大綱

菲涅爾透鏡之鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓；也就是在透鏡的一側有等距的齒紋。透過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以有效降低成本。東莞理工學院利用Moldex3D軟件優化菲涅爾透鏡水路設計，成功設計異型水路，使產品冷卻后溫度分布均勻；結合正交試驗得到最佳成型工藝，優化產品成型周期，降低產品應力。最終協助企業降低生產成本，提高生產效率。

挑戰

• 產品外觀避免有明顯縫合線、流痕等外觀缺陷

• 產品對表面精度要求較高，表面粗糙度須小于20nm

• 使產品冷卻后溫度分布均勻，降低成型周期

• 降低產品內部殘留應力

解決方案

陳磊博士等人使用Moldex3D Conformal Cooling及Stress等模塊多次驗證普通水路與異型水路設計，不斷進行拓撲優化，使產品經冷卻后達到溫度均勻的目的后，再透過Moldex3D對光學及殘留應力的預測，進一步優化改善工藝，快速找到最佳成型工藝方案與水路方案，大大縮短了產品的研發周期，達到產學研的目的。

效益

• 找到最佳異型水路布置方案，解決產品冷卻后溫度分布不均的問題

• 產品冷卻時間從15秒縮短至13秒

• 有效控制縫合線溫度，降低其對產品外觀影響

• 符合產品尺寸精度要求

• 產品殘留應力低且均勻

案例研究

與LED連接的LED透鏡是用于提高光的利用效率和發光效率，對外觀質量要求較高，應避免縫合線、流痕或其他表面缺陷；表面粗糙度也應小于20nm。 在本研究中，原始的冷卻水路設計(圖一)會導致冷卻后溫度分布不均，造成更大的翹曲及更高的熱殘留應力，且會拉長冷卻時間。

圖一 原始水路設計

原始冷卻系統的溫度和殘留應力分布如圖二和圖三所示。可以發現，熱量聚集在球體中心，因此溫度和殘留應力變化很大，被視為光學組件的缺陷。

圖二 原始水路系統的溫度分布

圖三 原始水路系統的殘留應力

研究團隊采用3D打印的異型冷卻水路來優化冷卻效果，共開發了兩種不同的異型水路，如圖四(a)、(b)。圖四(a)中的設計用異型水路代替了擋板；圖四(b)的設計則是在縫合線附近增加了一個冷卻水路。

圖四 異型水路設計

與原始設計相較，優化設計冷卻后溫度較低，分布也較均勻(圖五)。 預估冷卻時間會由15秒縮短至13秒，共縮短13%。異型水路(圖六)同時也改善了產品的殘留應力，達到更好的光學效能。

圖五 采異型水路設計后的溫度分布

圖六 采用異型水路設計后的殘留應力

研究進一步使用偏光鏡進行實際成型實驗，以確定產品的光學特性，結果如圖七所示。光彈條紋僅出現在流道和澆口處，代表菲涅爾透鏡具有良好的光學質量，也驗證了Moldex3D模擬結果的可行性。

圖七 以偏光鏡進行實際成型實驗，確定產品的光學特性

結果

東莞理工學院透過Moldex3D分析，優化異型水路的冷卻設計，解決了積熱問題，將冷卻時間從15秒縮短到13秒。同時也改善了產品的殘留應力和折射率，獲得更佳的光學質量。