【毕业学位论文】光学追迹应用於塑胶非球面模造镜片收缩误差补偿分析-光电工程

國台灣科技大學 機械工程系 碩士學位文 學號：學追跡應用於塑膠非球面模造鏡片收縮誤差補償分析 究 生：楊權 指導教授：陳炤彰 博士 中華民國九十十二月二十八日 摘 要 本研究目的為結合 學模擬與模分析，對非球面光學塑膠元件用射干涉儀測顯微鏡組的波前誤差，波前誤差分析中包含：波谷值波前誤差(以及均方根波前誤差(描述實際波前的最大光程差，顯示實際波前 與想波前的最大差距，這個值可以用預估系統的像質，代入 項式描述非球面鏡片外形的，使用 鏡片優化後，所得出非球面多項式變化值進補償進回饋式之平均補償，本文研究顯示經過補償後的改善為 40%。 關鍵字：非球面鏡片、收縮誤差補償、光學追跡 to of In ey V). V is to on be is of an 0%. ay 致謝. .要 .文摘要. . .目 .目. .一章 導 究動機. .究目的. .球面鏡發展過程與技術 .究方法. .獻回顧. .節介紹. .二章 光學介紹與光學軟體模擬 . 幾何光學定 . 像差. . 波前誤差 . .學追跡 .型建構分析 .三章 型建構分析 型建構分析 .模前模分析射出設定 .模具溫與塑溫 . 射出設定 . 保壓壓與保壓時間 . 卻時間 .四章實驗設備與程規劃 造及測設備 . 密鑽石削磨機. .電式射出成形機 .測儀器. . . . 波前誤差光學測組 .驗程規劃 .五章 模仁模具設計製作 具設計加工. .片模仁設計加工 .模前模仁檢驗 .模前非球面塑膠鏡片射出實驗準備及取樣 . 實驗準備及取樣 .模前實驗設定 .模前非球面鏡片 3D 干涉儀檢驗 .章 鏡頭製作組裝分析與鏡片測補償 頭機構設計製造 .璃鏡片製作. .片檢驗. .裝前傾斜誤差分析與偏心誤差分析 .頭機構組裝. .模前鏡組波前誤差檢驗 .七章 模仁修正補償 . 化後 非球面塑膠鏡片模分析 .模具溫與塑溫 . 射出設定. . 保壓壓與保壓時間 . 卻時間 .模仁後射出非球面鏡片 3D 干涉儀檢驗 .八章 分析結果與討 析結果討. .九章 結和未研究方向 . .研究方向 .考文獻 . A 0性質表 . B 05密鑽石削磨機規格 . C 涉儀規格 . D 儀規格 . E 式. . 械性質 . G 模具結構表 . H 模具. 表 目 表1 種非球面鏡片的應用範圍與要求.3 表1 獻回顧 .9 表 2項式的係表 11 表 2微鏡組系統規格表 .22 表 2微目鏡鏡組表. 3擬製程設出成形 . 5際射出成形 . 6微目鏡機構 . 6片檢驗值. 61 鏡片翹曲誤差分析與偏心誤差分析值 .75 表 61 鏡片翹曲誤差分析與偏心誤差分析值 62 鏡片翹曲誤差分析與偏心誤差分析值 64 鏡片翹曲誤差分析與偏心誤差分析值 7五次優化過程 變化 88 表 7化前後鏡組各項係表 . 8項補償方式比較 .圖 目 圖 1石床加工鏡片模仁 . 1膠鏡片圖檔 . 1前誤差設計 D 共存光寫 . 2射定與折射定.11 圖 2像差 .12 圖 2差 . 2差 . 2散像差 .14 圖 2曲像差 . 2變 15 圖 2前誤差的計算 .16 圖 2實光線與近軸光線軌跡比較圖 . 2線追跡示意圖 . 2微鏡組光設計圖 . 25 圖 3擬分析程 . 3析程 . 28 圖3格統計 . 3成道、澆口、進澆點設定 3.3.0N . 3球面鏡片尺寸圖 . 4密鑽石削磨機 38 圖 3本 15 射出成形機 . 4灣信昌烘機 .圖 4特電熱控制器 德國 熱棒 . 4涉儀 P 4儀 . 4前誤差測光學儀器架構圖. 47 圖 4驗程規劃圖 . 48 圖 5具前方整體外觀圖 50 圖 5具後方整體外觀圖 . 50 圖 5母模仁示意圖 . 