自由曲面光學(xué)透鏡注射成型誤差因素研究

張錦標(biāo)，王弼來，張海文，彭泳鑫，王春林

（深圳明智超精密科技有限公司，廣東深圳 518000）

相比于常規(guī)的光學(xué)成像元件，光學(xué)自由面體系統(tǒng)擁有獨(dú)特的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以大幅改善光傳感成像特性，如改正畸變、降低成像偏差、增加視野范圍等，進(jìn)而提高圖像質(zhì)量，目前已經(jīng)形成了新型光學(xué)系統(tǒng)的核心部件。由于光學(xué)自由曲面必須對(duì)光源實(shí)現(xiàn)精密檢測，其邊形狀研制與應(yīng)用需要對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度作出嚴(yán)苛的要求。

高度精密性自由曲面光學(xué)塑膠透鏡制造質(zhì)量主要取決于光學(xué)系統(tǒng)與器件的總體設(shè)計(jì)、精確注射模型的設(shè)計(jì)制作、注射裝置的選型、與注射工藝技術(shù)參數(shù)組合相匹配的優(yōu)選技術(shù)，以及模型和注射工件材料的精確測量等重要工藝技術(shù)條件。在高熱塑性光學(xué)塑料透鏡注射成型流程中，要掌握的重要工藝技術(shù)參數(shù)較多。文章將著重考察對(duì)收縮率和殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響很大的一些因素，如灌注環(huán)境溫度、模型環(huán)境溫度、灌注氣壓、保壓力，以及保壓時(shí)效問題等重要工藝技術(shù)參數(shù)。并進(jìn)行分析，深入研究它對(duì)注入工件材料收縮率和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生影響以及相互之間的控制關(guān)系。同樣，對(duì)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了注射成形的試驗(yàn)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，表明理論分析研究結(jié)論是合理的。因此.該結(jié)論可用作模具設(shè)計(jì)和工藝流程管理的指導(dǎo)準(zhǔn)則。

1 相關(guān)概念概述

1.1 自由曲面光學(xué)

20世紀(jì)50年代以來，由于軍事和民用光電子等科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，各種更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)也紛紛問世，并對(duì)現(xiàn)代成像體系的性能、圖像質(zhì)量、體積和比重等技術(shù)指標(biāo)都提出了更高的要求。如在航空航天方面所使用的離軸折返式光程中，由于系統(tǒng)的不對(duì)稱性會(huì)產(chǎn)生更多的不對(duì)稱性和更大的象差，因此必須將光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展為一個(gè)非常薄和非常簡單的方面，這是傳統(tǒng)球面和對(duì)稱非球面材料系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)，歷史上的場景開始通過表面的自由形式，形成了更高層次的非球面材料體系。

獨(dú)立曲面通常指沒有了轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)軸的復(fù)雜非常規(guī)連續(xù)性曲面，又或者，它也可以是任何形狀的表面。顯然，不管在初始結(jié)構(gòu)計(jì)算、自由面型定義、系統(tǒng)優(yōu)化還是在制作工藝上，對(duì)自由曲面都無法把握。

自由曲面與球面或非球面相比，自由曲面具有更多的自由度。因?yàn)樽杂汕婀鈱W(xué)打破了對(duì)稱性，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了更多的可能性，使得光學(xué)元件的幾何形狀更加復(fù)雜，并且需要使用參考結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向。得益于現(xiàn)代化的制造和測量設(shè)備，Asphericon 非球面還可以生產(chǎn)非常規(guī)的Asphericon 自由曲面和系統(tǒng)，使得在自由曲面光學(xué)的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更多的可能。通過非球面的創(chuàng)新技術(shù)，Asphericon 在自由曲面光學(xué)的應(yīng)用上有以下一些優(yōu)勢：材料（包括陶瓷）中的常規(guī)形狀；透鏡、反射鏡、直徑達(dá)300mm 的單片元件；多焦點(diǎn)、緊湊型系統(tǒng)；出色的表面質(zhì)量（至少達(dá)到RMSi50 nm）；無CGH 測量；單獨(dú)的涂層和安裝；針對(duì)生產(chǎn)而優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由于自由曲面光學(xué)具有特殊的表面形狀，還可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)器件無法實(shí)現(xiàn)的功能。特別是對(duì)于小型光學(xué)組件，例如整體式組件。這在折疊光束路徑時(shí)較為有利，并且可以替代現(xiàn)有的裝置，例如反射鏡系統(tǒng)。

