自由曲面光学透镜注射成型误差因素研究

张锦标，王弼来，张海文，彭泳鑫，王春林

（深圳明智超精密科技有限公司，广东深圳 518000）

相比于常规的光学成像元件，光学自由面体系统拥有独特的架构设计，可以大幅改善光传感成像特性，如改正畸变、降低成像偏差、增加视野范围等，进而提高图像质量，目前已经形成了新型光学系统的核心部件。由于光学自由曲面必须对光源实现精密检测，其边形状研制与应用需要对产品的设计精度作出严苛的要求。

高度精密性自由曲面光学塑胶透镜制造质量主要取决于光学系统与器件的总体设计、精确注射模型的设计制作、注射装置的选型、与注射工艺技术参数组合相匹配的优选技术，以及模型和注射工件材料的精确测量等重要工艺技术条件。在高热塑性光学塑料透镜注射成型流程中，要掌握的重要工艺技术参数较多。文章将着重考察对收缩率和残余应力产生影响很大的一些因素，如灌注环境温度、模型环境温度、灌注气压、保压力，以及保压时效问题等重要工艺技术参数。并进行分析，深入研究它对注入工件材料收缩率和残余应力的产生影响以及相互之间的控制关系。同样，对实际光学系统进行了注射成形的试验。经过多次试验，表明理论分析研究结论是合理的。因此.该结论可用作模具设计和工艺流程管理的指导准则。

1 相关概念概述

1.1 自由曲面光学

20世纪50年代以来，由于军事和民用光电子等科学技术的进一步发展，各种更复杂的光学系统和机械结构也纷纷问世，并对现代成像体系的性能、图像质量、体积和比重等技术指标都提出了更高的要求。如在航空航天方面所使用的离轴折返式光程中，由于系统的不对称性会产生更多的不对称性和更大的象差，因此必须将光学系统发展为一个非常薄和非常简单的方面，这是传统球面和对称非球面材料系统无法实现的。这时，历史上的场景开始通过表面的自由形式，形成了更高层次的非球面材料体系。

独立曲面通常指没有了转动相对轴的复杂非常规连续性曲面，又或者，它也可以是任何形状的表面。显然，不管在初始结构计算、自由面型定义、系统优化还是在制作工艺上，对自由曲面都无法把握。

自由曲面与球面或非球面相比，自由曲面具有更多的自由度。因为自由曲面光学打破了对称性，光学系统的设计有了更多的可能性，使得光学元件的几何形状更加复杂，并且需要使用参考结构进行定向。得益于现代化的制造和测量设备，Asphericon 非球面还可以生产非常规的Asphericon 自由曲面和系统，使得在自由曲面光学的应用中实现更多的可能。通过非球面的创新技术，Asphericon 在自由曲面光学的应用上有以下一些优势：材料（包括陶瓷）中的常规形状；透镜、反射镜、直径达300mm 的单片元件；多焦点、紧凑型系统；出色的表面质量（至少达到RMSi50 nm）；无CGH 测量；单独的涂层和安装；针对生产而优化的光学系统设计。

由于自由曲面光学具有特殊的表面形状，还可以实现传统光学器件无法实现的功能。特别是对于小型光学组件，例如整体式组件。这在折叠光束路径时较为有利，并且可以替代现有的装置，例如反射镜系统。

1.2 自由曲面的光学设计优化

优化阶段也是光学设计的基础阶段之一，利用优化能够改善图像品质和调整系统的设计参数。针对几何光学设计系统，在优化阶段还可以采用光源测量。我们通过对各个空间和开放区域上的光源进行取样，并逐个追踪它们在表面上的路径，进而计算各个表面上光源的相对位移，从而计算并监控整个体系的相对偏移。同样，在调整过程中，还需要对整个系统的优化变量收集到相应的数值，从而使整个系统的整体图像质量误差向局部变化最小的方向偏离。可按照光束测量结果的类型重复上述过程。当每次重复后，应测量每个变量中图像质量限制的差值，并修改或优化测量参数。这样，检测到的光束越多，描述曲面形状的参数越复杂，重复计算的次数就越多，因此系统的收敛速度最快。然而，由于自由曲面系统的自由度很高，因此有必要仔细采样每个视野和光圈中的光，以避免在小面积内突然发生曲面变化。因此，自由曲面光学系统的优化通常比一般球面或非球面系统的优化困难得多。虽然现在电脑性能已经越来越强，大部分工作都能够让电脑自行完成，但是一些相当复杂的自由曲面光学系统，往往也要数天的时间才优化完毕。

