光學分析簡介

隨著塑料產業的成長，越來越多射出成型件如光盤、透鏡及波導等，因其良好的光學性能被廣泛使用在光學應用上。在射出成型時，由分子配向引發的雙折射會導致非等向光學特性，是光學塑件開發的最關鍵因素之一。雙折射（Birefringence or double refraction）系指當一束光穿透透明材料時分解成兩條光束。當偏極光穿透這些材料時，將會出現光暗條紋，其條紋級數大小與主應力的差異有關。

光學塑件產生雙折射主要有兩項原因。一是在充填時，因分子配向而導致的流動殘留應力；另一則是在冷卻時，因收縮不均而導致的熱殘留應力。流動殘留應力是在充填時由高剪切率所產生，能在后充填過程中及頂出后被釋放或凝固；而熱殘留應力是由于塑料材料在低于玻璃化溫度（T_g）冷卻時的密度不均或收縮不均所產生。

流動應力通常被認為小于熱應力，但不能忽視前者的影響，特別是在薄壁成型中，塑件分子的凝固配向會影響非等向機械特性、熱與光學性質以及長期的尺寸穩定性。模穴表面的凝固層為不良熱導體，讓熱芯中的分子有機會進行配向。若整體塑件在非常短的時間中冷卻與凝固，將導致薄壁成型中分子配向不完全。因此，流動應力的影響對于薄壁塑件非常重要，熱應力則會影響薄壁塑件的雙折射現象。

為了能更好控制雙折射現象，在數值模擬與實驗研究上，發展并使用各項方法檢視雙折射現象。在數值模擬的方法，傳統的2.5D模擬由于中間面建構的固有因素與模型簡化，不能提供準確的雙折射預測，因此，必須應用真實三維的模擬方案。Moldex3D光學分析模塊，使用真實三維，能協助觀察光學塑件的重要因素，例如：雙折射、光程差及光彈條紋。

Moldex3D光學分析模塊功能導覽

Moldex3D光學分析模塊為創新的仿真技術，能協助用戶改善塑料光學產品，預測重要光學性質如雙折射、光程差及偏極化等，優化加工條件。Moldex3D與CODE V 的整合能提供使用者更準確的不均勻折射率的結果預測，進而控制實際生產問題。

注意：

1.光學仿真分析需要高網格質量，因此強烈建議使用Hexa或Prism產生網格，而且厚度方向的網格等級需高于8層。網格質量可提升計算效率，且分析結果值得信賴。

2.光學分析使用的材料必須有光學性質。請在執行分析前確認已選擇適合的材料。此外，執行光學分析需先具有充填／保壓、冷卻及翹曲分析的結果。

3.Moldex3D光學分析模塊只支持solid網格模型。

1. 前處理 (Pre-processing)

其前處理階段的步驟與基本模塊的相似：

步驟1：產生網格模型

步驟2：建立新項目

步驟3：建立新組別

步驟4：選擇分析項目

2. 開始分析 (Prepare Analysis)

以下將列出特定步驟的操作說明。

計算參數

(1)在充填／保壓（Flow/Pack）標簽中的求解器類型必須選為強化版 (Enhanced)。

(2)如要執行光學分析時觀察充填／保壓階段的光學性質，請在計算參數的黏彈性／光學（VE/Optics）卷標中勾選預測流動殘留應力在充填／保壓階段（Estimate flow-induced residual stress in filling/packing stage）的選項，如下圖所示。

(3)必須勾選光學性質預測（Estimate optics properties）的選項以執行光學分析。在光傳遞方向（Direction of propagation）的顯示欄中，增加至少一組資料以設定觀察方向。

(4)選擇實驗觀察裝置的類型（Type of circular polariscope set-up）為暗場（Dark field）或亮場（Light field）。設定光源類型（Light source type）的單一色光波長(monochromatic wave length)。

光學分析的計算參數設定

這些設定完成后即可進行分析。返回 Moldex3D Studio，點擊分析順序 (Analysis sequence)，并選擇光學分析 (Optics)－O，以執行光學分析（下圖）。

分析順序設定

3. 后處理 (Post-processing)

在窗口顯示輸出的流域分布圖標

檢視光學分析模塊的分析結果的簡單方法就是在窗口顯示流域分布圖標。基本顯示步驟如下圖。

步驟1：從Studio中選擇適合的項目。

?選擇想要的組別

?在分析結果／光學（Result/Optics）選擇想要的結果

?選擇結果項目，例如：流動引發的光學性質、熱性質或光學性質總合

步驟2：從顯示工具欄（Display Toolbar）中選擇圖標，在顯示窗口（Display Window）中選擇想要查閱的分析結果。相關范例如下。

選擇光學分析中充填階段時流動引發的雙折射結果

1. 檢視制程中由流動引發的雙折射 (Flow-induced Birefringence during the Processing)

在計算完成之后，能檢查在充填、保壓及冷卻階段時由流動引發的光學性質。例如：要檢視組別的結果，請在Studio樹狀目錄中選擇組別（Run） > 分析結果（Result）> 光學分析（Optics）> 流動導致雙折射（flow-induced birefringence）。其結果將在顯示窗口（display window）中展現，如下圖。同樣地，使用相同的方法以檢視雙折射、光程差（下圖）、條紋級數與光彈條紋。

