■揚明光學 / 劉世璋 資深處長
前言
在數年前，擴增實境(Augmented Reality, AR) 和虛擬實境(Virtual Reality, VR) 與汽車抬頭顯示器(Head Up Display, HUD) 的硬體製造成本偏高且相關軟體的開發尚未完備。因此，這類產品大多只出現在航空、軍事設備等高端產品，對多數民眾而言仍屬遙不可及的光電產品。
但近年來，隨智慧型手機開始支持VR 頭戴式裝置，讓消費者可以有接觸它的機會，並獲得不同以往的體驗。而醫療產業及工業4.0 也在AR 風潮的帶動下，逐漸改變著相關產業的運作模式。車用HUD 可降低駕駛員需要低頭查看儀表的頻率，避免行車期間的注意力中斷，提高駕駛汽車的安全性。隨著5G 的蓬勃發展及工業4.0 趨勢的風起雲湧，可預期AR、VR 與HUD 等光學產品，在教育、汽車、醫療、製造、消費等產業中的重要性將會逐漸提高，並受到普及。
自由曲面光學透鏡製備技術
為提高人們穿載AR / VR 裝置的舒適性，以及減少汽車裝置HUD 系統的空間，傳統的球面鏡與非球面鏡之光學設計已無法滿足AR / VR / HUD 等產品的光學品質及體積需求。對此，自由曲面光學元件的優越光學特性，可補足傳統軸對稱鏡片的不足，目前的AR、VR、HUD 等光學元件，皆已導入自由曲面的設計，來達到光電產品輕量化及提升光學品質之目的。
自由曲面光學元件的形狀複雜，從模具設計、加工、射出成型、量測、面精度誤差補償等技術，皆不同於以往的非球面鏡片。揚明光學在自由曲面光學元件的製造技術深耕多年，開發出一套自由曲面光學元件的模具設計、鏡片射出及面精度誤差補償流程，以確保鏡片的品質及縮短開發時程，以下將進行自由曲面光學元件的「模具設計」、「模具加工」，與「鏡片成型後之精度」進行介紹。
模具設計
塑膠射出模具的設計架構及加工精度，已決定75%左右的射出成品精度。以揚明光學為例，在完成光學及機構的初階設計後，通常會使用模流分析、數值分析等軟體，配合自身的鏡片射出及模具加工的經驗與能力，進行模具設計架構檢討及3 維模流分析，模擬塑膠鏡片在射出過程的充填行為，分析因塑料流動導致鏡片射出後的光程差、光彈條紋等光學特性，並預測鏡片射出後的可能瑕疵（如流動不平衡、尺寸收縮、翹曲變形……等）。
模具設計者根據模擬結果，修改模具的進澆口及流道設計及冷卻方式，讓鏡片射出品質更趨於穩定及縮減射出成型時間。圖1 為使用模流分析軟體，模擬ARGlasses 使用的自由曲面鏡在射出後的狀況。
自由曲面模仁超精密加工
自由曲面模仁可以通過多種超精密機械加工方式製作而成，包括：車削、銑削、刮削、研磨和拋光等加工技術。以揚明光學的一種自由曲面模仁加工方式為例，是使用多軸同動控制的超精密加工機及單晶鑽石刀具，以慢刀伺服加工(Slow Tool Servo, STS )、鑽石銑削(Diamond Milling)、鑽石輪磨(Diamond Grinding) 等方式進行自由曲面模仁的超精密加工。
自由曲面模仁的加工時間通常需數小時至數十小時，需配置可將機臺溫度控制在±0.1℃以下的恆溫室及隔振系統，確保超精密加工機在長時間加工時的溫度穩定性，及隔絕外部環境之振動，以獲得高精度自由曲面模仁的面精度及粗糙度。圖2、圖3 為超精加工自由曲面模仁的案例與精度說明。
自由曲面光學元件射出成型
為降低鏡片射出後的面精度誤差及縮短鏡片開發時程，需整合模流分析、模具設計、超精密加工、射出成型、面精度量測、曲面誤差補償等技術，進行模具設計時的收縮預補償、鏡片射出後的面精度與幾何尺寸之誤差補償。
揚明光學的自由曲面射出成型方法之一，是使用田口實驗方法，快速取得最佳的射出成型參數組合，並用超精密三次元量測儀，量測鏡片射出後的面精度，再用自行開發的自由曲面的面精度誤差補償軟體，進行模仁曲面的面精度誤差補償及重新超精加工模仁。以超短焦投影機使用的自由曲面反射鏡為例，鏡片在優化射出成型條件及模仁的面精度誤差補償後，鏡片射出的面精度(PV) 可從T0 階段的36.3μm 降至T1 階段的7.6μm，如圖4。圖5 由左至右，分別是車載HUDCombiner、AR、VR 的射出成品照片。表1 是不同尺寸塑膠鏡片，在射出成型後可達到之精度規格。
結語
VR 虛擬實境在2016 年全面開跑，HTC Vive、Oculus Rift、PlayStation VR 都已發表相關產品。AR 的發展雖比VR 慢，但Apple、Facebook 等國際大廠皆已投入相關的產品研發，相信在不久的將來，AR 所需的電池、光學元件、5G 通訊、使用者軟體介面等技術將會有巨大的進展，人們將獲得突破性的AR 眼鏡，並從那時開始重新定義人與科技間的互動關係。
HUD 以投影機進行整合，未來可望銜接車用的人機介面，為駕駛者提供夜視輔助、衛星導航、路況即時訊息、環車顯影等功能，協助駕駛專注於路況，改善操駕車輛的安全性。
綜上所述，AR、VR、HUD 等光電產品，皆有機會成為人們日常生活不可或缺的產品，而這些產品皆需要高精度自由曲面光學元件，才能夠獲得良好的光學品質，以及減少光學系統的體積，並替人們帶來更好的生活體驗。■
