塑胶光学材料在成像设计的应用技术

■思渤科技 / 黄振溢 Paul Huang

前言

塑料材料具有重量轻、价格低和量产能力强的优势,且由于模具加工技术的改进,被广泛应用于 3C 产品中, 特別是 PC 和 PMMA 两种材料。成像镜头因其对品质要 求较高,以往均使用玻璃材料,但玻璃较重,且尺寸小 的镜片不易加工,所以塑料材料用在手机成像镜头上非常普遍。PC 和 PMMA 的吸水率(Water Absorption)高于玻璃 ,因此一些塑料材料商开发了COC(环烯烃共 聚物 , Cyclic olefin copolymer)塑料材料。COC 的透 射率、阿贝数与双折射效应与PMMA 相当,折射率介於PC 和PMMA 之间,但吸水率更低,所以高品质的手机成像镜头,会选择COC 材料;若要降低成本,则部分镜片会以光学级的PC 或PMMA 替代。本文利用 光学设计软件 CODE V 探讨如何在设计过程中有效使用 塑料光学材料。

光学设计的初始结构

当今因 3C 产品生命周期短,镜头厂商多,为了能快速拿到订单,通常会使用现成的镜头在光学软件中进行修改。
现成镜头的材料可能是玻璃,若使用专利镜头,则材料仅以 Nd/Vd 值(称为虚拟材料)显示。本示例以虚拟材料的专利镜头做为初始结构,先使用「全局优化」工具,找出几个有趣可行的结构。优化过程中, 软件会将类似的结构归为同类,并显示每个结构的误 差函数值。设计者需选择误差函数值较低的几个结构,并判断其可行性后再继续使用「全局优化」进行更长时间的设计工作。

优化过程中考虑公差

产品制造与组装时,各部件的公差必定会影响产品品 质,若能在设计过程中预先考虑公差,就能节省成本。 当找到可行的结构时,在 CODE V 中可以加入表面公 差灵敏度的约束条件,再进一步使用「全局优化」进 行优化。 ( 图1)(a) 为未使用公差灵敏度约束时公差分 析的良率图,(b) 为增加公差灵敏度约束时公差分析 的良率图,明显看出考虑公差后的优化设计将有助於提升良率。

图 1:虚拟材料镜头全局优化后的公差分析生产良率图, (a) 未考虑公差灵敏度约束,(b) 考虑公差灵敏度约束

以塑胶材料替换虚拟材料

接着,设计者需要将虚拟材料替换成真实的塑料材料,以满足规格要求。CODE V 中「玻璃专家」工具可有效将玻璃或虚拟材料转换为真实的塑料材料,并执行优化达到设计要求。软件本身内建塑料材料包 括 OSAKA 和 ZEON 等厂商的材料库,以及 TOPAS、 MITSUI、JSR 等私有目录材料,设计者可预先决定这些材料库中哪些材料是可获得的,将它们的名称放在 一个文件中,执行玻璃专家时,以此文件内的塑料材 料替代虚拟材料。
设计者可对材料本身的几项参数设定搜索条件,例如: 折射率范围、抗酸硷程度、价格因子、材料吸收系数等。经过「玻璃专家」工具转换后的设计结果如(图2) 所示。

图 2:「玻璃专家」工具转换后的镜头与 MTF 分析

最后阶段降低公差灵敏度

塑料材料替换后,还需要进行降低公差灵敏度的优化。 CODE V 提供另一种降低灵敏度的算法,可在优化过程中以用户自定义的公差进行公差分析。与前述 表面公差灵敏度约束条件不同的是,它可以让使用者清楚地知道控制的公差项目有哪些。 ( 图 3) 显示优化 后对于较大视场的良率有显著的提升。 ( 首图 ) 为设计完成后成像模拟的结果。

图 3:(a) 转换为塑料材料后的公差分析生产良率图 / (b) 再进行降低灵敏度优化后的公差分析生产良率图

结论

当今光学级塑料材料已达到高透射率、低吸水率与低双折射效应,加上重量轻且易于开模大量生产的优点,其已广泛用于消费性产品成像镜头中。在设计上, 借助光学模拟软件,可将原先玻璃材料镜头或虚拟材 料专利镜头以塑料材料替换。优化过程中若将公差一 起考虑,更可降低公差灵敏度,有助於良率提升。■

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