CNC 精密光學工程技術發展

2020-03-30
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一、前言


1970 年代台灣國民教育已經十分普及,但教學儀器仍舊匱乏;顯微鏡是其中一項重要且昂貴 的教學儀器。儀器科技研究中心 (儀科中心,原精 密儀器發展中心,Instrument Technology Research Center, ITRC) 就在這樣的歷史背景下誕生。中心 自 1974 年即開始發展光學工程技術,其光學技術 應用已由設立之初的教學顯微鏡發展至半導體製造 產業光學系統。光學元件應用領域十分廣泛,如: 微型照相鏡頭、光碟機讀取頭、光學顯微鏡、內視 鏡、眼鏡光學、數位/單眼相機、半導體產業設備 之高解析度鏡頭與精密定位參考鏡、天文望遠鏡、 同步輻射系統之反射鏡、以及光學量測系統所需之 精密透鏡與稜鏡等。

由光學元件之應用領域可知, 光學製造技術與國家科學及產業發展有著密不可分 的關係,世界上主要的先進國家,如德、英、美、 日等國,在光學製造技術均有深厚基礎,尤其在高 附加價值的光學元件製造技術更是長期耕耘。 圖 1 與圖 2 分別為加工精度/尺寸與光學產業 應用分布以及光學精度與拋光製程需求。精密光學 鏡片之應用分類可依尺寸與精度需求概分為精密機 械與精密量測、天文儀器、照相與視光學、顯微 鏡/內視鏡 (生醫光學應用)、微型取像模組/光儲 存、半導體製造設備、同步輻射反射鏡組等。一般 大眾所熟知的應用為口徑 100 mm 以下的光學儀器與商品,如智慧型裝置之微型鏡頭、顯微鏡、視光 學 (眼鏡)、照相機、投影機等。

上述產品的表面粗糙度要求大多在 1-10 nm 之間,在市場大量需求 的驅動下,其製造技術已相對成熟;且多採用模具 成形技術進行大量生產,以降低成本。先進光學系統為得到更好的光學品質,則朝向大口徑光學元件 與短波長發展。一般而言,光學系統使用波長越短 其表面精度要求越嚴格。要同時兼顧大口徑與高表 面精度,則會面臨極高的技術挑戰,也較難以模具 技術進行大量生產。常見的大口徑光學系統包含天 文望遠鏡、半導體製造設備之光學系統與精密加工 與量測設備。以半導體製造設備所需之光學元件為 例,其表面粗糙度要求約在 1 奈米左右,鏡片口徑 則在數十至數百毫米之間。 傳統光學研磨與拋光技術是以簡單的機械擺動 來達成鏡片材料移除的工作,用於製作平面與球面具有高效率與低成本的優勢。隨著電腦科技的進 步,光學設計分析軟體與數控式加工設備亦快速發 展,非球面與自由曲面光學鏡片之設計、製造與應 用技術亦隨之逐漸成長。非球面與自由曲面設計最 大的優點是可減少光學系統中的光學元件數量,利 於短小輕薄之光學系統開發。傳統拋光技術雖可達 到高表面精度要求,但新世代的光學系統因採用非 球面甚至自由曲面設計,已無法以簡單的機械式擺 動加工來完成,必須以電腦化 (computer numerical control, CNC) 加工設備,如:CNC 拋光設備與 CNC 超精密加工機,以進行二個維度以上之非球 面鏡片與自由曲面製作。


儀科中心的光學工程技術發展歷程可概分為三 個階段,如圖 3 所示。第一個階段為 1970 年代創 立光學與機械加工廠初期,以小型透鏡製作技術為 基礎,主要支援教學顯微鏡製作,並進一步為科學 研究所需之客製光學元件提供服務。第二階段是在 1999 年代末期至 2010 年,以發展電腦化生產技術 輔以傳統製程技術為主。除建置電腦化玻璃元件加 工與檢測設設施外;亦引進超精密鑽石車削加工設 備,擴充製作能量至延性光學材料與量產用光學模 仁。2010 年代進入第三階段,以建構大口徑高階 光學鏡片與鏡頭模組設計製作服務平台為主要發展 方向。本文將詳細說明儀科中心近年光學技術發展 重點,包含:超精密加工技術與大口徑非球面光學拋光與檢測技術。


