制造具有自由曲面的模仁，和使用所述模仁来制作镜片的方法与镜片

摘要

一种具有自由曲面的模仁的制造方法及模仁，包含以下步骤：将模仁置于加工机的旋转轴面上，所述模仁具有模仁中心轴，而所述模仁中心轴与所述旋转轴面的轴心不共轴，且所述模仁不在所述旋转轴面的轴心位置；旋转所述加工机的所述旋转轴面；使用加工工具，从所述旋转轴面的二维方向，以及所述旋转轴面的轴向前后等三个方向，同时作动方式对所述模仁加工；持续加工至产出自由曲面的所述模仁。

说明书

技术领域

本发明关于一种具有自由曲面的模仁和其制造方法，以及利用所述模仁制造镜片的方法，特别是一种以离轴方式慢刀伺服加工制造的模仁和使用所述模仁来制作镜片的方法。

背景技术

与传统光学组件相比，具有自由曲面的光学组件能够显着简化光学系统的结构、降低成本、提高光学系统的性能。但是其对面形精度以及表面粗糙度的要求较高，在实际应用当中表面粗糙度一般需要达到纳米级，轮廓精度的要求也需要达到微米甚至次微米级。超精密单点金刚石车削方法能够实现一次加工达到较高的表面加工品质，满足光学系统对光学组件的表面品质要求，因此被广泛的应用到光学组件的加工当中。慢刀伺服的车削方法具有较好的加减速性能、进给行程较大，可以实现幅值较大、曲率变化较大的光学自由曲面的加工，例如用于光学镜片模仁的加工。

请参阅图1A，其显示一种适用于超精密加工自由曲面的慢刀伺服加工装置1的配置方式的示例。慢刀伺服加工装置1具有加工旋转轴面3，加工旋转轴面3具轴心C、第一轴面方向X和第二轴面方向Y，由第一床台2控制加工旋转轴面3朝X或Y方向移动。加工刀具5可配置在不同于第一床台2的第二床台4，可以沿垂直于X和Y方向的Z方向移动。待加工材料7配置于加工旋转轴面3邻进轴心C的位置，透过计算机控制的自动加工程序进行加工。

图1B显示传统方式将模仁材料10安装在加工旋转轴面3的轴心C上，经过慢刀伺服加工装置1加工后的切削表面的上视图，图中X和Y轴交会的参考原点O通常是加工起点，加工路径Acut所形成的加工痕线从参考原点O以渐伸的型态式按照默认的加工路径布满在切削表面。

图1C显示图1B中的模仁材料10沿X轴的加工痕线深度D的一种型态的示意图，图中的C表示相对于加工旋转轴面3的轴心C的参考原点O位置。如图所示，邻近参考原点O附近，例如图中a点和b点之间的加工痕线深度特别深，而a点和b点之外的加工痕线深度则差异不大。图1D显示图1B中的模仁材料10沿X轴的加工痕线深度D的另一实施型态的示意图，和图1C的型态相反，图中a’点和b’点之间的加工痕线深度特别浅，但是a点和b点之外的加工痕线深度也差异不大。

使用上述方式所制作的模仁，由于邻近加工旋转轴面的轴心C的部位所出现的加工痕线往往和周边部位的加工痕线之间深度有明显差距，所以生产出来的透镜的光学效果受到不良的影响。因此，如何能够避免上述装置的缺点，是需要解决的技术问题，如图1E所示，传统慢刀伺服加工后的模仁曲面中心区域的加工痕线的高低差约18纳米。

发明内容

依据本发明的一面向，提出一种以离轴方式慢刀伺服加工制造的模仁和其制造方法，可以一次产生多个具有自由曲面的模仁，提高生产效率；而且曲面上不同位置的波纹误差趋于一致，大幅改善透镜的光学效果。

依据本发明一实施例，提出一种具有自由曲面的模仁的制造方法，所述方法包含以下步骤：将模仁工件置于加工机的旋转轴面上，而所述模仁工件与所述旋转轴接触面的中心轴，与所述旋转轴面的轴心不共轴。然后，旋转所述加工机的所述旋转轴面，并使所述旋转轴面与所述加工工具，以旋转轴向、径向或是各轴的旋转等三个维度的方向，相对移动进行加工，并持续加工至产出具有自由自由曲面的模仁。