1.2 自由曲面的光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化

優(yōu)化階段也是光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)階段之一，利用優(yōu)化能夠改善圖像品質(zhì)和調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。針對(duì)幾何光學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在優(yōu)化階段還可以采用光源測量。我們通過對(duì)各個(gè)空間和開放區(qū)域上的光源進(jìn)行取樣，并逐個(gè)追蹤它們在表面上的路徑，進(jìn)而計(jì)算各個(gè)表面上光源的相對(duì)位移，從而計(jì)算并監(jiān)控整個(gè)體系的相對(duì)偏移。同樣，在調(diào)整過程中，還需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化變量收集到相應(yīng)的數(shù)值，從而使整個(gè)系統(tǒng)的整體圖像質(zhì)量誤差向局部變化最小的方向偏離?？砂凑展馐鴾y量結(jié)果的類型重復(fù)上述過程。當(dāng)每次重復(fù)后，應(yīng)測量每個(gè)變量中圖像質(zhì)量限制的差值，并修改或優(yōu)化測量參數(shù)。這樣，檢測到的光束越多，描述曲面形狀的參數(shù)越復(fù)雜，重復(fù)計(jì)算的次數(shù)就越多，因此系統(tǒng)的收斂速度最快。然而，由于自由曲面系統(tǒng)的自由度很高，因此有必要仔細(xì)采樣每個(gè)視野和光圈中的光，以避免在小面積內(nèi)突然發(fā)生曲面變化。因此，自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化通常比一般球面或非球面系統(tǒng)的優(yōu)化困難得多。雖然現(xiàn)在電腦性能已經(jīng)越來越強(qiáng)，大部分工作都能夠讓電腦自行完成，但是一些相當(dāng)復(fù)雜的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)，往往也要數(shù)天的時(shí)間才優(yōu)化完畢。

因?yàn)槠囎杂汕鎯?yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需要集中考慮視野，所以汽車圖像曲面的總體圖像品質(zhì)將無法控制。而如果手動(dòng)設(shè)置平衡，系統(tǒng)的整體圖像品質(zhì)將非常復(fù)雜和耗時(shí)，并在較大程度上依賴設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。目前，圖像級(jí)和整體圖像效能之間的自動(dòng)平衡算法已經(jīng)能夠很有效地降低這部分的實(shí)際工程量了。該方案的主要思路就是，通過某種方式對(duì)各視場的評(píng)價(jià)參數(shù)分配不同的權(quán)重。使用這種技術(shù)既能夠使整體系統(tǒng)在每個(gè)觀察點(diǎn)范圍內(nèi)都達(dá)到相對(duì)均衡的圖像效能，而且還能夠提高整個(gè)系統(tǒng)總體的圖像處理效率。

2 光學(xué)透鏡注射成型誤差因素分析

2.1 注射溫度

如果注射產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)規(guī)格一定，注入壓力和灌注時(shí)間不但與注入體系的構(gòu)造和尺寸相關(guān)，還與熔體溫度和模具溫度相關(guān)。所以，合理地增加注射溫度和模具溫度以促進(jìn)模具填充流動(dòng)十分有益。同時(shí)，表觀熔體強(qiáng)度也隨著注入溫度的增加而呈指數(shù)減小。由于減小了沖擊程度，熔體也更易于流出填充模。但是，由于灌注溫度越高，熔融熔體在注入到模腔后的溫度變化越大。在注射進(jìn)模腔后熔融的液溫分配不平衡，很易導(dǎo)致注射工件熱收縮不均勻，結(jié)果產(chǎn)生了殘余內(nèi)壓和雙重裂紋，降低了工件的視覺應(yīng)用特性。并且曲面造型的精確度也無法達(dá)到一定的要求。為了改善塑料注射透鏡的光學(xué)性能和表面處理，應(yīng)適當(dāng)提高注射溫度和注射壓力。醫(yī)用聚合物熔體應(yīng)壓縮在模型的光學(xué)表面上，以減少其痕跡模具填充的流速，使塑料透鏡與模型的光學(xué)表面具有相同的涂層。

