塑胶光学-特定注塑成型塑胶光学元件

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大纲

由于光电产业产品需要复杂的光线掌握处理部件才能达 到理想与需求的光学效果,因此近来应用精密塑胶光学 元件的需求已变得越来越重要。聚合物光学可被认为是允许多种类型设备的成功开发的重要启用技术。聚合物光学与其玻璃替代品的区別在于能够在经济的基础上将光学表面与安装特征相结合。

由于热塑性塑料和射出成型加工技术两者自身的独特性质,所以要求在制造过程的各个阶段,从部件设计到原型打样再到最终的制造生产,都需采取严谨的方法。当设计团队(通常是由光学设计与机构设计工程师所组成) 能够深入了解整个制造过程,并与此领域专精的生产制 造厂商相互紧密合作与配合,将可以达到最好的产品开发结果。

产品应用型态

基本上任何需要光学元件或光学组件的应用产品,无论是成像,扫描,光检测还是一般照明等等,都是可以 选用塑胶光学元件;所以塑胶光学的潜在应用领域相当 大,且应用市场还在不断地成长塑胶光学元件可以在超 市条码扫描机(激光扫描仪和2D读取器),生物识別 安全系统以及许多不同类型的生医医疗应用(作为一次 性元件和诊断设备的部件)产品上找到它的应用。塑胶 光学元件还用于文件扫描仪和先进的实验室设备,例如 光谱仪和洁净室颗粒计数器等。随着应用产品的不断增 加,塑胶光学元件也可以在电信通讯产品中找到,此领 域常常应用于表面微结构产品,例如微阵列透镜镜片 (microlens)和光学绕射元件(diffractiveopticalelements) 等。塑胶光学元件也经常应用在不断成长的LED照明应 用领域。

其他应用案例包括用于近眼显示器的成像系统。塑胶光 学元件常常用于个人电脑周边设备,例如视频会议相机 和显微镜,以及光盘和DVD播放器以及智能手机等消 费类设备中。

如上所述,由于应用上的广泛性与弹性,造成了塑胶光学材料相对于竞争的玻璃材料在光学元件的设计或 解决方案上更具有关键性的优势;例如塑胶光学材料有较轻的重量,有较佳的机械与光学特征集成能力, 以及可以通过更经济有效率的射出成型工艺来重复生 产非球面,或自由曲面和其他复杂几何表面的光学元件。所以了解所使用的塑胶光学材料的特性与制造方法对于光学元件设计者就相当重要。

热塑性光学塑料

主要的塑胶光学成型材料有聚丙烯酸(PMMA),聚苯 乙烯(PS),聚碳酸酯(PC),环状烯烃聚合物(COP, 日本 Zeon 化学 – 商品名 Zeonex®,Zeonor®),环 状烯烃共聚物 (COC,TopasAdvancedPolymers 公 司-商品名Topas®)等。另外还有其他特种树脂例如 Ultem®( 聚醚酰亚胺或 PEI,由 Sabic 制造 ) 和聚酯 类树脂(例如由OsakaGasChemical制造的OKP-4和 OKP-4HT)等。以上这些塑料都是热塑性塑料,这意 味着它们可以重复加工使用,可以反复加热和冷却。 这类热塑性塑胶光学材料与光学级热固性塑料不同; 热固性塑料一旦固化后,就无法再次熔化重复加工使 用。从这些塑胶光学材料的制造商官网或公开发行的 塑料型录上,可以查询相关塑料的机械性能与光学特 性等数据资料。光学设计工程师需要了解这些材料在所有应用环境中的表现行为,以便他们能够提出合适 的产品设计解决方案。图表1和表2提供了常用塑胶 光学材料的重要光学和机械性能数据。

