自由曲面光學透鏡注射成型誤差因素研究

張錦標，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）

相比于常規的光學成像元件，光學自由面體系統擁有獨特的架構設計，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，進而提高圖像質量，目前已經形成了新型光學系統的核心部件。由于光學自由曲面必須對光源實現精密檢測，其邊形狀研制與應用需要對產品的設計精度作出嚴苛的要求。

高度精密性自由曲面光學塑膠透鏡制造質量主要取決于光學系統與器件的總體設計、精確注射模型的設計制作、注射裝置的選型、與注射工藝技術參數組合相匹配的優選技術，以及模型和注射工件材料的精確測量等重要工藝技術條件。在高熱塑性光學塑料透鏡注射成型流程中，要掌握的重要工藝技術參數較多。文章將著重考察對收縮率和殘余應力產生影響很大的一些因素，如灌注環境溫度、模型環境溫度、灌注氣壓、保壓力，以及保壓時效問題等重要工藝技術參數。并進行分析，深入研究它對注入工件材料收縮率和殘余應力的產生影響以及相互之間的控制關系。同樣，對實際光學系統進行了注射成形的試驗。經過多次試驗，表明理論分析研究結論是合理的。因此.該結論可用作模具設計和工藝流程管理的指導準則。

1 相關概念概述

1.1 自由曲面光學

20世紀50年代以來，由于軍事和民用光電子等科學技術的進一步發展，各種更復雜的光學系統和機械結構也紛紛問世，并對現代成像體系的性能、圖像質量、體積和比重等技術指標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，由于系統的不對稱性會產生更多的不對稱性和更大的象差，因此必須將光學系統發展為一個非常薄和非常簡單的方面，這是傳統球面和對稱非球面材料系統無法實現的。這時，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。

獨立曲面通常指沒有了轉動相對軸的復雜非常規連續性曲面，又或者，它也可以是任何形狀的表面。顯然，不管在初始結構計算、自由面型定義、系統優化還是在制作工藝上，對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。因為自由曲面光學打破了對稱性，光學系統的設計有了更多的可能性，使得光學元件的幾何形狀更加復雜，并且需要使用參考結構進行定向。得益于現代化的制造和測量設備，Asphericon 非球面還可以生產非常規的Asphericon 自由曲面和系統，使得在自由曲面光學的應用中實現更多的可能。通過非球面的創新技術，Asphericon 在自由曲面光學的應用上有以下一些優勢：材料（包括陶瓷）中的常規形狀；透鏡、反射鏡、直徑達300mm 的單片元件；多焦點、緊湊型系統；出色的表面質量（至少達到RMSi50 nm）；無CGH 測量；單獨的涂層和安裝；針對生產而優化的光學系統設計。

由于自由曲面光學具有特殊的表面形狀，還可以實現傳統光學器件無法實現的功能。特別是對于小型光學組件，例如整體式組件。這在折疊光束路徑時較為有利，并且可以替代現有的裝置，例如反射鏡系統。

1.2 自由曲面的光學設計優化

優化階段也是光學設計的基礎階段之一，利用優化能夠改善圖像品質和調整系統的設計參數。針對幾何光學設計系統，在優化階段還可以采用光源測量。我們通過對各個空間和開放區域上的光源進行取樣，并逐個追蹤它們在表面上的路徑，進而計算各個表面上光源的相對位移，從而計算并監控整個體系的相對偏移。同樣，在調整過程中，還需要對整個系統的優化變量收集到相應的數值，從而使整個系統的整體圖像質量誤差向局部變化最小的方向偏離。可按照光束測量結果的類型重復上述過程。當每次重復后，應測量每個變量中圖像質量限制的差值，并修改或優化測量參數。這樣，檢測到的光束越多，描述曲面形狀的參數越復雜，重復計算的次數就越多，因此系統的收斂速度最快。然而，由于自由曲面系統的自由度很高，因此有必要仔細采樣每個視野和光圈中的光，以避免在小面積內突然發生曲面變化。因此，自由曲面光學系統的優化通常比一般球面或非球面系統的優化困難得多。雖然現在電腦性能已經越來越強，大部分工作都能夠讓電腦自行完成，但是一些相當復雜的自由曲面光學系統，往往也要數天的時間才優化完畢。

因為汽車自由曲面優化設計時需要集中考慮視野，所以汽車圖像曲面的總體圖像品質將無法控制。而如果手動設置平衡，系統的整體圖像品質將非常復雜和耗時，并在較大程度上依賴設計者的實踐經驗和知識。目前，圖像級和整體圖像效能之間的自動平衡算法已經能夠很有效地降低這部分的實際工程量了。該方案的主要思路就是，通過某種方式對各視場的評價參數分配不同的權重。使用這種技術既能夠使整體系統在每個觀察點范圍內都達到相對均衡的圖像效能，而且還能夠提高整個系統總體的圖像處理效率。

2 光學透鏡注射成型誤差因素分析

2.1 注射溫度

如果注射產品的結構規格一定，注入壓力和灌注時間不但與注入體系的構造和尺寸相關，還與熔體溫度和模具溫度相關。所以，合理地增加注射溫度和模具溫度以促進模具填充流動十分有益。同時，表觀熔體強度也隨著注入溫度的增加而呈指數減小。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。在注射進模腔后熔融的液溫分配不平衡，很易導致注射工件熱收縮不均勻，結果產生了殘余內壓和雙重裂紋，降低了工件的視覺應用特性。并且曲面造型的精確度也無法達到一定的要求。為了改善塑料注射透鏡的光學性能和表面處理，應適當提高注射溫度和注射壓力。醫用聚合物熔體應壓縮在模型的光學表面上，以減少其痕跡模具填充的流速，使塑料透鏡與模型的光學表面具有相同的涂層。

