模造參數對鏡片表面精度的影響

在光學系統中，除了鏡片幾何尺寸需符合設計規格外，另一個重要的評估條件即是 表面精度，亦即所謂的 PV (peak to valley)值，其定義是鏡片表面輪廓與設計值之差異，

其最高波峰與最低波谷的差值，常見的是以氦氖(He-Ne)雷射之波長或公制單位來表示，

例如以傳統研拋方法製作，用於成像系統之鏡片表面精度應優於0.25 λ 較佳，因氦氖雷 射之波長為 632.8 nm，故 0.25 λ 亦可表示為 0.158 μm。而玻璃模造技術屬於量產技術，

且影響變數甚多，故業界對於尺寸小的模造鏡片之表面精度僅要求小於 0.5 μm 即可。

當鏡片外徑與厚度之幾何尺寸符合設計值後，即可透過調整模造溫度、模造力量、

保溫時間以及降溫速率來改善鏡片表面精度，使其符合鏡片規格。在模造溫度方面，在 前段文章已得知溫度低於 565 °C 時，玻璃容易破裂，且溫度高於 595 °C 時會有沾黏現 象，因此，在模造溫度 570-590 °C 區間，探討溫度對表面精度的影響，結果如圖 132。

由圖中可看出，雖然溫度高於 565 °C 時，玻璃已不會產生破裂現象，但其表面精度相 較之下偏高，隨著模造溫度再提升，玻璃軟化程度升高，流動性增加，使得玻璃預形體

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更貼附模仁表面，因而表面精度也更佳。但是在 595 °C 時，因溫度太高，容易造成玻 璃內的成分與膜層起反應，使得玻璃材料沾黏在膜層上。

圖 132 中亦顯示非球面凹面(R1)的表面精度較凸面(R2)的表面精度差（其模造壓力 為 400 N、保溫時間為 180 s 以及降溫速率為 18.5 ℃/min），導因於凹模仁及凸模仁輪廓 精度的差異，在玻璃模造製程中的參數探討，只要在固定參數下，可以獲得極相近的鏡 片尺寸以及表面精度即可，亦即重現性要高，而表面精度可以利用超精密鑽石輪磨技術 對模仁輪廓進行補正，即可讓整體的表面精度下降，且量產玻璃模造小口徑鏡片，其表 面精度僅要求小於 0.5 μm 即可。

圖 132 模造溫度對表面精度的影響

針對模造力量的參數探討，選用 300、350、400、450 以及 500 牛頓，其對表面精 度的影響如圖 133（其模造溫度為 590 ℃、保溫時間為 180 s 以及降溫速率為 18.5 ℃ /min），因在鏡片幾何尺寸已達到設計規格的條件下測試模造力量的影響，而鏡片幾何 尺寸係由停止環所控制(可參考圖 122 模仁組裝圖)，過大的模造力量會被停止環吸收，

因此，由圖 133 可看出，模造力量對表面精度的影響不大。

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圖 133 模造力量對表面精度的影響

保溫時間選擇 60、120 以及 180 秒進行測試，利用燈管加熱碳化鎢模仁後，熱傳導 進入模仁內部的玻璃預形體，使預形體均溫之後進行模造製程，隨著保溫時間增長，模 仁以及預形體的溫度愈均勻，由圖 134（其模造溫度為 590 ℃、模造壓力為 400 N 以及 降溫速率為 18.5 °C/min）可看出，在保溫時間 60 秒時，表面精度較差，因其溫度均勻 度較差的緣故，而保溫時間在 120 秒至 180 秒之間，表面形狀精度的變化趨緩，已達適 合模造的均溫程度，若再拉長保溫時間，表面形狀精度可微幅降低，但會增加整體模造 週期時間，因此選擇保溫時間 180 秒作為製程參數。

模造系統降溫速率設定為 15、30、45 與 60 L/min 之冷卻氮氣流量，亦即 18.5、26.7、

31.8 與 37.1 °C/min 之降溫速率。其對表面精度的影響如圖 135（其模造溫度為 590 ℃、

模造壓力為 400 N、保溫時間為 180 s）所示。降溫速率愈快，玻璃冷卻收縮愈快，因此 表面形狀精度會較差，緩慢的降溫速率，雖然可以使得玻璃鏡片輪廓較穩定的收縮，獲 得較佳的表面形狀精度，但也導致整體模造週期時間拉長，例如降溫速率 37.1 °C/min 的模造週期較使用 18.5 °C/min 降溫速率的模造週期長約 11 分鐘。

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圖 134 保溫時間對表面精度的影響

圖 135 降溫速率對表面精度的影響

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綜合以上實驗分析，成形非球面鏡片之最佳參數為：

模造溫度：585 °C 模造力量：400 牛頓 保溫時間：180 秒

降溫速率：15 L/min (18.5 °C/min)

模造製程歷程如圖 136 所示，經由以上模造參數所成形之鏡片如圖 137 所示，可看 出邊緣輪廓已完全成形，並無圓角產生，其鏡片外徑、厚度以及表面精度皆符合設計規 格，利用自由曲面輪廓量測儀(UA3P)量測表面精度，其第一面(R1)以及第二面(R2)表面 精度分別為0.2214 μm 及 0.1463 μm，如圖 138 與圖 139，已達到設計規格要求需小於 0.5 μm。

圖 136 非球面鏡片模造歷程

圖 137 非球面鏡片

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圖 138 R1 表面精度

圖 139 R2 表面精度

因玻璃模造技術為量產型技術，因此製程穩定性相當重要，穩定性高等於產品良率 高，因此以同樣的製程參數連續模造七組鏡片，鏡片外徑以及中心厚度皆符合規格，如 圖 140 與圖 141 中的上下兩條橫線即為鏡片公差範圍，其標準差可分別控制於 0.5 μm 及 2.0 μm 內。而表面精度皆小於 0.5 λ (0.316μm)，量測結果如圖 142。

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圖 140 外徑重複性

圖 141 中心厚度重複性

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圖 142 表面精度重複性

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