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 第一章：簡介（jiè）

1-1塑料鏡片的優（yōu）缺（quē）點

製品的產量高、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。但近年來由於塑料材（cái）料的研發及射出成形技術的精（jīng）進（jìn），已經大大的改變了這（zhè）個市場。在光學組件的領域中，塑（sù）料鏡片早已進入了高精度的時代（dài），從早期拋棄式的（de）相機鏡片，到現在需要高精度的讀取（qǔ）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（zhǎn）的今天，本文將帶領各位進入塑料鏡片射出（chū）成形的技術領域，了解鏡片（piàn）的開發流程和相關技術。

塑料製（zhì）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（sù）性良好因此耐衝擊﹔因為塑料比重低，因此重（chóng）量相對的較輕，可以讓整個係統重量降低﹔而且成品形狀自由度高，可以將係統的機構組件與光學組件合（hé）並，減少零件（jiàn）數量，並簡化係統組裝程序﹔利用（yòng）這樣（yàng）的（de）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（sù）料的缺點有：溫度特性差：和（hé）玻璃相較，塑料容易受環境影響光學特性（xìng）。因為一（yī）旦耐熱溫度低，熱膨（péng）脹係數大，光學組件就會變形而影響光學特性。精度（dù）較玻（bō）璃低（dī）：塑料由於材料特性的關係，因此不均勻性較高，容易產生收縮變（biàn）形，導致精度（dù）不容易控製。抗刮力差：塑料的機械強度較低，材質的硬度不（bú）像玻璃堅硬，因此抗刮力差。與光學玻璃相較，材料種類較（jiào）少：由於光學玻璃發展已有很長（zhǎng）一段（duàn）時間，所以塑料鏡片和其相較（jiào）之下（xià），材料種類較（jiào）少，而且折射率較低，大約在1.5到1.6之間，分布較狹（xiá）窄。有雙（shuāng）折射現象：造（zào）成光學性能降低（dī）。要有一定的產量才符合經濟（jì）效益：塑料（liào）射（shè）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（dào）一定的產量規模，便不符合經濟效益（yì）。大小受限製：塑料鏡片射出成形（xíng）在∮100mm以（yǐ）上的精（jīng）度不足，會有成形上（shàng）的問題，也可以說（shuō）尺寸愈大，精度愈難控製。

1-2塑料鏡片的應用

塑料（liào）鏡（jìng）片可以應用在相機、數（shù）字相機用的觀景窗、鏡頭（tóu）鏡（jìng）片；投影機、背投式電視用的鏡頭鏡片（piàn）；最好的例子（zǐ）是CD/DVD讀取頭上所用的pickup lens 、 grating lens、DOE，年產量在數億（yì）顆以上；還有LCD麵板上的背光板（bǎn）、導光板也可以看到塑料鏡片的應用；在各種光學係統中，光學組件適合在塑料鏡片上作微細結構，產（chǎn）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（jiàng）低成（chéng）本，精度要求（qiú）與專業儀器相（xiàng）較下比較低（dī），生產量很大而且要求產（chǎn）品（pǐn）輕薄短小，正好符合塑料鏡片的特色。

第二章：塑料鏡片射（shè）出成（chéng）形各類技術（shù） 

2-1光學設計的基本概念

鏡（jìng）片射出成形（xíng）的（de）技術包括了光學設計、模具（jù）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（guāng）學設計上（shàng），通常需要考慮兩個因素：材料的（de）選用和形狀的設計。了解光學設計（jì）的要點與射（shè）出成形之間的關係，在與光學設計者討論時較（jiào）有概念，也（yě）可以（yǐ）對於設計者所設計的鏡（jìng）片可行性及困難度加以評估與判斷。

在選用（yòng）光學（xué）塑料的時候，幾個光學（xué）特性是必（bì）須注意的，比（bǐ）方說：穿透頻譜、反射損（sǔn）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（shì）指射出成形後的穩定性、色（sè）散、雙折射特性（xìng）等。

