聚合物光学透镜的精密注塑成型关键技术研究

发布时间：2020-11-06 16:33

　　 聚合物光学透镜是以高分子聚合物为材料,通过模压、注塑等方式进行成型的光学元件,其中精密注塑成型是使用最为广泛的成型方法。然而,制造精密级的高端聚合物光学透镜,还面临如下难题需要解决:揭示几何精度与光学性能之间的影响规律;提高体积收缩率均衡性,设计精密的模具型腔;引入辅助手段降低透镜双折射,提升其表面微结构精密复制质量;采取智能算法进行多质量目标优化,得到最佳工艺参数组合。对上述关键问题的研究,有助于综合提升聚合物光学透镜的几何精度和光学性能,对高端的聚合物精密光学透镜成型具有重要意义。本文首先研究了聚合物光学透镜表面几何精度与光学性能的关系,之后对精密模具型腔的优化设计方法、注射辅助成型技术和注射工艺参数优化方法展开研究,最后通过一个透镜成型综合实验验证了全文方法的有效性。本文的主要研究工作如下:(1)研究了聚合物非球面光学透镜几何精度与光学性能的关系,通过仿真与实验验证的方法,建立了基于Zernike多项式的面形误差与波前像差精确模型。研究发现,在一定的面形误差RMS值下,对称分布、旋转中心靠近几何中心的面形误差分布形式,其光学性能有更好的表现;在一定的面形误差分布形式下,面形误差RMS值越大,其光学性能表现越差,其中畸变率在相对高度小于0.2的透镜边缘底部对RMS值高度敏感。(2)提出了基于非线性收缩预测的精密模具型腔设计优化方法。采取基于热传导统一模型的控制算法,以全部网格节点体积收缩率的标准差为优化目标,以此为基础在每个节点坐标上进行差异化放大的矩阵运算,最后对变换的节点坐标点云进行精密模具型腔的逆向造型。实验研究发现,相对于均匀放大的传统模具型腔设计方法,非球面光学透镜样品曲面面形最大偏差减小了约56.5%,平均偏差减少了约32%。(3)提出了自动校准功能的压缩优化结构,研究了注射压缩辅助成型的工艺参数对双折射的影响规律,为减小透镜双折射的影响指明方向。另外,为了提高聚合物透镜表面微结构的成型复制质量,设计了一种注射超声辅助成型技术,由于型芯微结构表面对聚合物产生瞬时高温、高压作用,光学透镜表面微结构的平均高度提升了约 14.6%。(4)以雾度HR和峰谷值PV20为质量目标,提出了基于改进遗传算法的注射工艺参数多目标优化方法,得到了最佳的工艺参数组合。针对经典NSGA-Ⅱ遗传算法在多样性方面的鲁棒性不强问题,提出了基于拥挤距离淘汰策略的改进算法,与其它几种常见算法比较,其算法收敛度均值与方差最小。研究发现,同时对两个质量目标有重要影响的工艺参数为保压压力和模具温度,通过改进的NSGA-Ⅱ算法进行优化,透镜的综合质量相对于优化前明显得到了提升,且HR和PV20的优化结果仅为 4.226%和 0.532μm。(5)以一个红外菲涅尔透镜为例进行了全文方法的试验验证。在分析菲涅尔透镜的设计原理与光学性能要求之后,以基于非线性收缩预测的方法对精密模具型腔进行了设计,并制造了精密注射超声模具,最后以基于改进的遗传算法对注射超声工艺参数进行了优化。研究发现,相对于传统的注射成型工艺,本文方法成型的红外菲涅尔透镜综合质量得到了有效改进,其齿沟槽平均高度增加了 15.6%,且在同等空间频率下MTF值更大。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