2.2 模具的溫度控制

當(dāng)模具溫度升高時(shí)，冷卻周期將增加，這將降低設(shè)計(jì)的總體效果。然而，模具溫度調(diào)節(jié)越高，在相同型腔和截面寬度下，熔融金屬的溫差越小。隨著冷卻時(shí)間的增加，注入腔內(nèi)的聚合物分子的深度方向關(guān)系被解除，從而獲得折射率均勻的有效光學(xué)透鏡。同樣，通過合理地提高模具溫度來改善光學(xué)透鏡產(chǎn)品的表面處理也是非常有利的。而且因?yàn)槟＞邷囟容^高，高分子聚合物顆粒處于熔融態(tài)的持續(xù)時(shí)間也較長，因此產(chǎn)物的表面致密性較好，表面光潔度也相應(yīng)地獲得了改善。

屬于自由曲面類型的光學(xué)鏡頭種類很多。為證明上面方法的可靠性，進(jìn)行了一個(gè)典型的光學(xué)系統(tǒng)的試驗(yàn)。

如圖1所示，首先選擇自由曲面和回轉(zhuǎn)對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)（即非球面光學(xué)系統(tǒng)），并對(duì)其光感應(yīng)元件反復(fù)進(jìn)行注射成型的試驗(yàn)。

圖1 射成型實(shí)驗(yàn)的非球面光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)組件

圖1中，A，B，C 和D 分別代表了光學(xué)系統(tǒng)的4個(gè)光表面。光學(xué)透鏡的面形誤差可以用Form Talysurf Series 2或PGI 1240非球面的技術(shù)檢測，其分辨率約為10nm。

試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)模具溫度上升到90～100 ℃時(shí)，體積收縮率降到最低，從而使模具溫度升高，體積收縮率也會(huì)增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了上述理論分析的準(zhǔn)確性。

2.3 注射壓力與保壓壓力

注入型腔的高熔點(diǎn)液體在模具壁的冷卻作用下將液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，其體積收縮率高達(dá)25%。因此，當(dāng)熔融液體充滿模具型腔時(shí)，仍需要保持更大的壓力。保持壓力時(shí)，繼續(xù)將材料注入模具型腔并產(chǎn)生壓力，以保持流動(dòng)，克服冷卻引起的體積壓縮。

壓縮程度是塑料熔體在保壓過程中所顯示出的最主要的特性，在保壓流動(dòng)的過程中正是使用熔體的壓縮程度，來克服在工件注射過程中過量壓縮的問題。

充模保壓流動(dòng)和壓縮流動(dòng)在高壓下都是可熔化或稠密流動(dòng)。這種液體的主要特點(diǎn)是熔融液體的流量非常小，高溫不起作用，但壓力是影響過程的一個(gè)因素。在壓力保持階段，模具中加熱的壓力和比容不斷變化。研究人員指出，熱收縮現(xiàn)象的主要原因，即聚合物的比體積，是隨環(huán)境溫度變化的功能。當(dāng)模腔內(nèi)高分子聚合物的熔融溫度降低到環(huán)境溫度時(shí)，其比體積減小，導(dǎo)致熱收縮。正常溫度和壓力下的塑料比體積與閘門關(guān)閉時(shí)低于溫度和壓力的體積之差稱為熱體積收縮，其基本關(guān)系可用公式：Sv=（Vm-Vs）/Vm×100%。其中，Sv為體積收縮率；Vm為澆口封閉時(shí)的溫度、壓力條件下的比容（cm3/g）；Vs為常溫、常壓下的比容（cm3/g）。由公式可知，要控制注射點(diǎn)封閉時(shí)間的比容值礦，就可以實(shí)現(xiàn)控制成型的體積收縮率S。之目的。而控制比容值，是要調(diào)節(jié)在澆注和錁壓過程中的熔料溫度和壓強(qiáng)。