2. 檢視光學性質總合 (Total Optical Properties)

如要顯示組別的雙折射與光彈條紋的總體效果，請在Studio樹狀目錄中選擇組別 (Run)> 分析結果 (Result)> 光學分析 (Optics) > 總雙折射 (Total Birefringe) 或總光彈條紋 (Total Fringed_Pattern)。其結果將在顯示窗口 (Display window) 中展現，如下圖所示。

關于其他不同階段時的光學特征，請依照上述的相同步驟。

3. 評估折射率 (Refractive Index)

如要評估組別的折射率，請在Studio樹狀目錄中選擇組別 (Run) > 分析結果 (Result) > 光學分析 (Optics) >折射率 (Refractive Index)。其結果將在顯示窗口 (Display window)中展現，如下圖所示。

選擇工作區中的折射率項目，顯示射出件的折射率分布

此外，雙擊折射率結果可觀看結果定義，更多關于折射率分布百分比的信息如下圖所示。

選擇結果判讀員，顯示折射率的定義及提供折射率分布百分比的信息

備注：因為折射率是以翹曲后的最終塑件進行計算，所以在執行光學分析前需先執行翹曲分析。

4. 輸出成型結果至光學軟件 (Pass Molding Results to Optical Software)

導覽

此功能只適用有光學邊界條件的實體模型。因此，需設定對應光學軟件中表面定義的光學面邊界條件。

透過Moldex3D Mesh的前處理功能，能輕松設定光學面并輸出。除了光學分析的一般設定之外，需選擇要輸出至光學軟件中的項目，此數據將在仿真后提供。

1. 設定與執行 (Settings and Execution)

設定光學邊界條件：

在Moldex3D Mesh 中產生適合的實體網格模型之后，能設定光學表面的邊界條件。選擇想要的面，左鍵點擊BCs按鈕，邊界條件設定 (B.C. Setting) 的對話框將會出現，如下圖所示。接著，選擇光學（Optics）為邊界條件的類型，并對新產生的光學表面命名。

點擊BCs按鈕，設定光學邊界條件

2. 選擇計算參數 (Select Computation Parameter)

必須勾選輸出至光學軟件(Output to optical software)的選項，將成型后的仿真結果傳送至光學軟件。右鍵點擊詳細(Detail…)，光學接口選項(Optics Interfacing Function Option)的對話框將會出現，Moldex3D能選擇變形形狀與折射率分布的結果項目，傳送至光學軟件中。

傳送變形形狀有兩種方式：一是直接轉換為Zernike多項式(Direct Conversion to Zernike polynomials)。程序將變形面直接轉換為Zernike多項式系數，并寫在資料文件中。用戶能在光學軟件中輸入分析所需的系數。另一則是INT檔案貼至表面(attach INT file to the surface)。程序將表面正向變形轉換為INT檔案。用戶能在光學軟件中將INT檔案貼至表面。

程序將成型后的折射率分布放入函數n(x,y,z)中。使用Moldex3D提供的moldex3dgrn.dll，CODE V 能讀取適合的分析結果以得到梯形折射率。(moldex3dgrn.dll必須放在CODE V/umr文件夾中)

勾選輸出至光學軟件（Output to optical software）選項，并選擇光學接口的細節。

3. 執行光學程序 (Execute Optics Program)

執行光學分析，設定窗口如下所示。

選擇與執行光學分析

在仿真之后，程序建立數據文件。

程序產生數據文件

4. 檢視表面變形 (Examine the Surface Deformation)

依照下列步驟檢查表面變形：

1.  匯入鏡片幾何

第一步是匯入鏡片幾何檔（.len）。下圖顯示平凸（Planoconvex）幾何模型。

平凸幾何模型

2.  貼上從Moldex3D輸出的.int檔

在鏡片數據管理員(Lens Data Manager)下，選擇一個平面(例如對象1 (Object 1))，將列出相關鏡片信息。點擊表面屬性(Surface Properties)卷標，如下圖的窗口將會跳出。選擇表面號碼，在進階(Advanced)項目下點擊干涉譜(Interferogram)，然后雙點擊右邊的檔案(File)。選擇檔案（Select file)的窗口將會跳出，選擇正確的.int檔并點擊OK。在左下角，點擊提交變更(commit changes)，接著關閉窗口。

鏡片表面屬性

3.  檢查表面變形

在顯示（Display）下點擊觀看干涉譜（View Interfergram），如下圖的窗口將會跳出。點擊顏色顯示（Color Display）的卷標，并選擇正確的表面（在此范例中為1）。點擊OK，表面變形將會在光學軟件中由干涉譜顯示 (下圖)。變形為正數代表表面上有凸點（bump）。

由INT顯示表面變形

5. 檢視折射率效果 (Examine the Refractive Index Effect)

光學設計中假設折射率是均勻的，然而，在實務上成型后的折射率并非均勻的。使用此功能，GRIN（梯形折射率）的效果能透過CODE V 的優化進行研究與補正。如下圖所示，使用單一鏡片以展示GRIN效果。

成型折射率效果的比較