受制于玻璃材质的光学透镜加工方式，要高效率生产出精密的非球面、甚至自由曲??面具有相当难度。聚合物光学透镜的使用场合还包括导光板，精密测量仪器上的光??栅透镜板、菲涅尔透镜等，如图１－ｌｂ）所示，这类光学透镜的表面具有特殊的微结??构，它们具有绕射、分光、折射等功能。??ａ）相机透镜组?ｂ）菲涅尔透镜??图１－１聚合物光学透镜使用场合??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｔｈｅ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｐｏｌｙｍｅｒ?ｏｐｔｉｃａｌ?ｌｅｎｓ??注射成型工艺是聚合物成型的一种常用方法，它可成型复杂产品，具有高效、??低成本、易于实现自动化等优点，因此被广泛用于聚合物产品的成型。当前，注射??成型技术向精密化方向发展，针对光学透镜的成型技术取得了一定程度的发展，如??在注塑成型工艺基础上发展起来的注射压缩成型工艺，被认为是聚合物光学透镜成??型的有效方法，通过压缩动作使透镜内部受力均匀，在低压注射的条件下即可完成??透镜的成型，减小光学透镜的双折射现象。因此，注射压缩成型能够在提升透镜光??学性能的前提下

注射压缩成型法最大的优点是在压缩阶段使聚合物受到的压力均匀，能够有效??降低注射压力和夹紧力，同时提升产品的质量，如减少残余应力、分子取向和双折??射、提高尺寸精度和减少翘曲，使收缩均匀等［３５￥］。虽然注射压缩成型只是增加了??一个压缩工序，但是需要严格控制的工艺过程却变得更复杂，聚合物熔体在流动压??缩状态下的压力分布出现了完全不同的状态。很多企业把注射压缩成型的技术细节??进行保密，因此在很长一段时间内，该技术的发展比较缓慢，真正实现产业化的案??例并不多。注射压缩成型工艺相对于传统的注射成型，产品的内应力更小、尺寸精??度更高、光学性能更好，并且在表面微结构的复制性能方面也有明显优势，因此祚??国内外出现了一些成熟的案例。注射压缩实验一般结合试验设计方法进行研究，有??文献以带三维图案的塑料薄片为对象，设计相应的模具并以图案高度为质量目标进??行实验，通过优化压缩速度和压缩距离得到了更高质量的三维图案１３８１。还有一些研??究人员采取注射压缩成型工艺，成功的制造出了光学透镜，光盘基底、导光板等精??密聚合物产品。Ｋｌｅｐｅｋ等采取注射压缩模具对一块厚的光学透镜进行了成型，得到??

为了提高复制效率和降低成本，热塑性聚合物的表面微结构一般采取微型注射??模具（ＷＭ）和微型注射压缩模具（／／ＩＣＭ）的复制方法。／／ＩＭ是从传统的注塑模具??发展而来，它的核心制造部件是微结构。Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ等制造出了具有一定角度的锯??齿状微结构表面，成功实现了微结构区域的抗光反射功能［６１１。对／／ｉｍ进行注塑：ｒｅ??参数优化可显著提高微结构的复制质量，从而有效提升细胞在聚合物基板的黏附和??增殖％１。针对微型注塑的特点，成功开发出了快速热循环系统，能快速控制模具温??度以提高微结构的复制质量［６３１。另外一种辅助技术是真空模具排气方法［６４１，它的Ｊ??的是减少聚合物进入微结构的空气阻力。Ｓｏｒｇａｔｏ等通过系统的研究，发现只有当模??具温度达到一定值时抽真空技术才有助于微结构复制质量的提高，否则会起到柄反??的效果［６５Ｕ虽然采取／／ＩＭ结合各种辅助手段进行微结构的复制得到了广泛的运用，??但是在基板表面加工高纵横比的微结构时依然存在较大的挑战｜６６１。实际上，由于模??具型腔内部的压力分布不均匀，且熔融聚合物存在较大的表面张力，导致了聚合物??在压力较低的微沟槽部位填充困难Ｍｌ。微结构的填充条件比较苛刻，因此它一般是??
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 吴进梅;;活性聚合物表面扩张黏弹性能研究[J];化学工程与装备;2017年07期

