塑膠光學材料在成像設計的應用技術
前言
塑料材料具有重量輕、價格低和量產能力強的優勢，且 由於模具加工技術的改進，被廣泛應用於 3C 產品中， 特別是 PC 和 PMMA 兩種材料。成像鏡頭因其對品質要 求較高，以往均使用玻璃材料，但玻璃較重，且尺寸小 的鏡片不易加工，所以塑料材料用在手機成像鏡頭上非 常普遍。PC 和 PMMA 的吸水率（Water Absorption） 高於玻璃 ，因此一些塑料材料商開發了COC（環烯烴共 聚物 , Cyclic olefin copolymer）塑料材料。 COC 的透 射率、阿貝數與雙折射效應與PMMA 相當，折射率介 於PC 和PMMA 之間，但吸水率更低，所以高品質的 手機成像鏡頭，會選擇COC 材料；若要降低成本，則 部分鏡片會以光學級的PC 或PMMA 替代。本文利用 光學設計軟件 CODE V 探討如何在設計過程中有效使用 塑料光學材料。
光學設計的初始結構
當今因 3C 產品生命週期短，鏡頭廠商多，為了能快速 拿到訂單，通常會使用現成的鏡頭在光學軟件中進行修 改。
現成鏡頭的材料可能是玻璃，若使用專利鏡頭，則材 料僅以 Nd/Vd 值（稱為虛擬材料）顯示。本示例以 虛擬材料的專利鏡頭做為初始結構，先使用「全局優 化」工具，找出幾個有趣可行的結構。優化過程中， 軟件會將類似的結構歸為同類，並顯示每個結構的誤 差函數值。設計者需選擇誤差函數值較低的幾個結 構，並判斷其可行性後再繼續使用「全局優化」進行 更長時間的設計工作。
優化過程中考慮公差
產品製造與組裝時，各部件的公差必定會影響產品品 質，若能在設計過程中預先考慮公差，就能節省成本。 當找到可行的結構時，在 CODE V 中可以加入表面公 差靈敏度的約束條件，再進一步使用「全局優化」進 行優化。 ( 圖1)(a) 為未使用公差靈敏度約束時公差分 析的良率圖，(b) 為增加公差靈敏度約束時公差分析 的良率圖，明顯看出考慮公差後的優化設計將有助於 提升良率。
以塑膠材料替換虛擬材料
接著，設計者需要將虛擬材料替換成真實的塑料材 料，以滿足規格要求。CODE V 中「玻璃專家」工具 可有效將玻璃或虛擬材料轉換為真實的塑料材料，並 執行優化達到設計要求。軟件本身內建塑料材料包 括 OSAKA 和 ZEON 等廠商的材料庫，以及 TOPAS、 MITSUI、JSR 等私有目錄材料，設計者可預先決定這 些材料庫中哪些材料是可獲得的，將它們的名稱放在 一個文件中，執行玻璃專家時，以此文件內的塑料材 料替代虛擬材料。
設計者可對材料本身的幾項參數設定搜索條件，例如： 折射率範圍、抗酸鹼程度、價格因子、材料吸收係數等。經過「玻璃專家」工具轉換後的設計結果如(圖2) 所示。
最後階段降低公差靈敏度
塑料材料替換後，還需要進行降低公差靈敏度的優 化。 CODE V 提供另一種降低靈敏度的算法，可在優 化過程中以用戶自定義的公差進行公差分析。與前述 表面公差靈敏度約束條件不同的是，它可以讓使用者 清楚地知道控制的公差項目有哪些。 ( 圖 3) 顯示優化 後對於較大視場的良率有顯著的提升。 ( 首圖 ) 為設 計完成後成像模擬的結果。
結論
當今光學級塑料材料已達到高透射率、低吸水率與低 雙折射效應，加上重量輕且易於開模大量生產的優 點，其已廣泛用於消費性產品成像鏡頭中。在設計上， 借助光學模擬軟件，可將原先玻璃材料鏡頭或虛擬材 料專利鏡頭以塑料材料替換。優化過程中若將公差一 起考慮，更可降低公差靈敏度，有助於良率提升。■