因为汽车自由曲面优化设计时需要集中考虑视野，所以汽车图像曲面的总体图像品质将无法控制。而如果手动设置平衡，系统的整体图像品质将非常复杂和耗时，并在较大程度上依赖设计者的实践经验和知识。目前，图像级和整体图像效能之间的自动平衡算法已经能够很有效地降低这部分的实际工程量了。该方案的主要思路就是，通过某种方式对各视场的评价参数分配不同的权重。使用这种技术既能够使整体系统在每个观察点范围内都达到相对均衡的图像效能，而且还能够提高整个系统总体的图像处理效率。

2 光学透镜注射成型误差因素分析

2.1 注射温度

如果注射产品的结构规格一定，注入压力和灌注时间不但与注入体系的构造和尺寸相关，还与熔体温度和模具温度相关。所以，合理地增加注射温度和模具温度以促进模具填充流动十分有益。同时，表观熔体强度也随着注入温度的增加而呈指数减小。由于减小了冲击程度，熔体也更易于流出填充模。但是，由于灌注温度越高，熔融熔体在注入到模腔后的温度变化越大。在注射进模腔后熔融的液温分配不平衡，很易导致注射工件热收缩不均匀，结果产生了残余内压和双重裂纹，降低了工件的视觉应用特性。并且曲面造型的精确度也无法达到一定的要求。为了改善塑料注射透镜的光学性能和表面处理，应适当提高注射温度和注射压力。医用聚合物熔体应压缩在模型的光学表面上，以减少其痕迹模具填充的流速，使塑料透镜与模型的光学表面具有相同的涂层。

2.2 模具的温度控制

当模具温度升高时，冷却周期将增加，这将降低设计的总体效果。然而，模具温度调节越高，在相同型腔和截面宽度下，熔融金属的温差越小。随着冷却时间的增加，注入腔内的聚合物分子的深度方向关系被解除，从而获得折射率均匀的有效光学透镜。同样，通过合理地提高模具温度来改善光学透镜产品的表面处理也是非常有利的。而且因为模具温度较高，高分子聚合物颗粒处于熔融态的持续时间也较长，因此产物的表面致密性较好，表面光洁度也相应地获得了改善。

属于自由曲面类型的光学镜头种类很多。为证明上面方法的可靠性，进行了一个典型的光学系统的试验。

如图1所示，首先选择自由曲面和回转对称的光学系统（即非球面光学系统），并对其光感应元件反复进行注射成型的试验。

图1 射成型实验的非球面光学系统光学组件

图1中，A，B，C 和D 分别代表了光学系统的4个光表面。光学透镜的面形误差可以用Form Talysurf Series 2或PGI 1240非球面的技术检测，其分辨率约为10nm。

试验结果：当模具温度上升到90～100 ℃时，体积收缩率降到最低，从而使模具温度升高，体积收缩率也会增加。实验结果证明了上述理论分析的准确性。

2.3 注射压力与保压压力

注入型腔的高熔点液体在模具壁的冷却作用下将液态金属转变为固体，其体积收缩率高达25%。因此，当熔融液体充满模具型腔时，仍需要保持更大的压力。保持压力时，继续将材料注入模具型腔并产生压力，以保持流动，克服冷却引起的体积压缩。

