黑色零件有明显的区别：
1．一般射出采用电动高精密注塑机。
2．模具需要加温装置（电热/油温度控制）
3．射出速度，压力都比较小。
4．对射出工程的工作环境要求非常严格。
一般使用的是万级或千级的无尘室。
甚至有使用100级或10级的。
5．对自动化程度要求高。
下图是常见的两种精密电动射出成形机。
日本FANUC电动成形机日本SOMITOMO电动成形机
成形的整个过程中塑料产生了相变化、密度变化、温度变化及压力变化。
为了要能掌握塑料变化的情形，除了要了解材料的加工性质外，运用实验计划法分析成形条件的趋势，更是精密成形的关键。
成形技术的目的，是希望成品能够有良好的再现性，并符合形状精度要求。
前者需要的是成形条件范围大，机台和模具的精度及稳定性高﹔后者需要成形收缩变形小，成品对称性高。
这些要求除了需要良好的成形技术外，也需要模具技术、硬设备及环境的配合。
1．图表是作者多年光学成形经验的总结：
干涉条纹NG现象
R值不良现象
干涉条纹NG现象
R值不良现象
球面
条纹变形
偏大
条纹无法全部拉开
偏小
不良原因
模具温度过高
压力/温度过高
模具温度过低
增加即可
调整方式
降低温度/压力/速度
降低即可
提高温度/压力/速度
增加即可
上图表叙述的是球面发生成形不良现象的对策方式，由于具体象限现象各有不同，实际情况还看现状为准。
球面机能主要的不良为面精度NG即干涉条纹NG，干涉条纹的不良状况一般就是上面图片的两种情况。
对策方式也基本相同。
球面的面精度还与模具的离型有很大的关系。
但离型NG的时候，LENS被顶出的过程就产生的变形，导致表面扭曲，从而是面精度不良。
有时候模具的逃气也直接会导致面精度不良。
譬如当逃气不良的时候，LENS的表面就无法转写CORE的表面，从而导致表面发生变化，造成不良的发生。
2．非球面不良现象及对策方式。
P-V（RT）不良（镜片凸面）
P-V（RT）不良（镜片凹面）
非球面
测量的误差图形为凹的形状
测量的误差图形为凹的形状
不良原因
模具温度，成形保持压力过低
模具温度，成形保持压力过高
调整方式
提升温度/压力/速度
降低温度/压力/速度
P-V（RT）不良（镜片凹面）
P-V（RT）不良（镜片凸面）
非球面
测量的误差图形为凹的形状
测量的误差图形为凹的形状
不良原因
模具温度，成形保持压力过低
模具温度过高
调整方式
提升温度/压力/速度
降低温度/压力/速度
上面的图表是以LENS的实际设计轮廓作参考来调整的，成形者必须确定LENS的实际形状再做判断，从而在作调整。
总的而言，LENS的射出成形以多段射出，多段保压，多段计量，低速低压为准则，尽量避免高温，高压，高速的出现，从而提高精度，延长模具的寿命。
六：
测量
非球面镜片测量除外形尺寸与其它类型零件相同外，其它各种特殊的规格必须使用特殊的仪器来测量。
1．偏心测量
偏心可分为透过式偏心和反射式偏心两种。
其中透过式偏心采用偏心显微镜测量。
下图是目前行业使用的几种偏心测量仪器：
德国TRIOPTICS
2．面精度的测量
面型是光学制造中的重要精度指标之一，简单来说是表面不平整度；这就好像铺水泥路面，铺的好的表面很平整，没有坑坑洼洼，车子开过去好的路面很平稳、不好的坑坑洼洼的，就颠簸得厉害！
面型的两个参数PV和RMS值，PV是表示路面的最高处与最低处的差值，RMS值是全部路面高低的平均值；因此PV值能够做到0.1个波长，RMS值至少在0.02左右，一般来说，PV值是RMS值的6-8倍。
目前很多商家说出所谓的1/8波长或1/10波长实际上多指RMS值，其PV值往往达不到1个波长，而良好的天文观测器材应该具备PV=1/2波长才算是精度比较好的。
在实际中，光学图纸对光学零件的要求用光圈数（N）和局部光圈表示，而在加工出来后用zygo干涉仪检测却是pv和rms值,用ZYGO可以测出光圈，局部光圈，PV。
RMS。
不同的设置测出来的是不同的。
并不是出来的都是PV。
光圈和PV的关系是：
光圈好的。
PV肯定好。
PV好的。
光圈不一定好。
PV是光圈的波峰和波谷的相对值。
不考虑局部误差的影响。
说光圈时一般要考虑局部光圈误差的影响。
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用ZYGO仪器测量光学零件的光圈（N）,读的不是很准，要读的话就是软件上面surfacemap中的power值，不过要把单位转化成光学单位。
至于局部光圈读profilemap中的pv直，很准确，把surfacemap中的line放在最高点和最低点位置，看高或低所占的pv的比例就行.BOvF9rb
图纸中的光圈数是加工元件与样板的偏差而产生的干涉条纹数；而干涉仪测量时，参考球半径（类似于样板半径）可变，条纹多少是可以变化的，测量结果（PV和RMS值）是加工元件与最接近参考球的偏差.v!
`"X+
一道圈是面型偏差有二分之一个波长大小,546.1nm是标准波长,PV是面型偏差的最大值,除以546.1就是几分之几波长,和二分之一个波长比较,有几个二分之一波长就有几到圈.C/7'w|w~E
总之呢，光圏和PV、RMS是两种不同的评价标准。
局部光圈如果作为PV来评价的话，是比对的PV值还要高。
3．
2．1非接触式测量（球面干涉仪器）
FUJINON干涉仪器ZYGO干涉仪
球面干涉仪器是鉴定球面面形精度的快速准确的工具之一，属于非接触式测量。
在测量的过程中不会造成工件（镜片）损伤。
2．1接触式测量
Taylorhobson轮廓测定误差仪器是英国TAYLOR公司的一款十分精确的轮廓测量仪器。
根据不同的规格它可以测量不同外形的LENS，测量数据包括P-V（RT）形状误差，RA表面粗糙度等等。
测量精度可以达到0.15um.
2．1．1Taylorhobson
Taylorhobson轮廓测定误差仪器
2．1．2
PanasonicUA3P三次元量測儀是日本松下公司的一宽测量仪器，其特点是可以针对非球面镜片整个表面进行扫略测量，然后生成3D误差形状，而且测量精度非常高，为目前世界上纳米级的轮廓测量仪器的先驱。
PanasonicUA3P三次元量测仪
七：
结束语
非球面镜片的生产和测量技术目前国内还是比较落后，和日本，美国，德国等发达国家还有相当大的差距，无论是在理论上，还是在加工/测量的机器上都有。
希望借此一章小小的总结，能对有需要的同仁有所借鉴。
因资历浅薄，文章中提到许多经验方面的东西难免有误，请各位多多指正。
注：
专业性术语/图片有摘自其它期刊/文章，此处不做详细描述。
塑料镜片成型工艺&测试评价
塑料镜片用模具及其结构
1.塑料在注射机内加热成熔融状态并射出到模具中﹐塑料在模具中冷却后形成固态的镜片。
塑料镜片的模具对镜片的质量影响非常大﹐是生产中的关键因素。
塑料镜片模具有如下几个
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