2 陈铭忆;张扬;温变英;;聚合物表面金属化修饰研究进展[J];高分子通报;2014年10期

3 左彪;卢晓林;张蓉平;张丽;王新平;;聚合物表面分子松弛行为研究进展[J];高分子材料科学与工程;2011年09期

4 龙桑田;;聚合物表面起“褶皱”的新技术[J];国外塑料;2007年03期

5 周晓奇,张开;静态二次离子质谱在聚合物表面研究中的应用[J];高分子材料科学与工程;1986年02期

6 潘慧铭;;(一)界面的粘附作用(Ⅱ)[J];粘合剂;1987年04期

7 孙志敏;;蛋白质和血小板与聚合物表面的相互作用[J];国外医学(生物医学工程分册);1987年02期

8 Horst Czichos,鄂吉胜;在滑动的聚合物界面上原位研究摩擦学过程[J];固体润滑;1988年03期

9 薛奇;用付里叶变换红外光谱技术研究聚合物表面结构[J];高分子材料科学与工程;1988年02期

10 Okano T;张苗清;;材料表面形态和微相结构[J];国外医学.生物医学工程分册;1988年04期

相关博士学位论文 前10条

1 刘军辉;聚合物光学透镜的精密注塑成型关键技术研究[D];广东工业大学;2019年

2 桑佳荣;晶体和聚合物在超（亚）临界流体中的溶解行为研究[D];北京化工大学;2018年

3 陈超;基于RAFT聚合制备多肽基嵌段与星型聚合物的研究[D];北京化工大学;2018年

4 胡那日苏;天然多糖基微马达的制备及运动机理研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

5 高育哲;结构修饰对乳蛋白纤维聚合物形成的影响及其机理的研究[D];东北农业大学;2014年

6 杨帅;海上聚合物驱油层残留聚合物絮凝再利用技术研究[D];中国石油大学(华东);2016年

7 牟鹏;共轭微孔聚合物纳米管气凝胶的制备及其性能研究[D];兰州理工大学;2019年

8 许云峰;具有光催化活性的共轭微孔聚合物制备及性能研究[D];陕西师范大学;2017年

9 刘意;开孔地质聚合物与多级孔分子筛的制备及吸附Pb~(2+)、Cu~(2+)的研究[D];中国地质大学;2018年

10 郭小玲;酮羰基聚合物催化剂的设计、合成及其脱氢/加氢反应性能[D];大连理工大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈能洪;基于芳基咪唑的超交联微孔聚合物的合成及应用研究[D];湘潭大学;2019年

2 李宇鹏;异腈参与的多组分反应制备本征型自修复聚合物[D];江西科技师范大学;2018年

3 何俊;可见光引发聚合诱导自组装体系的发展及其在聚合物纳米材料制备中的应用[D];广东工业大学;2019年

4 丁培菲;偏高岭土基地聚合物的制备及其对Cu~(2+)、Pb~(2+)吸附性能的研究[D];广东工业大学;2019年

5 刘杰;多孔地质聚合物的制备以及导热性能和耐火性能的研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

6 陈俊;基于咔唑单元有机共轭半导体材料的制备及其性能研究[D];武汉工程大学;2018年

7 饶曦;碳纳米管增强地聚物的制备与性能研究[D];武汉工程大学;2018年

8 雷智星;基于葫芦[6]脲的二维线性聚合物及三维框架聚合物的制备及性质研究[D];内蒙古大学;2019年

9 谢培栋;基于吡咯并吡咯的有机多孔框架结构的设计、合成和性能研究[D];江汉大学;2019年

10 王笑鸽;基于官能化POSS改性聚甲基丙烯酸树脂的制备与研究[D];陕西科技大学;2019年

本文编号：2873379