依据本发明另一实施例，提出一种具有自由曲面的模仁，由上述方法所制出，其中所述模仁包括具有多条加工痕线的自由曲面，且所述自由曲面不存在多条同心圆心形状的加工痕。

依据本发明另一实施例，提出一种使用上述方法所制作的模仁来制造镜片的方法以及所述方法制出的镜片，包含以下步骤：加热镜片材料，然后将所述被加热镜片材料，置入第一模仁及第二模仁之间。而所述第一模仁设有自由曲面，且所述自由曲面具有多条非同心圆心形状的加工痕。然后冷却所述镜片材料使之成型。并在镜片成型后，将所述镜片自所述第一模仁与所述第二模仁脱模，得到成型镜片。

依据本发明另一实施例，提出一种镜片，由上述方法所制作的模仁来制造。

本发明所提出的以离轴方式超精密加工自由曲面模仁的方法，适合应用于光学镜片用模仁的生产中，具有产业利用性。

附图说明

本案通过下列图式的详细说明，获得更深入的了解︰

图1A是公知的慢刀伺服加工装置的示意图；

图1B是经过慢刀伺服加工后的切削表面的上视示意图；

图1C是图1B中的模仁材料的加工痕线深度的示意图；

图1D是图1B中的模仁材料的加工痕线深度的另一示意图；

图1E是另一经过慢刀伺服加工后的切削表面的加工痕线深度的示意图；

图2是依据本发明以离轴方式慢刀伺服加工制造模仁的一实施例的示意图；

图3是依据本发明另一实施例，将模仁材料配置于偏心治具的示意图；

图4是依据本发明另一实施例，将模仁材料配置于偏心治具的示意图；

图5是依据本发明另一实施例，将模仁材料配置于偏心治具的示意图；

图6显示依据本发明一实施例所制作的模仁材料样品的切削表面的加工痕线深度示意图；

图7显示依据本发明一实施例所制作的样品，其表面加工痕线的示意图。

具体实施方式

本案所提出的发明将可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得所属技术领域中具有通常知识者可以据以完成的，然而本案的实施并非可由下列实施例而被限制其实施型态，所属技术领域中具有通常知识者，仍可依据说明书公开的实施例的精神，推演出其他实施方式，所述等实施方式仍属于本发明的范围。

光学镜片模压成型技术，是利用了玻璃从熔融态向固态转化的过程是连续可逆的热加工性质，在玻璃的转变温度Tg附近，对玻璃和模具进行加温加压，模仁可以一次性将光学玻璃模压成达到使用要求的光学镜片。由于光学玻璃模压成型法摒弃了传统的粗磨、精磨、抛光以及定心磨边等制程，直接一次成型，大大节省了材辅料、时间、设备及人力，且能模压出不同形状，尤其是在非球面光学玻璃零件制造方面。除了玻璃材料，此方法也可以用于制作其他材质的透镜。所述的镜片材料例如是玻璃硝材。依据一实施例，使用所述模仁制造镜片时，可先加热镜片材料，然后将所述被加热镜片材料，置入第一模仁及第二模仁之间。所述第一模仁与所述第二模仁之间可形成腔室，而将所述被加热镜片材料置入所述腔室中，充满所述腔室。若是射出成型，通常是以高速高压的情况件下，将镜片材料注入两个模仁之间。而由于至少一个模仁有自由曲面，且所述自由曲面具有多条非同心圆心形状的加工痕，所以在冷却所述镜片材料后，将所述镜片自所述第一模仁与所述第二模仁脱模，就可以得到自由曲面具上有多条非同心圆心形状加工痕的成型镜片。近些年来应用精密聚合物光学组件的需求已变得越来越重要。由于热塑性塑料和射出成型加工技术两者自身的独特性质，聚合物光学组件能够在符合成本考虑的基础上将光学表面与安装特征相结合。射出成型加工的精密度仰赖模仁的加工表面精密度，特别是用于光学镜片射出成型的模仁。

