自补偿之光学模仁形状补正技术-国家研究院.PDFVIP

2009/4/23 上午 12:00:00 自補償之光學模仁形狀補正技術 黃國政 ( ) 前言 自補償之模仁形狀補正技術主要是依據光學系統之波前誤差來優化光學模仁補償加工參數設計。此技術可將模仁形狀一次修正到位，不需要進行光 學材料之射出成形或模造成形之收縮、翹曲及轉印等誤差修正。 自補償之模仁形狀補正技術主要是依據光學系統之波前誤差來優化光學模仁補償加工參數設計。首先將干涉儀量測的光學系統打樣鏡頭波前誤差之 數據資料，利用光學軟體（OpTaLiX、ZEMAX 等）將波前誤差值以 Zernike 函數表示式反相輸入光學軟體設計資料庫中，打樣鏡頭的原始設計值之 波前誤差加上鏡片製造與組裝所產生之波前誤差後，與干涉儀量測出來的波前誤差數值幾乎一樣。再經過光學軟體優化後即可獲得光學模仁形狀修 正值。此模仁修正法可一次到位，不需要進行光學材料之射出成形或模造成形之收縮、翹曲及轉印等誤差修正。 以目前工業用光學鏡片其材料及製造方法來說，可區分為傳統人工研磨玻璃鏡片、模造玻璃鏡片及塑膠射出成形鏡片等三大類。傳統鏡片的人工生 產方式以一連串的輪磨、研磨及拋光等程序製作，不僅加工過程緩慢且涉及較複雜之人工技術，尤其是非球面鏡片製作更不易達成。因此模造玻璃 及射出成形便成為非球面鏡片量產的重要技術，兩者的共同點皆是利用模仁及模具以壓模或射出而形成透鏡，其所製造之鏡片不僅品質優良，而且 可降低生產時間及加工成本。 對高精密度（P-to-V 值小於 0.1 µm）的光學鏡片而言，其模仁形狀精度與表面粗糙度的要求相當嚴謹，主要製作的方式是使用鑽石車削或研磨 ，加工後的模仁可使用UA3P 輪廓儀或 ZYGO 干涉儀等儀器量測，以準確掌握模仁形狀精度。估算模仁加工誤差時，目前多以近似法求得。由於射 出或模造製程中存在收縮、翹曲、變形及內部應力等多項瑕疵，近似值的求法並無法完美解決鏡片補償的問題，而自補償光學模仁形狀補正技術是 使用干涉儀進行打樣鏡頭之波前誤差量測，以取得該鏡頭成像誤差來進行模仁補償加工參數的演算，量測所得波前誤差反相回饋至光學設計軟體中 ，並經光學軟體進行補正優化，以調整鏡片形狀參數，使優化後之光學系統之波前與反相回饋至光學設計軟體中之量測波前誤差相吻合。所得新鏡 片形狀參數即為模仁加工補償修正依據。且只要保持兩次加工製程相同，並不需要考慮加工路徑補正與鏡片成形瑕疵等問題。 2004 年 Yasuhiro 等人曾利用波前誤差量測的方式，設計一款 DVD/CD 共存的藍光高畫質讀寫頭，採用 780 nm/CD 及 660 nm/DVD 兩種波長，整 組讀取鏡頭為兩片鏡片，第一片為塑膠製鏡片，第二片為玻璃鏡片，CD 與 DVD 讀取時是由兩種不同波長的光讀取，因此第一與第二階的光是被用 來讀取 DVD 與 CD 上的資料，兩種波長的光可用兩片鏡片便可讀取兩種不同規格系統的光碟資料，依據波前誤差作為分析光學路徑的方式可讓兩 種不同波長共存在同一套光學鏡片中。 圖1 Lumos G20-150X 之數位顯微鏡頭 圖2 射出成形透鏡 自補償光學模仁形狀補正方法以一個 Lomus G2 -150X 之顯微鏡頭為目標光學系統（如圖1），於光學系統最前方使用一顆 PMMA 非球面塑膠透鏡 當成系統波前誤差量測之標的鏡片。將原設計顯微物鏡之 PMMA 非球面鏡以射出成形機製得（如圖2），並組裝於系統內，以 Fizeau 干涉儀量測 其系統之波前誤差，再將前述誤差輸入光學軟體中，並再次執行優化以取得 PMMA 非球面修正外形（如圖3）。比較優化前後的外形設計值，即可 獲得鏡片外形補償量。此例中，模仁於外部形狀修正值為 0.56 µm，如圖4所示。以補正後模仁製作出來的非球面透鏡組裝於顯微鏡頭內，干涉儀 所量得波前誤差約為 1.0 µm（1.65 倍波長），如圖5所示。若將標的透鏡修正前後的顯微鏡頭之波前誤差相較（如圖6），波前誤差由 5 µm 降至 1 µm。其中，目前只針對軸對稱之系統波前誤差進行補償。 圖3 非球面透鏡修正前與修正後之外形 圖4