二、超精密加工技術


因應先進光學製造發展趨勢並配合參與衛星遙 測酬載計畫,儀科中心在 1990 年代末期先後引進 電腦化光學與機械加工檢測設備,如: 電腦控制 研磨成形機與定心機、非球面拋光機與電腦全像片 雷射干涉儀、非球面輪廓儀、三次元量床等。為使 光學加工與應用技術更為多元,於 2005 年亦建置 五軸超精密加工系統;光學元件之材料選擇由傳統 圖 3. 儀科中心光學工程技術發展歷程。 半導體製造設備 光學鏡片 福衛五號主鏡 福衛五號主鏡 1974 2000 2010 2015 福衛二號計畫 福衛五號計畫 透鏡/裬鏡/反射鏡 繞射元件 自由曲面模仁 超精密鑽石車削 內視鏡雛形 植被變遷觀測儀 鋁反射鏡 顯微鏡 傳統拋光 電腦化拋光 磁性流體拋光 132 科儀新知 200 期 103.9 玻璃脆性材料,擴增至延性光學與模仁材料,如: 鋁合金、銅合金、光學塑膠、鎳磷合金等;可加工 形狀亦擴展至自由曲面與光學微結構。 儀科中心所建置之五軸超精密加工系統具備 多項加工功能,包括:單點鑽石車削加工 (single point diamond turning, SPDT)、快刀伺服加工 (fast tool servo, FTS)、慢刀伺服加工 (slow tool servo, STS)、飛刀加工 (fly cutting) 與微銑削 (micro milling) 等(1-3)。自 2005 年完成裝機後,便積極發 展上述各項加工技術並支援各項研究計畫,如:像 散透鏡應用 (顯微自動對焦系統開發計畫(4)、長工 作距離微定位量測系統(5),見圖 4(c) ) 、圓柱形自 由曲面 (雷射墨線儀計畫)、微透鏡陣列 (微投影系 統開發計畫(6-7) )、漸進式多焦眼鏡模仁 (漸進式多 焦眼鏡開發計畫(8),見圖 4(d) )、內視鏡反射鏡組 (內視鏡雛形開發(9) )。

配合光學系統之高品質與小型輕量化發展趨 勢,儀科中心近年以自由曲面超精密加工技術為主 要發展重點。本節將詳細說明光學自由曲面超精密 加工與應用技術。自由曲面係指曲面高低 (sag) 由 兩個維度以上多項式參數決定,如 ( , ) 圓柱座 標參數與 (x, y) 直角座標參數。因此,自由曲面加 工設備必須具備三軸同動加工能力,如 XYZ 三軸 同動加工與 CXZ 三軸同動加工。XYZ 三軸同動加 工,為使加工結果符合光學要求,一般採用球形鑽 石銑刀以高轉速與微量進給方式進行加工,如圖 4(b);此項加工方式與一般三維曲面之銑削加工技 術類似,本文不再詳述其技術細節。XYZ 三軸同 動微銑削加工可用於高頻微結構與低頻率自由曲面 加工,如圖 4(e-f);但因切削刀具高速旋轉,刀具 幾何外形參數不易掌控,通常還需要依據加工後之 表面形狀誤差進行補償加工,因此,空間頻率低的 自由曲面可考慮採用 CXZ 三軸同動加工。