5仁成品圖. 52 圖 5石刀加工 仁圖 . 5仁測圖. 5模仁前公模仁檢測點資 . 5模仁前母模仁檢測點資 . 5溫穩定示意圖 . 5驗取樣間距示意圖 . 5式測試程圖59 圖 5學投影檢測儀 .60 圖 5投影測 向及 向 2D 定義圖 60 球面光學投影檢測 向擺放圖 61 圖 5球面光學投影檢測 向擺放圖 61 圖 5模前 向投影測值二維曲線圖 62 圖 5模前 向投影測值二維曲線圖 62 圖 6顯微鏡組機構組裝示意圖 63 圖 6顯微目鏡機構組裝完成圖 64 圖 6意圖 .64 圖 6意圖 .64 圖 6意圖 .65 圖 6意圖 .65 圖 6意圖 .65 圖 6意圖 .66 圖 6品圖 .67 圖 61品圖 .67 圖 61品圖 .67 圖 62品圖 .67 圖 63品圖 .67 圖 6品圖 .67 圖 61 鏡片規格及尺寸標註圖 .68 圖 62 鏡片規格及尺寸標註圖 .68 圖 63 鏡片規格及尺寸標註圖 . 6學元件製作程 69 圖 6璃圓整加工示意圖 70 直徑與鏡片的幾何關係70 圖 61 鏡片 曲 R 干涉儀檢驗測值 . 61 鏡片 曲 R 干涉儀檢驗測值 72 圖 62 鏡片 曲 R 干涉儀檢驗測值 73 圖 63 鏡片 曲 R 干涉儀檢驗測值 73 圖 63 鏡片 曲 R 干涉儀檢驗測值 74 圖 61 鏡片偏心誤差分析結果 形 75 圖 61 鏡片翹曲誤差分析結果 形 75 圖 61 鏡片翹曲誤差分析結果 形 76 圖 61 鏡片偏心誤差分析結果 形 76 圖 62 鏡片翹曲誤差分析結果 形 77 圖 62 鏡片偏心誤差分析結果 形 77 圖 63 鏡片翹曲誤差分析結果 形 78 圖 63 鏡片偏心誤差分析結果 形 78 圖 6微目鏡組裝爆炸圖 .79 圖 6模前非球面波前誤差檢測圖 .80 圖 6模前非球面波前誤差 資圖 7重建非球面鏡圖形 86 圖 7化 88 圖 7分析翹曲模擬圖分析圖 .91 圖 7模仁後母模仁檢測點資 . 7模後 向投影測值二維曲線圖 .X 模後 向投影測值二維曲線圖 93 圖 7仁補償後測的 . 8球面形示意圖 1第一章 導 究背景 目前工業用光學鏡片以使用材及其製造方法區分、主要有傳統之人工研磨玻璃鏡片、模造玻璃鏡片 及塑膠射出成形等三大。傳統鏡片的人工生產方式以一的磨、 研磨、拋光等程式製作鏡片，僅加工過程緩慢又涉及相當多的技術， 尤其非球面鏡片製作容，因此模造玻璃及射出成形成為生 產非球面鏡片產的重要技術，者的共同點皆是用模仁及模具，以壓模或射出成形，所製造的產生的鏡片已具錯的品質，而且可低生產時間和材的成本。在如此高密的光學鏡片而言，對其模仁形與表面粗糙的要求是要非常嚴謹，表 非球面鏡 片應用與的要求。在非球面鏡片模仁加工部分仍以鑽石削為最典型的應用。早期的超密鏡面加工用單晶鑽石刀做平面鏡與多面鏡之銑削加工、感 光轂之削加工，加工材為軟質之鋁合、無氧銅、磷青銅等，此之產品大多使用於射反射鏡與射印表機上。再發展非球面加工技術，用刀尖 R 為 ，可達到形 面粗糙 非球面。無電解鎳表層之硬可達上，可直接當做射出模仁進產射出 1。 使用鑽石削方式可提高模仁 產能及低生產成本，加工後模仁可使用如粗儀或者干涉儀測， 能使工件的表面粗於非球面的模仁能加準確的掌握，但在模仁加工誤差估算時，目前多以近似法求得，但是近似值的求法依舊無法完全解決塑膠鏡片的補償，主因在於射出過程中依舊存在收縮、翹曲、變形、內部應，因此傳統方式的補償方式並能完美的解決模仁補償的問題2。 在光學上光程差也稱作波前誤 差，以光的波動性用幾何波前探討像差，光程差圖像化似於光線追跡曲線，光程差分析中也包含個重要的的統計資；波谷值波前誤差(及均方根波前誤差(描述實際波前的最大光程差，顯示實際波前與想波前的最大差距 3。 