光（guāng）學塑料的物理（lǐ）特性在光學設計時也需要考慮進（jìn）去，比如說塑料材料的吸水性（xìng）、成形收縮率、玻（bō）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、耐衝擊等。

在形狀設計方麵，光學設計人員（yuán）應考慮塑（sù）料的光學和樹脂特性（xìng）來設計形（xíng）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（qù）設計出易於成形的形狀，讓（ràng）厚薄比、形狀變（biàn）化等保持在一定（dìng）的限度。

我們拿CD和DVD讀取頭（tóu）物（wù）鏡來做例子。從（cóng）這張表格（gé）中，我們可以（yǐ）看到一些關於光學係（xì）統的設計值（zhí）。

NA值（zhí）越大，代表物鏡聚焦角度越大，通常伴隨而來的是曲（qǔ）率半徑更小、厚薄比（bǐ）更大、模仁加工和成形困難度更高（gāo）。厚薄比是衡量鏡片成形難度的重要指標（biāo），當厚薄比越大時（shí），成形收縮越不均勻，越難成形高精度的鏡（jìng）片。有效徑是（shì）指光路真正通過鏡片的口徑大小。鏡片在成形時，由於（yú）厚度和溫度的差異，在（zài）中央與邊緣的收（shōu）縮率會不一致，當有效徑比率（lǜ）越大時，代（dài）表在周圍無效的區域（yù）要越小。最小曲率半徑與有效徑同時考慮，通常就（jiù）決（jué）定（dìng）了最大曲麵斜率，曲麵斜率越大，加工（gōng）範圍及量測誤差也會越大，甚至可能產（chǎn）生刀（dāo）具幹涉或超出可量（liàng）測範圍的問題（tí），這對高精度的鏡片（piàn）是很大的問題。波麵收差是物鏡的規格要求，可以有效的量化鏡片的光學特性，對於物鏡微小的缺陷，都可以由（yóu）波麵收差表現出來﹔因此（cǐ），波麵收差值越小，代表（biǎo）物鏡可容許的誤（wù）差（chà）越小。這些誤差（chà）包含了兩個曲麵的形狀誤差、tilt和decenter誤（wù）差的綜合表（biǎo）現（xiàn）。

這（zhè）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（zǐ），在較低階的鏡片，所允許的誤差值（zhí）為正負3-5%， 但對（duì）精密的鏡片，所要求的（de）值則達千分之0.5-1之間；也就是說，愈精密等級的鏡（jìng）片（piàn），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製（zhì）無法（fǎ）達到精密光學鏡片的要求，特別是近年來塑（sù）料鏡（jìng）片應用範圍（wéi）變大後，光學係統所需要的鏡片精度高、厚薄（báo）比大，更提高了（le）成型技術的（de）困難度。精密（mì）塑料鏡（jìng）片的成形，無論在模具設（shè）計、模仁加工、成形條件及鏡（jìng）片量測上都需要高層次的技（jì）術和設備。

2-2模具技術的基本概念

模具技術含有（yǒu）下列三個要素：模具設計、模具製作和（hé）模仁加（jiā）工。

塑料射出成形的製程是將塑料射入模（mó）具，經過充填、保壓、冷卻三個步驟完成（chéng），因此，如果模具設計不當（dāng），就（jiù）會影響整個製程和成品。模（mó）具設計包含澆道、澆口（kǒu）、排氣、定位、頂出、模溫控製等，對成形的品質量（liàng）都有影（yǐng）響，此外，還需考慮模具材質的摩耗、腐蝕等。

第二個要素是模具製作，我們必須選擇各零件的尺寸搭配（pèi）、加工（gōng）方法及加工程序。

最後一個要素模仁加工，指的是模仁（rén）鍍膜及（jí）鏡麵加工技術，模仁加（jiā）工（gōng）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（jì）術的基本概（gài）念

成型條件的調整，是確保鏡（jìng）片形狀的準確性與穩定性。依據累積（jī）經驗與模擬分析（xī），加上（shàng）實驗計劃及溫壓控製的（de）使用，找出適當的（de）條（tiáo）件組合，達到穩定（dìng）且良好的形狀精度。

