■陳炤彰/臺灣科技大學機械系特聘教授
TIR Lens 之光學元件設計原則
近年來光學產業快速發展，LED 照明元件需求大增，由於射出成型制程的成型均一性、生產快速和精密度高之優勢，在各種光學元件上已有廣泛應用。固態發光二極體(LED) 在照明應用上扮演著重要的角色，現今LED 已逐漸取代傳統光源，為使光源能夠受控制，以及增加光的均勻性，二次光學元件，如全反射二次光學元件(Total Internal Reflection, TIR)，已多應用在提升LED 照明系統的光學性能。
以射出生產的光學元件設計原則並非只考慮產品厚度之均一性，必須滿足光學性質之特殊設計，所以僅能從模 具設計和射出參數調整，才能得到良好的產品。此例之TIR Lens 為具有相當厚度的產品，使得制程參數設定不易，產品在實際射出前，可先藉由模流分析軟體Moldex3D 得到優化參數，依照此優化參數進行實際射出及微調。由分析結果得知，產品因厚度較厚，導致產品表面溫度(219℃ )。與內部溫度(80℃ ) 差異大，造成熱殘留應力累積，因而導致光源進入光學元件時發生雙折射，造成光學性能不佳。
噴流/ 包封問題改善
一般在鏡片產品設計上，為了不影響光學導光效能，澆口尺寸會儘量縮小，但會造成射出時噴流痕及包封產生，在不修改澆口尺寸的前提下，僅能調整射出參數避免噴流發生，調整方法有二：在充填流道時使用較高射速充填，進入澆口時降低射出速度。提高模具溫度及塑膠溫度亦可降低噴流痕發生，其原理為延長熔膠冷卻固化時間，降低凝固層生成速率，減緩噴流效應。
在充填流道時使用較高射速充填，進入澆口時降低射出速度。提高模具溫度及塑膠溫度亦可降低噴流痕發生，其原理為延長熔膠冷卻固化時間，降低凝固層生成速率，減緩噴流效應。
除了上述噴流痕與包封問題，殘留應力也是影響鏡片光學品質的重要因素，利用Moldex3D 模擬工具，探討保壓壓力對殘留應力von Mises Stress 的影響程度，發現在超過特定保壓壓力下，殘留應力會大幅增加，對鏡片的光學性質造成NG。
綜觀以上，TIR Lens 之設計須考量澆口尺寸、分模線等限制，由射出成型實驗得知，元件之成型優劣取決於熔膠進入澆口速度與方向。高品質TIR 元件須留意殘留應力影響的效應，利用Moldex3D 分析工具，可協助產品設計與成型參數最適化之驗證。而在噴痕與包封之研究，實際上須留意三維充填效應，減少二次包封及降低翹曲。
圖1： TIR Lens 與LED 相對位置圖
塑膠光學射出成型技術與應用發展
精密光學元件制程中最重要的就是要應用到精密元件的射出成型製作技術，目前對於光學元件射出成型技術的研發以精密微射出成型設備及微光學模具的開發製造。其中尤以微光學模具的開發製造最為關鍵與缺乏。綜合言之，光學精密元件在精密制程方面待開發的關鍵議題在於微射出成形機光學模仁之設計及開發；不僅較傳統射出成形模具複雜，精度要求也較高，目前也缺乏深入而有系統的研究。得在實驗和理論兩方面共同努力，以求更深入的探討，進而建立應用的通則以支援未來光電產業界對相關元件製作技術的掌握。俾於可更加速國內光電產業之技術提升。
射出成型光學鏡片近來已大量應用於各種電子產品，然而厚度變化大與低殘留應力之要求 提高鏡片製造的困難度。光學元件在3C 產品中應用廣泛，無論是成像或非成像，光學元件在手機的相機、平面顯示器的背光模組及LED 照明等產業需求非常明確，因此光學元件之射 出成形模具設計與分析有其必要性，而且是相關產業發展之關鍵技術。
在此產業裡不乏老字型大小的光學廠商。由於近年來數位影像產品的市場崛起，光學元件產業與市場方有嶄新的風貌，尤其是數位相機與影像手機的市場快速發展，讓光學元件與鏡 頭產業欣欣向榮，呈現有史以來的榮景。本課程包含光學元件之模具成形技術，研發模具設計的方法，並介紹未來產業發展的趨勢，期能共同提升國內產業技術層次與競爭力。
圖2：Moldex3D 分析結果 – 溫度分佈剖面
圖3：產品因噴泉效應導致噴流痕及氣泡
自從高分子工業發展迅速，各種塑膠特性往往都能超越傳統材料，舉凡機械性質、電氣性質、加工性、耐候性等等，都是傳統材料難以與之匹敵的優點。由於塑膠具有加工容易、品質輕、價格便宜、用途廣泛等優越的特性，使得塑膠在目前的各項產業科技中，已大量地取代其他工業用材料。
而近年來，更由於光的資訊和通訊等科技神速進步與被廣泛的應用，光電產品及其零元件更是不斷地推陳出新，並迅速成為市場上需求龐大的消費性產品。而在此光電革命中，居於關鍵性地位的光電零元件，更是影響產業發展的重要因素，其中光學鏡片更可說是光資訊與光電系統中不可或缺的零元件。
圖4：保壓壓力對殘留應力影響