基本上，可以用預估系統的像質，而像質的好壞與鏡片的外型及尺寸有密的關係，外形是有翹曲、變形、或者偏心，容造成像質的品質，因此本文就前段所提出的光學，觀察光程差分析中最重要的 作為主要的光學像質判斷的依據。而項式可以把所觀察 的波前誤差以學模式表達出，本文把項式所構成的單位 圓內極座標及的正交基底。對一個潛在性相當複雜的鏡片外形的測波前提供一個簡約的描述（只需 n 個係） 。如果註記第 i 個 項式為 ,)則整個波前形如： (1 在此 。 究目的 本文用 部所含的 項式，推算出光學誤差並以此誤差，描述所測的鏡片外型，再用 化鏡片的外型將優化後的鏡片多項式，進模仁加工以藉以修正光學徑以及修正塑膠鏡片的外型，項式，如 2所示，其推導及介紹於 作詳細明。 2 表 1各種非球面鏡片的應用範圍與要求 2 非 球 面 鏡 片 超 高 高 中 低 形 0. 1 m 1 m 12m 26m 材質 玻璃 塑膠 玻璃 塑膠 玻璃 塑膠 玻璃 塑膠 用 途 1. 光碟機用物鏡 2. 影碟機用物鏡 3. . 光碟再生用物鏡 2. 射唱盤用物鏡 1. 史密特透鏡 2. 攝影機用透鏡3. 單眼相機用交換透鏡1. 照相機取景透鏡 2. 拍得相機用透鏡 3. 自動距焦用測距透鏡1. 雙眼鏡用物鏡2. 眼鏡 3. 投影透鏡 1. 低價格用雙眼鏡透鏡2. 投影電視光學系統的一部份使用 3. 用一次即丟照相機用透鏡 1. 眼鏡 2. 光源用光透鏡 3. 照明用透鏡 1. 眼鏡 2. 玩具用透鏡 3圖 石床加工鏡片模仁 球面鏡發展過程與技術 非球面透鏡依材質可以區分為 塑膠透鏡、玻璃透鏡及複合透鏡。就製作的方法上，塑膠透鏡可以 用密削法及射出成形法製作。在少生產或製作 情況下，鏡頭組業者並會考慮開模生產，所以，一般在這樣的情況下，是以密削法生產或製作出所需的塑膠非球面透鏡。 如果是大生產時，就會用射出成形製作，而模仁材的部分大多是使用高硬鋼材，或在高硬鋼上披覆鎳層。如果，鋼材沒有披覆鎳層就必須用研磨的方式製作模仁，但是目前比較少業者採用這樣的方式。以台灣，大多是使用削的方式製作非球面鏡片，因為用削的方式，生產速較快 ，而且生產出鏡片的準較佳。 玻璃透鏡的製作，分為密研磨法和磨造成形法。密研磨法是必須用超密加工機或非球面研磨機製作 ，最後再經過非球面拋光製程，但此做法的缺點是在產性相當低，而 且對於技術人員的要求比較高。 如果要求高產性的話，就必須採用模造成形法，目前常用的模仁的材質有碳化鎢和碳化矽，由於用碳化鎢和碳化矽製作模仁材，需要在模仁表面上塗上一層形膜，以提高模仁的壽命。所以，目前日本有些研究部門已經開始用陶瓷材製作模仁，以低玻璃材黏著在模仁表面的機會5。 究方法 先建非球面光學塑膠元件（圖 1，以模分析建實驗分析並設定分析，模分析結束後製作模 仁，取回模仁後再做模仁檢驗，檢驗結束後，做射出成型，一般塑膠會有收縮的情況發生，因此在成形後通常需做模仁補償的動作，本研究方法採用波前誤差之方式模擬模仁收縮補償之方式，於射出成形後取一最佳設定設出之鏡片，組裝於目鏡鏡組上，鏡組為輔助的測物件組裝於鏡組測，在於用整組鏡組有聚焦的功能，做射干涉儀測之後可得出一組 這些 用 體中所內建的 fr 能，輸入 建非球面形，並用 優化做模擬分析，由於本研究為用 仁收縮補償，因此在本文中是以 為比較優化前後的考依據。 圖 1膠鏡片圖檔 5 獻回顧 1999 怡緯6提出 變焦式位相機鏡頭設計概，藉由體分析演算，設計變焦式的位相機鏡頭。 陳炤彰、昭宏7非球面塑膠鏡片模具收縮之研究藉修改模仁設計以改善成品之翹曲。 射出過程中，塑膠經由模具加壓形成與模仁形相同的產品，可 經由修改模仁表面控制變形程。 