微透鏡數(shù)組成型技術(shù)突破性進展

本文探討經(jīng)由Moldex3D分析不同流道設(shè)計和成型參數(shù)的優(yōu)缺點，采用直接澆口技術(shù)，能夠大幅提升材料利用率，從而成功生產(chǎn)出微透鏡數(shù)組。

為了解決傳統(tǒng)透鏡多組鏡片的厚度問題，因而開發(fā)出具有輕薄、多功能和數(shù)組特性的微透鏡。有別于以往使用扇形澆口制作微透鏡數(shù)組，此案例開發(fā)出快速、均勻且具備良好光學性質(zhì)之微透鏡數(shù)組成型制程。
藉由利用Moldex3D模流軟件，探討不同流道系統(tǒng)之利弊，改善傳統(tǒng)流道系統(tǒng)冷流道塑料損失，驗證基盤成型的可行性，分析仿真結(jié)果并優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。最終在實際成型實驗中，成功地于4吋基盤上制作出質(zhì)量良好的雙面微透鏡數(shù)組。

挑戰(zhàn)
在微透鏡數(shù)組成型制程當中，往往會面臨以下的挑戰(zhàn)，包括改善流道設(shè)計、節(jié)省材料，并且增加單模次成品數(shù)量；利用Moldex3D驗證制程可行性，減少反復試模的時間及成本；優(yōu)化產(chǎn)品翹曲與光學性質(zhì)，制作出低殘留應力、高精度及優(yōu)良光學性質(zhì)的微透鏡數(shù)組。

科盛科技為中國臺灣大學提供射出壓縮成型（ICM）、流動分析模塊Flow、保壓分析模塊Pack、翹曲分析模塊Warp、光學分析模塊Optics等解決方案。臺灣大學團隊利用Moldex3D分析模具設(shè)計的可行性，利于減少重復試模的修改時間和成本。再根據(jù)成型狀態(tài)、殘留應力和翹曲程度，找到對翹曲和光學性質(zhì)有較大影響的指標要素，并采用田口法得到最佳參數(shù)。
此外，也以模內(nèi)成型的角度解釋射出成形（IM）與射出壓縮成型（ICM）的差異，成功地于4吋基盤制作出雙面微透鏡數(shù)組。

效益
藉由利用Moldex3D模流軟件，能夠得到以下的效益，例如采取直接澆口而非傳統(tǒng)扇形澆口，讓材料使用率從18.8%大幅提升至66.3%；利用射出壓縮成型后收縮率下降1.5至2%，透過田口方法優(yōu)化后更降至1.5%以下；利用Moldex3D驗證IM和ICM兩者的差異及優(yōu)劣；改善產(chǎn)品雙折射率差，提升光學性能。

案例研究
現(xiàn)今虛擬現(xiàn)實與穿戴式裝置的發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)透鏡由多組鏡片搭配，易產(chǎn)生過厚的問題，因此開發(fā)出具備輕薄、多功能與數(shù)組化之微透鏡勢在必行。不同于扇形澆口產(chǎn)生的微透鏡數(shù)組（圖一），本項目利用直接澆口開發(fā)出生成快速、均勻和光學性良好的微透鏡數(shù)組成型制程。


 
圖一 : 原始流道設(shè)計
使用直接澆口一次產(chǎn)生48個微透鏡數(shù)組（圖二），可顯著提升生產(chǎn)效能同時減少材料的浪費（圖表三）。

 
圖二 : 直接澆口和最終成品示意圖


 
圖三 : 在冷流道中用扇形澆口和直接澆口的比較

臺大團隊利用田口法找出射出成型（IM）與射出壓縮成型（ICM）的最佳參數(shù)，以減少殘留應力和翹曲。不同于融膠溫度、射出速度、保壓壓力和冷卻時間等在射出成型中相對重要的因素，在射出壓縮成型中，以融膠時間、壓縮間隙、壓縮時間及壓縮組件會對保壓和光學性質(zhì)上有較顯著的影響。圖四和圖五為IM和ICM的翹曲與總和光彈條紋比較。結(jié)果顯示ICM減少了總位移和收縮，相較于IM也具備更好的光學性能。


 
圖四 : IM和ICM間總位移的比較


 
圖五 : IM與ICM總和光彈條紋的比較

最終，模擬結(jié)果通過實際成型實驗的驗證，在4吋基盤上成功的制作出具有相似光條紋和光學性質(zhì)的雙面微透鏡數(shù)組（圖六）。以O(shè)KP4為材料，僅在射出成型靠近澆口區(qū)域觀察到光彈條紋，在射出壓縮成型中則并未觀察到此現(xiàn)象。
如圖七所示，成型微透鏡數(shù)組展現(xiàn)了其聚焦功能和清晰的成像。在Moldex3D仿真分析軟件的幫助下，雙面微透鏡數(shù)組成型技術(shù)與效率得到大幅提升，亦滿足現(xiàn)今光學產(chǎn)業(yè)高性能且微小輕薄的需求。


 
圖六 : 模擬與實際成型的光彈條紋


 
圖七 : 透過成型微透鏡觀察到的畫面

結(jié)果
此案例藉由Moldex3D分析不同流道設(shè)計和成型參數(shù)的優(yōu)缺點，通過采用直接澆口取代原本扇形澆口設(shè)計，能夠?qū)⒉牧侠寐侍岣叩?6.3%，從而成功生產(chǎn)出微透鏡數(shù)組，其材料使用率是扇形澆口的三倍。射出成型和射出壓縮成型參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化之后，翹曲和收縮程度也被大幅度改善。
最終，在實際成型實驗中完成了雙面透鏡數(shù)組的制作，結(jié)果顯示出與Moldex3D模擬高度相符。
（本文作者鄧詠心為科盛科技技術(shù)支持處工程師）