CXZ 三軸同動加工架構,類似於單點鑽石車 削;不同的是車削主軸搭配角度感測器與伺服馬達 使其成為具有伺服定位功能的 C 旋轉軸,如圖 4(a) 所示。透過曲面座標與加工座標轉換,車削刀具 即可藉由 CXZ 三軸同動控制進行自由曲面加工。 加工過程中,C 軸旋轉速度受 Z 進給軸之速度與 加速度限制,轉速約在 200 rpm 以內;因此,CXZ 三軸同動加工又稱為慢刀伺服加工。慢刀伺服加工 雖與單點鑽石車削架構類似,但其前置作業卻十分 複雜,加工規劃人員須有完整的技術與知識養成, 包括:光學曲面參數定義、車削刀具與元件曲面之干涉檢查、加工參數設定與確認等。


一般而言,光學曲面參數由光學設計人員決 定,加工規劃人員再依據設計參數決定加工步驟與 加工參數。加工規劃人員必須對光學設計參數有正 確的認知,如:座標方向定義與各項次係數符號定 義等。光學曲面之座標系統通常會根據光學系統之 光路方向有統一的定義;因此,光學設計曲面之座 標系統與加工座標系統對凹凸面就可能有不同的定 義。此外,相同的光學曲面,元件直接加工與模仁 加工,其曲面座標方向相反。光學曲面參數在轉換 至加工座標系統時,是否需要隨之改變正負符號, 應先了解參數對形狀與方向之設定關係。

慢刀伺服加工自由曲面時,車削刀具與加工 元件之干涉檢查是必要的前置作業。標準的鑽 石車刀均有以下幾項主要幾何參數:刀具圓弧 半徑 (radius)、有效圓弧角度 (window) 與前隙角 (clearance angle),如圖 5 所示。刀具圓弧半徑與有 效圓弧角在切削過程時與切削平面共面;其刀具干 涉檢查與單點鑽石車削加工相同。加工元件表面輪 廓若為凹曲面,其曲率半徑需大於刀具圓弧半徑; 另外,曲面輪廓在切削平面之斜率亦不可超出刀具 有效圓弧角度。非軸對稱式之自由曲面,各角度截 面的輪廓曲率半徑與斜率不盡相同;若自由曲面為 參數化設計,則可利用偏微分求得曲面半徑最小 值與斜率最大值以確認刀具干涉是否存在。常見 的刀具曲率半徑介於 0.1 mm-1 mm,有效圓弧角 為 50 度。軸對稱式球面非球面之圓周切線方向 斜率均為零,因此,加工元件與刀具前隙角不致 有干涉情形;但非軸對稱式自由曲面在圓周切線 (concentric direction) 之斜率也會隨旋轉角度變化, 若自由曲面之圓周切線斜率大於刀具前隙角就會造 成刀具干涉。標準鑽石車刀之前隙角約為 12 度, 特製的鑽石刀具前隙角可達 25 度。在光學曲面設 計最佳化演算時可將上述刀具幾何參數與干涉之關 係設為曲面參數之限制條件,光學曲面設計結果就 不致有刀具干涉現象,並可直接進行加工參數分析。

慢刀伺服加工參數主要包含進給速率、每轉進給量 (feed per revolution, fr) 以及切削深度 (depth of cut, DOC)。加工進給速率是慢刀伺服加工最重要 的一環,進給速率直接影響加工精度與加工效率。在可接受的加工精度條件下,應盡可能地提高進給 速率。但機器的進給速率受限於控制器之設定。 慢刀伺服加工的進給速率受限於 Z 軸之最大速度 或最大加速度,但若是深度變化較小的曲面則可能 受限於 C 軸的最大速度。控制器設定各軸之最大 速度與最大加速度是由各軸之慣性、驅動器之輸出 馬力與控制器之響應頻寬決定。每轉進給量 fr 可依據刀具圓弧半徑 Rt 與理論表面粗糙度 Ra 決定, fr=Ra*8Rt。一般而言,粗加工與精加工之切 削深度可分別設定為 20 um 與 6 um。