2002 張為根2用模擬退火法架構，經過修改之後將它應用於非球面，也就是將測的 鏡片模仁外形點資，用改後模擬退火法求得模仁的設計 ，將所得到的設計，模擬近似非球面的曲線，用此曲 線與原設計值所得曲線與照球面，進模仁加工的誤差分析。 2004 等人於日本應用物期刊發表一篇用波前誤差測的方式，設計一款 D 共存的光高畫質寫頭，該篇期刊設計時採用 780 nm D 60 nm 組取鏡頭為片鏡片，第一片 的鏡片為塑膠製鏡片，第二片鏡片為玻璃鏡片， 取時是由種同波長的光所取的，因此規劃第一階的光是被用取 二階的光是被用取 種波長的光必須用片鏡片就可以取種同規格系統的光碟資， 因此該篇期刊就以波前誤差的方式作為整組鏡頭的設計手法，依照該篇期刊的描述，依據波前誤差作為分析光學徑的方式 可解決種同波長共存在同一套光學鏡片中，如圖 1示。 圖 1前誤差設計 D 共存光寫頭 2005 曾淑9用模 軟體及田口實驗設計法求得單軸向之最佳翹曲，並同時應用 產品之收縮誤差作補償分析，其結果能達到 85%之改善 ，如圖 1示 。 圖 1口實驗設計法求得單軸向之最佳翹曲 2003 訊技科技10， 學設計程式使用手冊。 2006 高旭麒11提出繞 射光學元件微射壓成形之研究，該文在探討製作塑膠繞射光學元件成品，探討微射壓成形製程對繞射光學元件表面微溝槽成形性之影響 ，如圖 1示 。 7 圖 1射光學元件微射壓成形之研究 2007 顏潁盟12提出分析平板出成形之表面微觀結構轉寫及巨幾何尺寸之複製，主要在同時考成品微觀的微結構轉寫與巨觀的幾何形之關係；使用三種同程表面粗 糙近似隨機分佈之微結構。 1997 黃國政13等人於中華民國專發明中提出虛擬補償之非球面測法，該文用 項式或 項式設計一波前虛擬誤差，再將該波前虛擬誤差反向補償於 一非球面物體之實際測誤差，以獲得該非球面物體之形誤差。藉由該文所提供之測方法，可節傳統上以干涉儀測非球面面形另需額外購製的光學補償鏡頭或電腦全像片成本，再者其實用性及性亦可廣泛應用於相關自動化光學測試產業 ，如圖 1示 。 圖 1擬補償之非球面測法 8表 1獻回顧 作者姓名 代 內容 張為根 2002 用模擬退火法架構，將所得到的設計，模擬近似非球面的曲線，用此曲線與原設計值所得曲線與照球面，進模仁加工的誤差分析。人 2004 用波前誤差測的方式，設計一款 D 共存的光高畫質寫頭。 曾淑 2005 用模軟體及田口實驗設計法求得單軸向之最佳翹曲。 黃國政 2005 探討非球面的外型檢測，以及光機電整合系統概。 高旭麒 2006 繞射光學元件微射壓成形之研究。 顏穎盟 2007 平板射出成形之表面粗糙與幾何尺寸之複製性分析研究 訊技科技 2003 學設計程式使用手冊 黃國政等人 1997 於中華民國專發明中提出虛擬補償之非球面測法 9 節介紹 本研究主要用光學軌跡達到模仁補償目的並結合非球面形探討其補償手法，其詳細的內容分別在第 三、四、五、章中詳細敘述。 第二章主要是幾何光學、以及的基本介紹最後用 學設計軟體進設計，以及解釋波 前誤差與模仁補償之間的關係。 第三章介紹本研究中使用 模的分析。 第四章介紹本研究中使用的製造設備與測機台，進而介紹整個文的程規劃，針對前一章的光學設計建鏡片 ，進而進模仁與模具的設計加工。 第五章介紹模仁模具設計製作，所使用的模座結構、設計，以及本實驗最重要的模仁部份，從外型尺寸設計、模仁鍍鎳、超鏡面加工，本章節最後也介紹將修模之前所射出的成品做 3D 測以及鏡組的波前誤差測作明。 第章介紹鏡頭製作設計與測試，從顯微鏡組的機構設計到，製作加工，以及組裝前的傾斜誤差分析及偏心誤差分析，到玻璃鏡片的設計檢驗。 第七章介紹模仁修正補償，本章節開始介紹如何將 代入 體中，並用軟體做非球面係的外型補償，並且將補償後的非球面鏡片再做一次模分析，以及模仁修正外型，並且做修模後的射出成形，並且再將非球面鏡面再做一次修模後的 3D 外型的測以及修模後的顯微鏡組波前誤差測。 