2.2 模具的溫度控制

當模具溫度升高時，冷卻周期將增加，這將降低設計的總體效果。然而，模具溫度調節越高，在相同型腔和截面寬度下，熔融金屬的溫差越小。隨著冷卻時間的增加，注入腔內的聚合物分子的深度方向關系被解除，從而獲得折射率均勻的有效光學透鏡。同樣，通過合理地提高模具溫度來改善光學透鏡產品的表面處理也是非常有利的。而且因為模具溫度較高，高分子聚合物顆粒處于熔融態的持續時間也較長，因此產物的表面致密性較好，表面光潔度也相應地獲得了改善。

屬于自由曲面類型的光學鏡頭種類很多。為證明上面方法的可靠性，進行了一個典型的光學系統的試驗。

如圖1所示，首先選擇自由曲面和回轉對稱的光學系統（即非球面光學系統），并對其光感應元件反復進行注射成型的試驗。

圖1 射成型實驗的非球面光學系統光學組件

圖1中，A，B，C 和D 分別代表了光學系統的4個光表面。光學透鏡的面形誤差可以用Form Talysurf Series 2或PGI 1240非球面的技術檢測，其分辨率約為10nm。

試驗結果：當模具溫度上升到90～100 ℃時，體積收縮率降到最低，從而使模具溫度升高，體積收縮率也會增加。實驗結果證明了上述理論分析的準確性。

2.3 注射壓力與保壓壓力

注入型腔的高熔點液體在模具壁的冷卻作用下將液態金屬轉變為固體，其體積收縮率高達25%。因此，當熔融液體充滿模具型腔時，仍需要保持更大的壓力。保持壓力時，繼續將材料注入模具型腔并產生壓力，以保持流動，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。

充模保壓流動和壓縮流動在高壓下都是可熔化或稠密流動。這種液體的主要特點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，熱收縮現象的主要原因，即聚合物的比體積，是隨環境溫度變化的功能。當模腔內高分子聚合物的熔融溫度降低到環境溫度時，其比體積減小，導致熱收縮。正常溫度和壓力下的塑料比體積與閘門關閉時低于溫度和壓力的體積之差稱為熱體積收縮，其基本關系可用公式：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，要控制注射點封閉時間的比容值礦，就可以實現控制成型的體積收縮率S。之目的。而控制比容值，是要調節在澆注和錁壓過程中的熔料溫度和壓強。

有研究表明，比容Vm。隨溫丁提高而擴大，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，就可以平衡兩側的功能關系，進而減小體積收縮，最終達到高精度模壓光學元件的效果。所以，為了探究注射壓力對光學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。

實驗結果表明；提高注射壓力程度將使得體積收縮率明顯地減少。所以，在熱保壓技術實現過程中，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熔料的比容與常溫、常壓下的比容相當，從而減少甚至防止了體積收縮率對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鏡片。

3 注射模具設計優化方法

3.1 合理的設計澆注系統

模腔中塑料與熔融溶液間體積收縮的不均勻分布，和模腔內壓強分配的不均勻性直接有關。所以，為了小尺寸透鏡，在設計模具時應該充分考慮流管直徑、每個型腔的縱向截面積，以及注入點的直徑。唯有如此，才可以在注入過程中保證各個模具型腔的內壓強分布恒定，同時也能夠提高由注射后各個模具型腔內所產生的鏡片質量的一致性和穩定性。而對于尺寸很大的鏡片，因為其口徑和厚度都很大，而塑料熔融液在經過特定化合物后會迅速加入模具型腔，大分子高聚物很容易產生雙分子取向性，所以在鏡頭內，尤其是在注射焦點附近就產生了較大的內壓應力，因而生成雙折射現象。所以，在設計模具時，就必須選擇“二次澆口”等特殊注射點的總體設計方法。

3.2 模型溫度的控制

光學塑料透鏡的澆鑄形式通常是多腔體的首次虛擬檢測。為了使從每個模具型腔注入的工件的收縮率一致，每個模具型腔的溫度必須嚴格保持均勻。對于大口徑透鏡，設計時應非常小心：除了嚴格保持不同模具型腔的溫度均勻性，同一模具中不同點之間的溫度調節外，還需要對第一個虛擬檢測型腔進行測試，并盡量嚴格保證均勻性。因此，必須采用多點測量、溫度自動控制、手動調整等的設計方式和措施，而立體控溫管道的設計方案也是可行的。

3.3 透鏡模芯對邊型設計的特殊要求

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

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

4 結束語

塑料與光學器件的注塑成型技術是一個相當復雜的工程。為提高表面精度和表面納米粗糙度，在注射成形技術中必須解決體積壓縮、塑性流線、雙重壓縮與應變等重點技術問題。根據以往的技術研究與試驗結果顯示，通過高壓注射、高壓保壓和高速保壓等技術，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。注塑光學表面的表面形狀誤差達到0.1 m 或更小，從而獲得高精度的塑料光學元件。