隨著鏡片形狀（zhuàng）精度要（yào）求的增加，成形機（jī）條件的再現（xiàn）性的要求也（yě）提高（gāo）了。

2-3量（liàng）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：第一種是量測成品的表麵形狀及粗（cū）度，最常用的儀器為Form Talysurf，它是屬於接觸式量測，因為塑料的硬度、彈性係數比金屬小，如果以金屬（shǔ）相同的（de）量測方式，會因成品變形而失真，所以需考慮塑料特性加以（yǐ）修正，才能增加量測的精度。另一種（zhǒng）為非接觸式量測，也稱為光（guāng）學性能量測，最常使用的儀器為幹涉儀和點像質量（liàng）檢測係（xì）統。量測（cè）時須注意如何設計及架設（shè）量測係統，使量測值能夠正確的（de）反映出如波麵收差等光學（xué）性能。

第三章：塑料鏡片開發流程

鏡片開發流程的第一個步驟為（wéi）光學設計，之後經過審查，考慮（lǜ）這些設計值是否（fǒu）需要（yào）修改；一般在衡量塑料鏡片的成形難度時，主要會（huì）先看（kàn）鏡片的厚薄比及精度要求，再考慮形狀與材料等特（tè）性。前兩者決定（dìng）模具及成形機精度與成形條件的困難度（dù），後兩者則牽涉（shè）到成品的成（chéng）形性。所謂良好的（de）成型性，是指射（shè）出成型所設定的溫度、壓力範圍廣泛（fàn）；塑料流動性佳；脫模容易及成型收縮率小等等。除此，在機台能力、模具精度是否符合（hé）標準，及對於工作的分配、時程的順序也需做好完善（shàn）的（de）安排（pái）。同時，我們（men）亦（yì）會進行光學設計驗證，依據這（zhè）些設計（jì）值直接打樣去做檢驗。

上述條件都通過之後， 即開始進行模具設計，包括（kuò）整體設計、零件設（shè）計、材料選用等。 設計沒有問題，即著手進行模具（jù）製作，相關工作包括製（zhì）程方法、估價、發包、進度追蹤和驗收。整個模具製作完成後，則組裝起來做試模，
然（rán）後以實驗計劃法進行模具和製程的調整，如量測（cè）數據、模仁形狀的補償。此時若有任何瑕疵，則需要修改模具（jù）重新（xīn）設計， 最後經過試產（chǎn），確認（rèn）無誤（wù）後，才進行最後（hòu）的量產階段，依需要去做光學鍍膜（mó）、自動化澆口剪斷等動作。

這裏的圖像可以更進一（yī）步了解鏡片開發流程中的幾個步驟。這是（shì）一個（gè）光學鏡片的外形設計圖（tú），曲麵有個別的光學設（shè）計值，鏡（jìng）片也須訂（dìng）定量測的規格（gé）。而在模（mó）設（shè）計這個步驟，我（wǒ）們看到的是模具的整體設計圖（tú），圖中的各個零件也會有（yǒu）屬於該部分更詳細的設計（jì）圖。（模具製作）之後根據設計圖製作模具，如（rú）圖片（piàn）所示，模具的形狀，一般而言，都大同小異。

模具完成之後，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（yǒu）瑕（xiá）疵，尺寸是否正確。在射出製程中，需要經（jīng）過一些（xiē）調整（zhěng），比如說，我（wǒ）們以田口實驗計劃法，經過實驗及量（liàng）測得到一些數據及圖表，可得（dé）知一些條件（jiàn）參數的趨勢，需要往什麽方向（xiàng）做調整。最後，我們對（duì）成品做各類的檢（jiǎn）測，從量測結果（guǒ）可（kě）以知道（dào）鏡片的（de）形狀精（jīng）度、光（guāng）學性能等數（shù）據。其實，製程（chéng）調整和量測兩個步（bù）驟是相輔相成，經由量測（cè）的數據（jù）去做製程的調整，製程參數調整之後，也必須經過（guò）再次的量（liàng）測。