图表 1:一般常用塑胶光学材料的机械性质

图表 2:一般常用塑胶光学材料的光学性质

机械性能

热膨胀 (ThermalExpansion)- 塑胶光学塑料的热膨胀 系数 (CoefficientofThermalExpansion,CTE) 大约比 玻璃大了一个数量级。当在设计一个光学系统而此系 统预期需要在一个非常宽的温度范围条件下进行操作 和使用,那材料的热膨胀特性就是一个非常重要的设 计考虑性质;如果该光学系统在温度变动下无法重新 调焦或对焦,则必须考虑应用其他技术来实现光热稳 定性并确保光学性质不会随着温度变化而发生过大变 动最高工作温度(MaximumOperatingTemperatures)与玻璃相比,大多数热塑性光学塑料具有相当低的 玻璃化转变温度(Tg)。常用的塑胶光学塑料从聚苯 乙烯 (PS) 和压克力 (PMMA) 的玻璃转移温度 (Tg) 约 80~90 ℃, 到 聚 碳 酸 酯 (PC),COC(Topas®), COPs和一些聚酯光学塑料,玻璃转移温度约130℃; 一些特定的聚合物有较高的玻璃转移温度,例如 GrilamidTR®(EMS生产的一种透明性聚酰胺 ) 玻璃转 移温度 (Tg) 约 160℃ ;Ultem® (SabicPEI) 的玻璃转移 温度(Tg)约为217°C。

图 1:常用光学热塑性塑料的折射率 (Index of Refraction) 与阿贝数 (Abbe Number) 之间的关系

吸水率 (WaterAbsorption)- 大多数热塑性塑料 ( 除 COP和COC塑料外)都会吸收水分,这会导致由这 些光学塑料制成的任何光学元件发生尺寸上的变化。 例如聚丙烯酸(PMMA)会在24小时内吸收约0.3%的 水分。但是在同一时间内(24hrs)COP或COC塑料可 能仅会吸收约0.01%的水。重量(Weight)-对于给定 的体积,塑料比玻璃的重量更轻。由于这种特性由热 塑性光学塑料成型的光学元件重量将会小于相应的玻 璃光学元件。而且热塑性塑料可以提供更高的耐冲击 强度(对于聚碳酸酯等更具韧性的材料尤其显著)。

光学性能

折射率(IndexofRefraction)与阿贝数(AbbeNumber)塑胶光学塑料与玻璃相比,可用的折射率范围较窄。 聚丙烯酸(PMMA)和COP塑料,其折射率分別约 为1.49和1.53,光学特性表现比较接近冕牌玻璃型 态 (CrownGlass)( 阿贝值约在 50 附近 )。另一方面如 图1所示,聚苯乙烯(PS)和聚碳酸酯(PC)的光学特 性行为则比较接近燧石(Flints)(阿贝值约在30~35之 间)折射率约为1.59 。折射率随温度的变化(dn/dt)塑料的折射率会随着温度改变而呈现较大的变化;热 塑性塑料dn/dt数值相当大(约为玻璃的20倍),

且为负值(即随着温度升高而折射率下降)。透光率 (Transmission)-大多数透明塑胶光学材料在光谱的可 见光部分宽带(〜400至650nm)内具有高透明度(高 透光率 )。例如聚丙烯酸 (PMMA) 和一些 Zeonex® 等级塑料的透光率约为92%。而聚碳酸酯(PC)和聚 苯乙烯(PS)塑料则具有稍低的透射率约为89%;然而 Ultem®(SabicPEI)在近红外区具有良好的透光率,但 是其并不适用于可见光区宽带的产品应用,因为它会 吸收可见光谱的蓝光部分。
双折射率 (Birefringence)- 光学系统可以容许的双折 射率量值是一个重要的设计考虑参数,此项设计参数 要求应该在产品制造过程的早期就需要与制造厂商进 行讨论。一些塑胶光学塑料,例如聚碳酸酯(PC)和聚 苯乙烯(PS),由于材料的先天性质,造成这些塑料在 成型后就具有相当高的应力程度;光学元件的双折射 量值可能会由于不良的光学部件设计和/或模具上较 差的浇口位置设计而更加严重。

图表 2:一般常用塑胶光学材料的光学性质

表2归纳了不同塑胶 光学塑料特有的应力量值程度。由于双折射率较难以 进行测量,因此使用0至10的定性评分系统来进行 标定。在这个尺度上0是最低的应力量值程度,而10 是最高的应力量值程度。