三、大口徑非球面製作與檢測技術


光學玻璃非球面製作與傳統球面鏡製作最大的 不同是,非球面鏡製作須以小區域拋光並輔以拋光位置控制技術來達成。現階段非球面拋光設備的主 流是以電腦數值控制拋光頭相對於加工元件的位置 來進行。儀科中心自 1990 年代末期就開始發展大 口徑非球面光學加工與檢測技術發展,配合遙測衛 星取像儀自主發展計畫,於 2009 年起亦陸續建立 大口徑拋光與檢測系統以及非球面拼接式干涉儀, 並成立大口徑非球面拋光與檢測技術團隊。目前技 術團隊已結合儀科中心既有之傳統拋光與各項量測 系統建立可靠與高效率的非球面鏡製作流程。本節 將概述其基本步驟包括以下;(1) 近似球面研拋、 (2) 球面曲率半徑量測、(3) 非球面化拋光、(4) 非球面輪廓監控、(5) 非球面形狀誤差量測以及 (6) 非球面修正拋光,如圖 6 所示(11-13);另外,也針對 非球面修正拋光與檢測技術作較詳盡的探討。

近似球面 (best-fit-sphere, BFS) 研拋是採用傳 統機械式擺動研拋技術以球面磨碗執行此項工作。 球面研拋製程因球面磨碗與鏡片接觸面積大,鏡片 表面材料移除效率高,可快速移除鏡片表面因研 磨成形所產生之次表面破壞層 (sub-surface damage, SSD)。玻璃鏡片初胚通常是以研磨加工方式成形 為設計曲面,再繼之以研拋方式進行表面精修。研 磨成形的目的在快速移除材料,但同時也會產生約 數十微米的次表面破壞層。近似球面研拋程序,除 了將鏡片修整至與設計值接近的曲率半徑外,也同 時進行次表面破壞層的移除工作。現場加工人員可 利用球徑計 (sphereometer) 快速檢查大口徑鏡片近 似球面之曲率半徑是否接近設計值,但球徑計之量 測口徑較小且其原理為四點承靠計算,因此量測精 度有限。為準確監控大口徑近似球面之曲率半徑建 議採用三次元量床進行量測。

近似球面研拋結果經曲率半徑量測確認後,即 可接續進行非球面化拋光 (aspherization polishing) 程序。非球面化拋光主要將近似球面與非球面之輪 廓差異,以材料移除方式進行形狀修整;因此,非 近似球面研拋 非球面輪廓監控 曲率半徑量測 非球面化拋光 非球面修正拋光 反覆執行至 形狀誤差 符合規格 非球面形狀誤差量測 科儀新知 200 期 103.9 135 球面之近似球面要以最小材料移除方式計算。非球 面化拋光須採用電腦數值控制方式以進行特定區域 之材料移除,且須搭配表面輪廓儀進行非球面形狀 之監控,以確保非球面化拋光過程有穩定的材料移 除率。大口徑非球面鏡之近似球面與非球面之輪廓 差異,可能達數十微米,甚至在百微米以上;因 此,非球面化拋光須分次執行。每次非球面化拋光 之材料最大移除深度建議在十微米以內;另外,為 保持拋光液濃度穩定性,單次拋光時間建議以 20 小時為限。

非球面化拋光搭配非球面輪廓檢測,若能將非 球面形狀收斂至 1-2 微米以內,則可以雷射干涉 儀搭配電腦全像片或以拼接式干涉儀檢測非球面三 維形狀精度。在取得非球面之三維形貌誤差後,即 可執行非球面修正拋光工作。非球面修正拋光需搭 配非球面形狀誤差量測反覆執行約 3 次,應就能將 非球面鏡片形狀誤差修正至 0.1 um 以內。