第八章介紹誤差分析結果與討 第九章是介紹未研究方向的建議。 第二章光學介紹與 光學軟體模擬 本章節主要介紹以電腦的快速運算，以 體建分析成像的系統、以及分析需要做塑膠 射出成形的光學元件。 何光學介紹 何光學定 幾何光學可分為三個基本定。第一、光的直線傳播定：光在均勻介質中會沿著直線傳播，且其光程為可逆的。第二、光的獨傳播定：當同光源出發的光線交錯時會各自沿原先的徑前進，獨無干擾。第三、光的反射折射定：光線在介面反射時入射角等於反射角，穿透同介質時會有折射現象14，根據 s 2211 (2式中， 、 分別為種同介質的折射， 、 分別為在這種同介質介面上入射角與折射角，如圖 3示。 12射定與折射定15 11 差 像差是實際像與想像的偏差， 1856 即提出像差的，光學像差大致可分為大： (1)因入射波之波長同造成材折射係隨之改變所產生的色差 (包括縱向色差與橫向色差； (2)因透鏡形式所產生之像差，包括球差 (彗差 (像散 (場曲 (of 畸變 (。鏡頭設計的第一要素就是對像差進解和控制，本文將對上述的像差做個簡單介紹14。 光線在進入透鏡時，因同波長的光波在透鏡中有同的速，使得折射也隨之改變，造成透鏡焦距隨光波長改變而有縱向色差，成像放大隨光波長改變而產生橫向色差，如圖 2用消色差的方法為選用色散係差較大之材質組成雙透鏡。 圖 2像差15 球差可定義為焦點隨通光孔徑的變化。上，一個完美的透鏡可將平光軸上所發出同高的光線匯集於一點，但如圖 2示，球面鏡主光線與邊緣光線成像點同導致成像品質下，此一偏即為球差。通常曲光能越大的鏡片球差越大，可藉由增加鏡片或者搭配非球面鏡片使用消除球差。 圖 2差15 軸光線進入鏡片時，隨著視 角及入射光高同而造成焦長及橫向放大的改變，因此無法聚焦於一點，呈現如彗星的像差，會隨著入瞳口徑增大而增加，如圖 2為弧矢慧差與子午慧差種，可藉由控制入射角和調整光闌的位置以及鏡片正負曲相互補償進消除。 圖 2差15 自軸外物點之細小光束經透鏡折射後形成互相正交的條焦線，又分向與徑向種( 圖 2像點聚焦在向焦平面上則徑向影像變模糊，反之，當聚焦在徑向焦平面則向變模糊。像散的大小取決於光束的入射角。 圖 2散像差15 of 場曲與像散是各相關的像差， 造成場曲的原因為成像距隨物高改變，使成像點位置同成為一彎曲面，如圖 2藉由正、負透鏡的結合消除場曲。 圖 2曲像差15 球差、慧差、像散、和場曲能影響單色光成像的清晰，另外還有一種影響清晰的單色像差像差，此像差使的像在是物的相似形，謂之畸變。造成畸變是因為放大倍隨物高或視場角改變，而造成影像的變形，如圖 2示。當像點所在位置較想位置遠光軸則畸變為正，稱為針插畸變 (實際像點位置較想位置近於光軸時則畸 變為負，稱為筒形畸變 (常發生在廣角鏡頭上。 圖 2變15 前誤差 (光程差 (稱為波前誤差14，根據波前誤差 (定義，圖 2 S 與之間的差距，如 ，就可定義出一種像差表示法。事實上波前誤差的概由此而生，在出光瞳波面的失圓(代表波前像差的大小。很明顯的，光束通過系統後在出光瞳(或最後介面)所產生的光程差能有解答時，就是波前誤差的最佳答案值。圖 2的 段即為所求，其中設 虛線球面為考面；主光線的光程為 ；光線 a 之光程則為 ，但 ，且 ，故波前誤差之值可藉由描光值代入下算式而得： W= 15 = - 所以波前誤差W 因為光程差可以在每一個介質中 獨計算，故系統中每一介面上所得之波前誤差總和等於系統總波前誤差，即 W(總和) =W(介面1) W (介面2) W (介面3) .。 圖24 17,18在光學檢測應用上，它可以代表一種波前像差，並以函 的正交特性將測的實際波前做擬合 。