成型制造程序

射出成型加工制程可以复制球面(spherical),非球面 (aspheric) 和自由曲面 (free-formsurface) 并可以与 产品组装特征相结合,此加工制程是成本经济效率最 高的加工方法。射出成型加工制程主要有两个重要部 分:(1) 模具与 (2) 射出机。模具 (Mold)- 用于制造塑 胶光学元件的模具具有三个主要特征:(1)模穴内部细 节(cavitydetails),(2)光学崁入模仁件(opticalinserts) 和 (3) 支撑模穴与崁入件的外壳 (thehousingthathold sthecavitiesandinserts)。使用塑胶光学元件的一个关 键优势是能够将光学和机构特征组合到一个平台中。 根据所考虑的机构特征的性质,模具本身将会衍生额 外的复杂程度。

模具是建立在最后部分的负面。例如,如果最终的光 学镜片是具有凸面结构,则模具上的光学崁入模仁部 分将会是凹面结构的。光学零件的机构特征必须进行 调整,以便在成型过程完成后部品可以方便移出。现 今大多数光学崁入模仁都是由非铁系的不锈钢金属合 金所制成的,这些模仁合金钢材经过钻石研磨拋光等 工序转化为最终的崁入模块。这使得最终的光学元件 部品将具有非常高的光学精度。在成型过程中所有热

塑性光学塑料当在进行冷却时都会产生收缩。一般而 言塑料的收缩率大约是0.5到0.6%。所以在注塑光 学模具的尺寸设计阶段时,就需要将塑料的收缩量值 考虑进来,这是非常重要的设计环节。采用最先进的 数控式车床(CNC)技术来制造光学崁入模仁,可以确 定性地创立轴上和离轴的非球面以及自由曲面光学元 件。这项技术还允许光学成型厂商在初始成型试验完 成后,灵活地调整崁入模仁的收缩量值。

射出成型机 (TheMoldingMachine)- 光学射出成型机是由固定模板,可动模板,锁模单元与注塑单元所组 成。将模具放置于射出机台的锁模单元中,一半安 装在固定模板上,另一半安装在可动模板上。塑胶 粒从进料筒送入注塑单元的料管内进行塑化,最后形 成熔融状态的熔胶流体而被射出进入成型模具内。在 注塑过程中锁模单元机构将模具的公母模块紧密压在 一起,随着塑料熔胶在模具内冷却进行固化,熔胶依 照模具内公母模仁的表面构型,而形成最终的光学元 件。冷却结束后模具被打开,并将光学元件产品连接 流道系统整个被顶出而脱离模具,最后流道系统被裁 切移除,就完成光学部件产品的射出生产。
图表 3:典型的注塑成型光学元件的成本变动因素和精度公差限制

光学射出成型技术可以以高度的重复性和精準性来重 复再现性生产光学元件。之所以能够达到精密重复性 生产,主要是取决於射出成型机台的精度与稳定性, 以及模具本身的加工精度。模具结构的公差要求通常 会比其生产的部件所要求的公差更严格。因此一个有 经验的光学元件射出成型者应该能决定成型模具如何 来制造与加工。如果光学元件在射出机台上的加工方 式存在不确定性,则模具可以制作成”安全性钢材”。 即是模具上的试作尺寸将制作比部件的最终尺寸来的 较小,一旦进行了初始射出成型试验后,就可以让模 具制造商来进行非常细微的模具尺寸调整;产品部件 的几何形状,部件尺寸大小,塑料与钢材的选用,整 体模具设计,浇口设计方案和一系列加工程序问题, 都对于最终产品的品质扮演着重要决定性的作用。在 某些情况下,可以借由通过建立多模穴的模具设计来 达到经济的量产规模;使用多模穴模俱生产时,每个 成型周期都会生产更多个光学元件产品。