   第四章：模具技（jì）術

在射出成（chéng）形中，模具是為了得到所要求（qiú）質量的（de）成（chéng）形品而（ér）使用的一種工（gōng）具﹔引申來說（shuō），精密射出成（chéng）形的根本在於高精度的模具。模具的質量是鏡片成形技術的關鍵，也（yě）是整個鏡片（piàn）製造（zào）過（guò）程中，花費最大的部分，不僅需（xū）要（yào）有經驗（yàn）的設計者加以設計，而且也需要製造人員具有精（jīng）密加工以及檢測方（fāng）麵的知識。

模具的技術主要分為兩個部分：模具設計與模具製作。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製，包括成形機、成（chéng）形條件和（hé）成形材料（liào）。整體的模具設計要（yào）注意成形機的尺寸和精度、成（chéng）形條件（jiàn）和成形材料的特性，並考慮到具（jù）有累加性的誤（wù）差，如（rú）平行度、垂直度、同心度，及影響塑料流動的因子，如排氣孔位（wèi）置和澆口形狀，都需要（yào）特別的（de）注意。

此外，模具要達到高精度，在製（zhì）作上就必（bì）須考慮其加工方法、工作機械和模具材料，比方說零件製造的機台、方法、程序是否合宜。因為機（jī）台能（néng）力不足、製造方法或程序有誤，都會直接影響（xiǎng）模具的尺寸精度，很容易導致模具無法達到設計的公差範圍。因此，檢測尺寸精（jīng）度，是確保設（shè）計的不二（èr）法門。

4-1模具設（shè）計

整體設計

在模具的整體設計上（shàng），設計人（rén）員根據鏡片的（de）材質、規格、大小，來設計模具（jù）的大小、結構（gòu）、模穴數量、模穴位置的分布、模溫控製和分模線位置。（澆口澆道圖）澆道（dào）係統也是必須（xū）特別注意的地（dì）方。因（yīn）為澆道的功能是將灌嘴所（suǒ）射出的塑料，在溫（wēn）度與壓力（lì）降低最少（shǎo）的情況下注入模具內，所以此處的設計將會影（yǐng）響塑料在模具內的流動狀（zhuàng）況。澆口是澆（jiāo）道係（xì）統的終點，也是塑（sù）料進入模仁的入口，澆口的位（wèi）置、形狀、尺寸不（bú）隻是對鏡片外觀有（yǒu）影響，對收縮率及尺寸精度影（yǐng）響亦大。澆口設計的好壞較難量化（huà），隻能從成品的質量或量測上看出端倪，好的澆口（kǒu）設計不但（dàn）可以避免外觀上（shàng）的不良（liáng），更可確保形狀（zhuàng）精度（dù），降低收縮變形量，這些可從量測鏡片形狀和光學（xué）性能判斷出來。

材料選用

對於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（qiú）較嚴格，使用不（bú）鏽鋼及STAVAX﹔模座要求比較低，使用易加（jiā）工的鋼材，隔熱板使用耐溫及耐壓（yā）的複合材（cái）料或（huò）陶瓷材料﹔其它零件則依照（zhào）其功能，決定使用硬化（huà）過（guò）或未硬化過的鋼材。

零件設計

在零件設計方麵（miàn），應（yīng）對（duì）鏡片的精（jīng）度要（yào）求與整體設計，將各零件可能影響鏡片質量的因（yīn）素加以控製，比方說尺寸公差、具有累加（jiā）性的誤差，如（rú）平（píng）行度、垂直度、同心度、位置度，還有，影響塑料流動及成形（xíng）收縮率（lǜ）的因素，如排氣孔位置、流道形狀及（jí）麵粗度、澆口形狀等。

4-2模具製造

要達（dá）到模具設計的精度，在（zài）模具（jù）製作時必須考慮周詳，並且確實檢測（cè）重要（yào）尺寸。模具大（dà）致分為模仁、模套、模座及（jí）其配件等三個部（bù）分，各部分與成品都（dōu）有重要的關（guān）係（xì），簡述如下：