上述大口徑鏡片製作流程中,最關鍵的步驟在 於非球面形狀精度檢測與非球面修正拋光之循環執 行過程。呈上所述,非球面拋光採小區域拋光再藉 由拋光頭與鏡片相對位置的控制來進行形狀修正。 小區域拋光之基本原理如圖 7 所示(14),拋光頭是 由彈性材質製作的球形體,並在球體表面貼附拋光 皮,藉由拋光頭與拋光元件之接觸會產生拋光作用 區。拋光工作進行時,拋光頭高速旋轉會帶動拋光 液進入拋光作用區,拋光液中的磨料 (abrasive) 因 而與拋光元件產生切線運動,進而以剪力機制移除 拋光元件表面材料。

拋光工件材料移除效率與下列因素有關:拋光 元件材料種類、拋光磨料 (粒徑大小與材料種類)、 拋光液濃度、拋光頭轉速、拋光頭與拋光元件表面 接觸量 (tool offset)、拋光頭內部壓力、拋光頭曲率 半徑等。為使拋光製程有穩定的材料移除率以得到 良好的表面形狀誤差修正能力,通常會控制幾個主 要的拋光參數,使其與材料移除效率成正比關係。 以剪力機制移除材料,其材料移除率 (每單位時間 之材料移除深度) 與下列參數成正比關係:磨料與 元件表面法向壓力、磨料於元件表面相對速度、磨 料數量、拋光時間。法向壓力與相對速度可分別藉 由拋光頭相對於加工表面之接觸量與拋光頭轉速來 控制,參與拋光之磨料數量則由拋光液濃度決定。 表面接觸量對於材料移除量之敏感度較低,拋光頭 轉速變換可能會造成系統震動;因此在拋光過程 中,建議保持固定的表面接觸量與拋光頭轉速。另 外,拋光液是以水與磨料依比例調製,在拋光過程 以攪拌方式維持其均勻性;因此,通常也是以固定 的拋光液濃度執行拋光工作。在上述參數皆保持固 定的情形下;拋光頭移動速度越慢則在該區域之移 除材料越多;反之,則移除材料較少。若能取得鏡 片表面的形貌誤差,透過拋光頭在鏡面表面的移動速度分配,即可達成形貌誤差修正拋光的目的。

大口徑非球面鏡之量測方式,可利用干涉儀搭 配電腦全像片 (computer generate holography, CGH) 或拼接式干涉儀 (aspheric stitching interferometer, ASI) 來執行量測工作。鏡片形貌誤差量測結果是 修正拋光時拋光頭移動速度之計算依據,有準確的 量測結果再配合穩定的拋光材料移除量,則可有效 率地達成修正拋光。大口徑鏡片形貌誤差量測,則 要注意以下兩項因素。首先是穩定的光學量測系 統,大口徑鏡片量測光程較長,也比較容易受環境 因素的影響,如:氣流擾動與溫溼度變異。若能對 環境溫溼度進行有效控制,則可透過多次量測取平 均值的方式來克服空氣擾動因素。另外,大口徑鏡 片本身重量也會造成鏡片表面因重力而變形;因 此,量測時必須特別注意鏡片的架設方式。大口徑 鏡片量測架設可利用彈性支撐的方式來平均分擔鏡 片重量,以避免受力不均而產生過大的重力變形。


四、結語


儀科中心以支援教學顯微鏡發展光學工程技 術,進而建立學術研究所需之光學元件製作與檢測 服務平台;近年聚焦於超精密加工技術與大口徑非 球面鏡片製作與檢測技術,已完成多項重要計劃所 需關鍵元組件,如內視鏡雛形、福衛五號主次鏡組 與半導體製造設備光學鏡片等。未來亦將持續與台 灣在地產業結合,共同發展系統整合設備,包括: 曝光機光學系統、精密定位平台與自動化光學檢測 設備等。此外,亦會將儀科中心多年的光學工程經 驗,結合國內自動化設備廠商,共同開發光學加工 系統。期能有效發揮儀科中心光學技術之效益,並能提升國內精密光學與機械產業之競爭力。