有研究表明，比容Vm。隨溫丁提高而擴(kuò)大，隨氣壓的增加而減小。這樣，只要正確提高注射溫度、注射壓力和保持壓力，就可以平衡兩側(cè)的功能關(guān)系，進(jìn)而減小體積收縮，最終達(dá)到高精度模壓光學(xué)元件的效果。所以，為了探究注射壓力對(duì)光學(xué)透鏡注射成型誤差的影響，改變注射壓力觀察表面形狀誤差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；提高注射壓力程度將使得體積收縮率明顯地減少。所以，在熱保壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中，由于完全能夠使用塑料熔融液的壓力程度，將使得在澆口完全閉合時(shí)熔料的比容與常溫、常壓下的比容相當(dāng)，從而減少甚至防止了體積收縮率對(duì)塑料透鏡面形精度造成不好的影響，以便得到高度精密性的光學(xué)鏡片。

3 注射模具設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

3.1 合理的設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)

模腔中塑料與熔融溶液間體積收縮的不均勻分布，和模腔內(nèi)壓強(qiáng)分配的不均勻性直接有關(guān)。所以，為了小尺寸透鏡，在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)該充分考慮流管直徑、每個(gè)型腔的縱向截面積，以及注入點(diǎn)的直徑。唯有如此，才可以在注入過程中保證各個(gè)模具型腔的內(nèi)壓強(qiáng)分布恒定，同時(shí)也能夠提高由注射后各個(gè)模具型腔內(nèi)所產(chǎn)生的鏡片質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。而對(duì)于尺寸很大的鏡片，因?yàn)槠淇趶胶秃穸榷己艽?，而塑料熔融液在?jīng)過特定化合物后會(huì)迅速加入模具型腔，大分子高聚物很容易產(chǎn)生雙分子取向性，所以在鏡頭內(nèi)，尤其是在注射焦點(diǎn)附近就產(chǎn)生了較大的內(nèi)壓應(yīng)力，因而生成雙折射現(xiàn)象。所以，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，就必須選擇“二次澆口”等特殊注射點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)方法。

3.2 模型溫度的控制

光學(xué)塑料透鏡的澆鑄形式通常是多腔體的首次虛擬檢測。為了使從每個(gè)模具型腔注入的工件的收縮率一致，每個(gè)模具型腔的溫度必須嚴(yán)格保持均勻。對(duì)于大口徑透鏡，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)非常小心：除了嚴(yán)格保持不同模具型腔的溫度均勻性，同一模具中不同點(diǎn)之間的溫度調(diào)節(jié)外，還需要對(duì)第一個(gè)虛擬檢測型腔進(jìn)行測試，并盡量嚴(yán)格保證均勻性。因此，必須采用多點(diǎn)測量、溫度自動(dòng)控制、手動(dòng)調(diào)整等的設(shè)計(jì)方式和措施，而立體控溫管道的設(shè)計(jì)方案也是可行的。

3.3 透鏡模芯對(duì)邊型設(shè)計(jì)的特殊要求

（1）光學(xué)熱探測表面的透鏡孔徑應(yīng)大于最有效表面（清晰顯示），空殼應(yīng)比普通玻璃透鏡寬，以滿足邊緣的不同熱特性。

（2）注入型光學(xué)元件的空支架厚度將與普通玻璃光學(xué)透鏡的厚度不同，且縱向切割厚度不一致。透鏡的薄邊（彎曲）邊緣（有效膜外）可設(shè)計(jì)為與透鏡中心具有相同的厚度，以避免不規(guī)則的注塑收縮。

4 結(jié)束語

塑料與光學(xué)器件的注塑成型技術(shù)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工程。為提高表面精度和表面納米粗糙度，在注射成形技術(shù)中必須解決體積壓縮、塑性流線、雙重壓縮與應(yīng)變等重點(diǎn)技術(shù)問題。根據(jù)以往的技術(shù)研究與試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過高壓注射、高壓保壓和高速保壓等技術(shù)，能夠明顯減小注塑件的體積壓縮量，從而提升了表面精度，正確提高注塑溫度和模具溫度。注塑光學(xué)表面的表面形狀誤差達(dá)到0.1 m 或更小，從而獲得高精度的塑料光學(xué)元件。