塑料镜头制造 第二章:材料

手机镜头使用塑料材料的最重要的原因就是可注塑成型的大规模生产性,同时,塑料镜片的高度自由的变化面型也是其优点之一。随着这些年的手机镜头发展,高精密玻璃材质镜片也开始出现在高端镜头上。塑料材料和注塑成型是小型化手机镜头实现的基础。本章会按上一章简单介绍过的镜头的结构来针对塑料镜头的每一部分说明他们的材料选择和特性,分别为镜片材料,镜筒/镜座/隔圈/遮光片/压圈材料。

镜片材料

塑料材料基底

塑料镜头的镜片材料主要有几种类型,本质上都是塑料(高分子聚合物)。他们都是热塑性塑料,是加热后软化、可塑,冷却后硬化,再加热后又会软化的塑料。运用加热及冷却,使其产生液态与固态之间的可逆变化的物理变化。有些材料发明时间较早,有些相对新一些。有些是通用应用塑料,有些材料是专门开发的光学塑料材料,更专门的用于一些光学领域。在光学设计中,我们可能会看到各个公司的材料牌号,如EP8000, K26R, APL5015, OKP-1等等。他们都属于某个塑料材料类型,其中以下几种类型比较常见,我们按他们的出现时间进行一个先后排序:

  • PMMA/Acrylic: Poly(methyl methacrylate),聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃,亚克力)。由于其便宜的价格和高透过率,高机械强度的特性,PMMA是生活中最常见的玻璃替代品,大部分的透明塑料都是PMMA制造的,比如透明板,透明勺子,Led上的小镜头等等。PMMA在1930年代就开始大规模生产。
  • PS: Polystyrene,聚苯乙烯,是无色透明的热塑性塑料,也是一种通用型塑料,在1930年代开始大规模生产。我们生活中常见的白色泡沫盒子,餐盒等很多都是PS材料。
  • PC: Polycarbonate,聚碳酸酯,也是一种无色透明的无定性热塑性,也是通用型塑料,1970年代开始才商业化。PC材料的抗冲击性很好,常见的应用有饮水机的水桶,护目镜等。
  • COP & COC: Cyclic olefin Polymer(COP), 环烯烃聚合物; Cyclic olefin copolymer(COC) 环烯烃共聚物,是一种具有环状结构的非晶性透明高分子材料,具有环内碳碳双键的环状烃,由环烯烃单体通过自聚(COP)或与其他分子(如乙烯)共聚(COC)制成 ,COP和COC特性几乎是一样的。这种材料相对较新,最开始发明出来的时候就主要是考虑一些光学相关应用,现今广泛应用于薄膜,光学镜片,显示屏,医疗(包装瓶)行业。1990年最开始被开发出来,2005年左右该种材料开始商业化。
  • O-PET:Optical polyester 光学聚酯纤维,O-PET是Osaka 在2010年代开始商业化。

当分析一种光学材料时,我们主要关注他们的光学特性和机械特性。

光学特性1:折射率&色散

SPIE Field Guide to Molded Optics里这张总结图可见,不同光学塑料材料基本上落到了两个区间:一组是高折射率,高色散 ;一组是低折射率,低色散。对比起玻璃材料可选的折射率和色散范围,我们会发现塑料材料的折射率可选范围很窄,所有光学塑料材料都是相对较低的折射率。总体而言,塑料材料可选范围更窄,商用的材料牌号只有10~20种左右,很大程度上从材料上限制了光学设计的自由度。

折射率随波长变化:光学塑料材料折射率随波长增加,折射率略微下降,整体相对稳定。

折射率随温度变化Dn/DT:光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6倍到50倍,为负值,意味着随着温度的升高,折射率下降。比如对于546nm波长,-20°C到40°C,塑料材料的dn/dT数值在-8到-15X10^–5/°C,而对比起来,玻璃材料NBK7数值在3X10^–6/°C

光学特性2:透过率

参考GS Optics这张图,大部分的光学塑料都在可见光波段有着90%以上的透过率;对于电子消费品常见的红外波段850nm和940nm,也有着很好的透过率。塑料材料的透过率随着时间也会有一定程度的下降。主要原因是塑料吸收了阳光中的紫外线,分子链断发生了降解与交联,导致了物理及化学性质变化,最明显的宏观表现就是塑料材料发黄。

光学特性3:应力双折射

应力双折射(Birefringence)是材料的一种光学性质,材料的折射率和入射光的偏振状态和传播方向相关。对于不同偏振态,材料显现出的折射率不同。对于一些系统来说,这种折射率偏差很小,对于系统并没有非常大的影响,但是对于一些特别的光学系统来说,这种偏差已经足以导致系统性能的严重下降。

塑料材料本身并不具有各项异性的特点,但是对于塑料的注塑成型会引入应力双折射。主要产生原因就是在注塑成型时引入的应力和冷却后塑料大分子的排列方式。应力一般集中在注塑料口附近,如下图所示。一般的设计生产原则是让光学有效面内的应力双折射尽量小,这需要合理的设计镜片结构,注塑成型的模具和生产参数。几种材料中,PC材料更容易产生应力双折射(比PMMA材料大10倍左右),COP、COC、PMMA材料有更低的应力双折射。