通常，射出成型模具组的可动侧和固定侧，分别包括一个结构大致相同，且流道结构为对应的组件组，但在另一实施例中，其可选择性的嵌设在可动侧模板，或固定侧模板中亦可，本发明不以此为限。射出成型的镜片材料，例如是光学树脂。另外，设于可动侧的组件组中心处的穿孔，可用于容置顶针等机构。固定侧模具包括固定侧模板、固定侧固定板(如第一模板)、固定侧抵压模板、固定侧模仁及灌嘴。固定侧固定板设有注料口，以接受高温流动塑料的注入。固定侧模板具有流道，以提供高温流动塑料的流动通道。固定侧模仁具有数个模穴，以容纳高温流动塑料。模穴具有特定形状，如多边形、圆形或椭圆形等的腔室，使在模穴内的高温流动塑料冷却固化后形成所述特定形状，最后将所述镜片自所述第一模仁与第二模仁脱模，得到成型的所述镜片。

请参阅图2，其显示依据本发明制造具有自由曲面的模仁的制造方法实施例的示意图。搭配图3，本发明提供一种偏心治具100，可以将至少一个模仁材料10配置于其上，各模仁材料10所具有的几何中心轴线以C”表示。当偏心治具100被装设在如图1A所示的慢刀伺服加工装置1上的加工旋转轴面3，图中可知加工旋转轴面3的轴心C和各模仁材料10的几何中心轴线C”不共轴，而且各模仁材料10也不在加工旋转轴面3的轴心C的位置，所以说是以偏心的方式配置。

偏心治具100的参考原点O的位置就落在相对于轴心C的位置，慢刀伺服加工装置1的第一床台2可以让偏心治具100在加工过程中在计算机程序的控制下，同时沿第一轴面方向X和轴面方向Y实现二维的加工路径；第二床台4可配合计算机程序实时控制Z方向，相当于加工旋转轴面3的轴心C向前或向后的加工深度。这样一来，只要事先掌握偏心治具100以及配置其上的模仁材料10的三次元位置的数据，或者说是治具与待加工件的三维几何关系，在本发明的离轴加工程控下，可以用慢刀加工的方式一次在多个模仁材料10上形成所需要的自由曲面。本发明所应用的加工机可以是使用切削刀具例如车床，或是使用研磨轮的类工具的加工机具。

所谓三轴加工，主要是指旋转所述加工机的所述旋转轴面，并使所述旋转轴面与所述加工工具，以旋转轴向及径向等三个方向，相对移动进行加工；并不限定是旋转轴面以一维方向、二维方向或是三维方向移动，只要二者相对移动是三维方向即可。也就是，旋转轴面可能是二维方向移动，而加工工具是一维方向移动，二者构成相对的三维方向移动。

而本发明所谓的一个维度方向(一维方向)，是指传统的X轴、Y轴、Z轴，或是X轴旋转(A轴)、Y轴旋转(B轴)、Z轴旋转(C轴)。二维方向移动或三维方向移动，即是上述两个或三个轴向的移动或旋转。

在进行实际加工之前，需要先利用定位销或螺丝等扣件将模仁材料10配置于偏心治具100远离使所述模仁材料远离所述加工旋转轴面3的轴心C相对位置，换句话说，模仁材料10配置的位置必须远离参考原点O的位置。图2的示例显示有4个模仁材料10以偏心的方式配置于偏心治具100之上，实践中的模仁材料数量不限于此。从图中可以理解，模仁材料10各自具有其中心轴(未显示)，而这些模仁材料10的中心轴和所述加工旋转轴面3的轴心C不共轴，且模仁材料10不在所述加工旋转轴面3的轴心C的位置。

偏心治具100的几何轮廓是已知的，所以能提供定位的功能，进而作为编辑本发明所使用的离轴加工程序的基本数据。所述离轴加工程序可以让计算机执行，控制慢刀伺服加工装置1而让加工刀具5在加工表面上通常(但不限于)从参考原点O开始，沿加工路径Acut逐渐形成加工痕线。比对图1C/1D和图2的相对位置可以了解，由于所有的模仁材料10都以偏心方式远离参考原点O，所以是位于加工痕线深度差异不大的区域，类似图1C/1D中a点和b点(a’点和b’点)之外的区域位置。这样的配置方式，可以让模仁材料10避开邻近加工旋转轴面3上邻近轴心C的区域，所以不会出现波纹(waviness)明显变异的误差。