涂层(Coating)-塑胶光学元件可以利用物理气相沉积 方式来进行表面涂层。塑胶基材上的涂层是在较低的 温度下实施,与施用于玻璃基材的涂层相比较,塑胶 的表面涂层耐久性会较差。涂层技术可以针对各种塑
胶基材并指定反射型,抗反射型,光束分光器和导电 涂层等等不同的应用。抗反射涂层可以是多层结构(平 均表面反射率在450~650nm范围内小于1%)或单 层MgF2(在450~650nm范围内平均表面反射率大约 为1.5%)。银的反射涂层以及铝和金的保护涂层和强 化涂层都是经常被广泛应用的,也可用于制造镜片的 第一和第二表面层。

在某些情况下可以在金属涂层上再施加保护性外涂层 以提高耐磨性。另外也可以将硬质涂层施加到塑胶光 学元件上。最初开发硬化涂层是为了保护聚碳酸酯 (PC)的眼镜镜片毛胚。目前已经开发了此类型的其他 配方硬化涂层,并应用在不同类型的塑料基底上进行 硬化涂层。另外也可以将疏水性和防雾涂料涂层到不同塑胶基材上。

事前需要考虑的注意事项

对于塑胶光学元件成型加工厂商而言,逐案处理每个 加工项目并考虑到所有影响的变量是相当重要的;在 表3中我们根据公差对最终产品成本的影响,总结了 一些与公差有关的规则;以下作为与光学产品成型加 工厂商进行讨论的起点。

以下各点是作为与光学产品成型加工厂商进行讨论的 初始项目
➡考虑光学元件或光学系统将使用或应用的工作环 境。是否光学系统必须在极端温度或高湿度的环境下 被工作运行(或维持聚焦)?
➡光线偏极化(偏光)是否是关注议题?
➡光学元件产品的需求时间点是甚么时候?
➡产品是否需要原型打样?

➡您要求生产中需要的数量是多少?你应该考虑使用 多模穴模俱生产吗?
➡光学形式是产品的基本规格;产品成型的理想形状 是几乎均匀的肉厚分布。
➡光学元件整体设计应尽可能对称以优化模具中的熔 体流动形式。应避免产品设计形成剧烈的弯月形,双 凸形和双凹形状等。有时设计两个具有较均匀肉厚的 光学元件组件,会比去设计一个具有较大厚度且剧烈 表面变化的单一光学元件来的更洽当。
➡光学元件厚度的极端变化将会导致不均匀的流动特 性;大尺寸的,粗厚件的或不均匀厚度的光学元件可 能都需要进行详细的三维模流和冷却分析,来模拟在 成型过程中元件部品如何被填充,以及如何进行冷却 收缩。这个CAE模流分析通常要在设计阶段的初期就 要开始进行。
➡厚度较薄的光学元件具有较少的收缩补偿问题和较 短的成型周期时间,转换成成本较低的部件。
➡具有较厚横截面的光学元件不仅需要增加成型周期 时间,而且在保持较高的光学表面面形精度要求上, 也会面临更大的挑战。
➡由于平坦表面在模具内进行冷却时会有下陷内沉的 趋势,所以应尽可能在光学元件的两侧添加一个支撑表面。

选择正确的光学射出成型加工厂商
我们会建议光学设计师最好与一位全面了解工程问题 的光学射出成型厂商进行合作。尽可能提早地让光学射出成型厂商参与整个产品开发过程。参观射出成型加工厂商的制造工厂,借以评估其能力是否能符合设 计师所订定的程度需求。另外重要的是要认识到,生 产的零部件精度不会比成型加工的模具精度更好。然 而单凭良好的模具并不能保证良好的部件产品将被成 型制造出来。对塑胶光学成型工艺的全盘了解,是生产精密塑胶光学元件的驱动因素。光学射出成型厂商 应具有各种光学形式和塑胶加工的经验。

射出成型加工厂商必须具备有内部量化评定能力,来 对其生产的光学元件进行所有必要的测量测试。可以 肯定地说,你不能制造你无法衡量与判断好坏的产 品。制造精密塑胶光学元件是一项高度专业化的全 方位集成技术,此项技术需要具备精深的光学设计知识,模具制造技术,最先进的模具加工能力和光学量 测测试专业知识等。本文中概述的设计考量因素将可 提供给设计人员一些设计工作上的基本知识,以加速成功开发开精密塑胶光学元件。■

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