｜數值方法於光學模具加工與檢測技術的應用

摘要：光學元件廣泛應用於日常生活中，是不可或缺的產品，跟隨著應用廣泛，產品規格要求也越來越高。這些光學元件係由超精密加工製程加工模具後，再經由成型製程（如射出成型、熱壓成型等）而成，因為規格精度要求高，故在模具加工製程階段降低其誤差，對後續成型製程有更大的貢獻，改善方向可從加工路徑、加工參數、檢測補償…等，可透過數值方法來輔助前述之方向，提升精度。

Abstract: Optical elements have become a key technology for different kinds of products in daily life. As the market demand grows, higher manufacturing accuracy is required. Therefore, optical molds for injection or hot embossing processes are now usually machined with ultra-precision machining systems to achieve high accuracy before mass production.

Numerical methods are well developed in recent years, and often used to improve production accuracy. Some results of numerical methods used on reducing errors of machining path, machining parameters, and inspection compensation are shown in this paper.

關鍵詞：光學元件、超精密加工、最小平方法

Keywords：Optical element, Ultra Precision Machining, Least squares method

前言
生活週遭常見的光學元件應用型式有手機相機用的非球面鏡片、遠近視用的雙焦點鏡片、游泳滑雪用的雙曲鏡片、太陽能的菲涅爾鏡片、投影機陣列鏡片、雷射列印機的f-θ鏡片…等如圖1，其中以非球面設計應用最廣，在2011年全球精密光學元件產值達142億美元，主要係應用於手機鏡頭鏡片佔33 %，其次是數位相機鏡頭佔32 %，台灣在當年度光學元件產值約746億新台幣，手機鏡頭與鏡片佔45 %，其次是數位相機16 %、光碟鏡片10 %、投影機鏡頭9 %...等 [1]。這些光學元件的製造係透過鏡面模具經由熱壓成型、射出成型、模造玻璃…等製程而生產。由於其鏡片精度要求越來越高，為提升製程技術，檢測技術是不可或缺，除可提升元件品質外，亦可縮短開發時程，常見的光學元件檢測設備有Zygo的光學式干涉儀、Taylor Hobson的表面形狀量測儀、Panasonic的三次元輪廓儀、次微米三次元量床、掃瞄式電子顯微鏡...等。

光學元件檢測技術主要為得到產品的形狀或尺寸精度，並且針對其缺陷進行加工製程或成型製程的修正、補償，而這些誤差修正的工具雖藉由加工、檢測設備上的套裝軟體達到所需的功能，但往往在實際開發過程中可能因為光學元件的特殊設計造成套裝軟體計算無法收斂，或是加工製程使用的套裝軟體無法滿足光學元件設計需求，此時，可以利用數值方法（Numerical Method）針對一些現有軟體無法解決的問題，以輔助分析量測數據的方式，協助提升製程精度。本文介紹金屬中心在100年引進UA3P-4設備，利用量測所得數據搭配數值方法協助精度提昇的案例，包括針對殘留在模仁表面的波紋分析技術，解決超精密加工機及週遭低頻振動問題；以輪廓分析方式減少操作者經驗不同的變異，建立單點鑽石車削刀具精確校正技術；以非球面係數回推方法，提供非球面鏡片成形收縮補償的解決方案；以變角度加工製程技術，改善太陽能聚光片製程及縮短加工時間…等，在後續章節將詳細說明。