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Hoya Ohara 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0.01um Ra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.
x?
cH21?1?(k?1)c2H2?A2H2?A4H4?A6H6?A8H8?A10H10?A12H12
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，D4532 FX4727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。