为了实现特殊的光学功效，许多透镜组合的镜片，都具有各种不同的非球面，乃至于自由曲面，适合以模压或射出成型的方式，使用具有预定自由曲面的模仁，进行这些光学镜片的量产。在镜片以模压成型的过程中，包括一个脱模过程，是使两个对应的模仁，与所压出的镜片成品脱离。在此过程中，存在于模仁自由曲面上的加工痕线，避免了模仁和镜片成品表面之间的真空现象，使得脱模过程顺利完成。所以对这类光学镜片的模仁而言，机械加工形成所需的自由曲面之后，不需要后续的抛光或其他加工，所以波纹近乎一致的加工痕线，有时是一个有利的加工表面。

图3是本发明另一实施例，将2个模仁材料10配置于偏心治具100的示意图。相同的，偏心治具100的参考原点O的位置落在相对于轴心C的位置，而模仁材料10是配置于远离参考原点O的偏心位置。图中各模仁材料10的几何中心轴线，以C”表示。图4是本发明另一实施例，将6个模仁材料10，配置于偏心治具100的示意图。模仁材料10在偏心治具100的位置，可以是彼此对称的，也可以用不对称的方式来配置。

图5提供本发明另一种实施例，为了增加量产的效率，可以在偏心治具100上，搭配多个辅助治具120，以搭载更多的模仁材料10。图中所示的范例，是在4个辅助治具120之上分别配置4个模仁材料10，本领域具有通常知识者可以了解，偏心治具100上的辅助治具120，可以不限于4个，而每个辅助治具120上所配置的模仁材料10数目，也可以依需要而调整，皆不超过本发明的构想范围。

图6显示依据本发明的方法所制作的一模仁材料10样品，模仁中心区域的波纹误差高低差约5.3纳米，相较于图1E所显示的量测数据可知，本发明可有效改善传统慢刀伺服加工的问题。

图7显示依据本发明以离轴方式超精密加工自由曲面模仁的方法，所制作的一模仁材料20样品其表面加工痕线的示意图。相较于图1B所示的螺旋或同心圆状表面加工痕线，图7所示的加工痕线条图案中找不到任何类似螺旋或同心圆的形状，而是近似并行线般的出现。细看这些加工痕线可以发现，其中每一条线都具有至少两个端点。例如，加工痕线201具有端点201a和201b，加工痕线202具有端点202a和202b，加工痕线203具有端点203a和203b。反观图1B所示的螺旋或同心圆状表面加工痕线，在靠近中心的位置只看到一个端点。所以，依据图2和图7所示的线条图案可以理解，模仁材料10/20在加工过程中是被配置于偏心的位置。由于依据本发明实施例以离轴方式加工自由曲面的模仁成品，其加工表面上的加工痕线都通常会形成类似的图案。所以，模仁上具有自由曲面，而所述自由曲面上有多条加工痕线，且所述自由曲面不存在同心圆心形状的加工痕。进而使用此种模仁制造镜片，因此产出的镜片，具有自由曲面，且所述自由曲面上有多条加工痕线，且所述等加工痕是非同心圆心形状，且条加工痕线为实质平行的曲线。

上述的慢刀伺服加工装置1的加工刀具，可以是切削刀具或研磨轮，所以所述慢刀伺服加工为超精密车削加工及/或超精密磨轮加工。依据本发明所制造具有自由曲面的模仁，包括具有多条加工痕线的被加工自由曲面，且所述自由曲面不存在同心圆心形状的加工痕。

由上述说明可知，在一些实施例中可使得具有自由曲面的模仁制造方式，在量产效率方面可以大幅增加，而离心的配置，可以让自由曲面的加工痕线(波纹)深度差异幅度减小，可以说是技术的创新。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。另外，本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利范围。

符号说明

1：慢刀伺服加工装置

2：第一床台

3：加工旋转轴面

4：第二床台

5：加工刀具

7：待加工材料

10/20：模仁材料

100：偏心治具

120：辅助治具

201/202/203：加工痕线

Acut：加工路径

C：轴心

C”：几何中心轴线

O：参考原点

P1：量测起点

P2：量测终点

X：第一轴面方向

Y：第二轴面方向