压缩程度是塑料熔体在保压过程中所显示出的最主要的特性，在保压流动的过程中正是使用熔体的压缩程度，来克服在工件注射过程中过量压缩的问题。

充模保压流动和压缩流动在高压下都是可熔化或稠密流动。这种液体的主要特点是熔融液体的流量非常小，高温不起作用，但压力是影响过程的一个因素。在压力保持阶段，模具中加热的压力和比容不断变化。研究人员指出，热收缩现象的主要原因，即聚合物的比体积，是随环境温度变化的功能。当模腔内高分子聚合物的熔融温度降低到环境温度时，其比体积减小，导致热收缩。正常温度和压力下的塑料比体积与闸门关闭时低于温度和压力的体积之差称为热体积收缩，其基本关系可用公式：Sv=（Vm-Vs）/Vm×100%。其中，Sv为体积收缩率；Vm为浇口封闭时的温度、压力条件下的比容（cm3/g）；Vs为常温、常压下的比容（cm3/g）。由公式可知，要控制注射点封闭时间的比容值矿，就可以实现控制成型的体积收缩率S。之目的。而控制比容值，是要调节在浇注和锞压过程中的熔料温度和压强。

有研究表明，比容Vm。随温丁提高而扩大，随气压的增加而减小。这样，只要正确提高注射温度、注射压力和保持压力，就可以平衡两侧的功能关系，进而减小体积收缩，最终达到高精度模压光学元件的效果。所以，为了探究注射压力对光学透镜注射成型误差的影响，改变注射压力观察表面形状误差。

实验结果表明；提高注射压力程度将使得体积收缩率明显地减少。所以，在热保压技术实现过程中，由于完全能够使用塑料熔融液的压力程度，将使得在浇口完全闭合时熔料的比容与常温、常压下的比容相当，从而减少甚至防止了体积收缩率对塑料透镜面形精度造成不好的影响，以便得到高度精密性的光学镜片。

3 注射模具设计优化方法

3.1 合理的设计浇注系统

模腔中塑料与熔融溶液间体积收缩的不均匀分布，和模腔内压强分配的不均匀性直接有关。所以，为了小尺寸透镜，在设计模具时应该充分考虑流管直径、每个型腔的纵向截面积，以及注入点的直径。唯有如此，才可以在注入过程中保证各个模具型腔的内压强分布恒定，同时也能够提高由注射后各个模具型腔内所产生的镜片质量的一致性和稳定性。而对于尺寸很大的镜片，因为其口径和厚度都很大，而塑料熔融液在经过特定化合物后会迅速加入模具型腔，大分子高聚物很容易产生双分子取向性，所以在镜头内，尤其是在注射焦点附近就产生了较大的内压应力，因而生成双折射现象。所以，在设计模具时，就必须选择“二次浇口”等特殊注射点的总体设计方法。

3.2 模型温度的控制

光学塑料透镜的浇铸形式通常是多腔体的首次虚拟检测。为了使从每个模具型腔注入的工件的收缩率一致，每个模具型腔的温度必须严格保持均匀。对于大口径透镜，设计时应非常小心：除了严格保持不同模具型腔的温度均匀性，同一模具中不同点之间的温度调节外，还需要对第一个虚拟检测型腔进行测试，并尽量严格保证均匀性。因此，必须采用多点测量、温度自动控制、手动调整等的设计方式和措施，而立体控温管道的设计方案也是可行的。

3.3 透镜模芯对边型设计的特殊要求

（1）光学热探测表面的透镜孔径应大于最有效表面（清晰显示），空壳应比普通玻璃透镜宽，以满足边缘的不同热特性。

（2）注入型光学元件的空支架厚度将与普通玻璃光学透镜的厚度不同，且纵向切割厚度不一致。透镜的薄边（弯曲）边缘（有效膜外）可设计为与透镜中心具有相同的厚度，以避免不规则的注塑收缩。

4 结束语

塑料与光学器件的注塑成型技术是一个相当复杂的工程。为提高表面精度和表面纳米粗糙度，在注射成形技术中必须解决体积压缩、塑性流线、双重压缩与应变等重点技术问题。根据以往的技术研究与试验结果显示，通过高压注射、高压保压和高速保压等技术，能够明显减小注塑件的体积压缩量，从而提升了表面精度，正确提高注塑温度和模具温度。注塑光学表面的表面形状误差达到0.1 m 或更小，从而获得高精度的塑料光学元件。