机械特性1:玻璃转化温度

塑料材料的玻璃转化温度Tg,这个词从名字上看就知道是来源自玻璃。对于非晶聚物,对它施加恒定的力,观察它发生的形变与温度的关系,通常特称为温度形变曲线或热机械曲线。非晶聚物有三种力学状态,它们是玻璃态、高弹态和粘流态。在温度较低时,材料为刚性固体状,与玻璃相似,在外力作用下只会发生非常小的形变,此状态即为玻璃态:当温度继续升高到一定范围后,材料的形变明显地增加,并在随后的一定温度区间形变相对稳定,此状态即为高弹态,温度继续升高形变量又逐渐增大,材料逐渐变成粘性的流体,此时形变不可能恢复,此状态即为粘流态。我们通常把玻璃态与高弹态之间的转变,称为玻璃化转变,它所对应的转变温度即是玻璃化转变温度Tg,或是玻璃化温度。Tg一般定义为玻璃转化开始的温度,既材料非晶聚部分开始移动的温度。常见的光学镜片用塑料的Tg在120~160℃间。这也保证了至少在手机里的极端温度下(85°C),塑料镜头依然可以保持一定的热稳定性。室温是非晶态热塑性塑料使用的上限温度,但却是橡胶使用的下限温度(橡胶在室温处于高弹态)。

机械特性2:热膨胀系数

热膨胀系数(CTE)是衡量一个材料随温度变化而产生的大小的变化的参数。光学用塑料材料的热膨胀系数CTE大概都在(5-10)*10^-5 /℃左右,对比玻璃材料(5-10)*10^-6/℃,基本相差一个数量级。如果一个塑料材料的CTE是6*10^-5 /℃,那么对于一个直径10mm的塑料镜片,10°C的变化就会造成大概0.01 x 6 x 10^-5 = 6 x 10^-6 m = 6um的长度变化。

机械特性3:吸水性

COP和COC的吸水率都<0.01%,PS材料吸水性0.03%,PMMA吸水性0.2%,PMMA吸水性0.3%。吸水率一般的测定方法是把完全干燥过被测材料,浸入23℃的水中,24小时后取出擦干测量重量的变化,(参考Water Absorption ASTM D570)。由于COP和COC非常低的吸水性,所以COP和COC材料也常用来作为药品的包装瓶。塑料材料吸水性越强,就越容易受到温度和湿度的影响,造成镜片的面型改变,或者造成镜片之间的受力变化。由于塑料较强的吸水性,在注塑成型前,都会对塑料材料颗粒进行干燥处理,否则,塑料里的水分会影响塑料的粘滞性,影响成型过程,也可能对最终产品的外观造成影响。塑料镜头受吸水性的影响主要要通过高温高湿信赖性试验来确定,信赖性相关内容我们可以在第七章:评测中涉及。

机械特性4:成型收缩率

热塑型材料的成型后会收缩,收缩率的测定时基于一定的方法,对于光学塑料这几种镜头材料基底,一般为0.5%~1.2%,测定方法的定义可能每家公司是不同的。

其他特性

塑料材料的其他特性有:强度,雾度,电气性能,耐化学品和药剂性等。

镜片塑料材料牌号

以下列出了一部分常用的手机塑料镜头常用塑料材料,可以看到,材料特性基本由基底决定。这些塑胶原材料都是由化工企业制造,光学镜头塑料只是这些公司塑料业务的一部分。我们也可以用这个表格进行材料基底的比较。对于各个塑料光学镜头制造企业,可能会有自己的材料喜好(比如对于某种材料成型控制经验更足)。

参考链接:

Mitsubishi Gas Chemical三菱瓦斯化学, Lupizeta(TM) EP系列

OSAKA GAS Chemical大阪瓦斯化学, OKP系列

Zeon Chemicals瑞翁化学, Zeonex系列

Mitsui Chemicals三井化学株式会社, APEL系列

材料形态

大部分光学塑料原材料都以颗粒形式存在

镜筒/镜座/隔圈/遮光片/压圈材料

镜筒,镜座,压圈等主要是作为结构件存在,主要材料有PC,金属(黄铜)等。我们文章前面提到PC的特性之一就是机械强度高,热稳定好,所以很适合作为光学机械件。隔片的主要作为为遮光,材料为薄膜类材料。

镜筒及镜座

白物镜片都会组装进镜筒,主要材料为PC。对于非一体式镜头,镜筒和镜座是通过螺纹组装在一起的,镜座负责一面和传感器结合,一面和镜筒结合。镜座材料也多为PC。

隔圈

隔圈(Spacer)负责在镜头中提供精确地镜片间距,主要是PC或者金属材料,金属材料能提供更好的强度,常用的金属隔圈材料为黄铜。使用黄铜的原因主要是黄铜热稳定好,同时黄铜不会被磁化,不影响带有AF功能的模组的音圈马达VCM工作。

遮光片

同时镜片间会插入遮光片用于遮挡杂光或者作为光阑,塑胶镜头大部分都会使用黑色薄膜类的隔片完成这项工作,主要是两种材料牌号,分别为Kimoto公司生产的Carbon feather,一种是Somar公司生产的Soma Black R Film。隔片的厚度很多都是一些标准厚度,35um或者105um等,也可以定制。Acktar公司也提供类似的片材。

Carbon Feather设计就是用于遮挡和吸收光学设备和系统中的杂光,这种材料是在PET薄膜上下表面进行碳化镀膜(也有不镀膜的)实现的。根据公司官网介绍:Carbon feather薄膜有非常高的吸光度(OD>6),低机械摩擦力和热膨胀。所以这种材料可以用于照相机的光阑和遮光片。

SOMABLACK材料是Somar公司生产的用于光学系统遮光的材料,这种材料主要是聚酯纤维混入碳制成的,表面处理会做成雾面化。

这两种原材料都是卷材形式,由模切厂模切形成环状遮光片形态。

压圈

压圈一般在最后一个镜片外,提供额外的支撑力。有些镜头的最后一片镜片直接点胶和镜筒壁粘合在一起,但是有些设计或者应用中,这种直接点胶的方式提供的黏合力不够,镜头可能会无法通过信赖性测试,所以会使用压圈。压圈的材料主要是PC或者金属(黄铜)。


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