鏡（jìng）片（piàn）成品其實是複製模仁的形（xíng）狀及尺寸，所以模仁是模具中決定鏡片質量最（zuì）重要的部分。模仁（rén）的製造是（shì）以STAVAX鍍上無電鍍鎳層做為粗胚，經過外（wài）形研磨，然後使用單晶鑽石切削成品（pǐn）麵以達到鏡麵要求，亦可提（tí）高模仁使（shǐ）用壽命。

模套是結合模仁與模座間的重要零件，目的是獨（dú）立定（dìng）位公母模套，可降低成品錯位的情形，並且在模具需要更換不同用途的產品時，隻需要（yào）更（gèng）換模套，模座依然可以共享。模套的製作是以不鏽鋼材製作粗胚，先加工流道及澆口，最後做模仁及定位孔的加工。

模具中的另一個重要零件為（wéi）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（zuò）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（piàn）的規格，因此模（mó）具要（yào）以嚴謹的方（fāng）式製作，然後再依射出成品所發生的問題點（diǎn）加以修改，始能達到鏡（jìng）片質量優良且穩定。當然，模具本身並不是沒有問（wèn）題，例如經過多次修改﹔使用及拆裝上的磨耗﹔零件鏽蝕，都（dōu）可能造成部分精度已不如原（yuán）先製作的（de）等級了。這時需要的是以量測的數據及形狀判（pàn）斷模具哪個部分的精度發生問題，再尋求補救的辦法（fǎ）。不過這需要深入的分析及探討，以累積判斷的經驗（yàn）。

   第五章：成形技術

5-1成形的流程

整個過程中塑料產（chǎn）生了相變化、密度變化、溫度變化及壓力變化。為了要能掌（zhǎng）握塑（sù）料變化的情形，除了要（yào）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（shì），更是（shì）精（jīng）密（mì）成形的關鍵。

成形技術的目的，是希望成品能夠有良好的（de）再現性，並符合（hé）形狀精度要求。前者需要的是成形條件範圍大，機台和模具的精度（dù）及穩定性高﹔後者需（xū）要成（chéng）形收縮變形小，成品對稱性高。這些要求除了需要（yào）良（liáng）好的成形技術外，也需要模具技術、硬設備及（jí）環境的配（pèi）合。

5-2成（chéng）形的不良原因（yīn）與對策

圖中的表（biǎo）格列舉了（le）一般常見的不良（liáng）現象，以及可能的發生原因，並提（tí）出一（yī）些對（duì）應的解決方案。一（yī）般而言，成品的外觀不良大部分是（shì）射出階段就造成（chéng）了，形狀或光學性能的問題則是在保（bǎo）壓冷卻階段所產生的（de）；無論何種（zhǒng）問題，除了改善成形（xíng）條件外，還需反省模具設計與製作是否正確（què），射出機、模溫機或環境是否穩定。

5-2射出製程開發

在射出製程開發中，我們以田口實驗計劃法為例子（zǐ）。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（yīng）表，我們可以根據響應表（biǎo）看出條件參數的趨勢，每一個英文（wén）字母代表不同的條件，比（bǐ）方說從數據A和B可得知所代表（biǎo）的模溫控製和料溫控製，對射出成形的影響最（zuì）大。工（gōng）作人員可（kě）根（gēn）據這些趨勢做參數調整，以達到質量（liàng）更好的精度（dù）。

第六章：量測技術

基本的量測包括了（le）模仁的量（liàng）測和鏡片的量測。一般而言，鏡片量測又分為接（jiē）觸（chù）式量測和非（fēi）接觸式量測，非接觸式量測（cè）也稱光學量（liàng）測。

塑料的（de）硬度、彈性係（xì）數比金屬小（xiǎo），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（shì）Taylor Hobson 的 PGI Talysurf的（de）量測結果，量測標的為模仁或鏡片曲麵之形狀精度及表麵粗度。因為玻璃模造需要在高溫下進行，因此（cǐ）對（duì）於模仁的材料和（hé）硬膜的選擇需要特別注意。

塑膠鏡片的（de）製作

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