聚合物光學(xué)透鏡是以高分子聚合物為材料,通過模壓、注塑等方式進(jìn)行成型的光學(xué)元件,其中精密注塑成型是使用最為廣泛的成型方法。然而,制造精密級(jí)的高端聚合物光學(xué)透鏡,還面臨如下難題需要解決:揭示幾何精度與光學(xué)性能之間的影響規(guī)律;提高體積收縮率均衡性,設(shè)計(jì)精密的模具型腔;引入輔助手段降低透鏡雙折射,提升其表面微結(jié)構(gòu)精密復(fù)制質(zhì)量;采取智能算法進(jìn)行多質(zhì)量目標(biāo)優(yōu)化,得到最佳工藝參數(shù)組合。對(duì)上述關(guān)鍵問題的研究,有助于綜合提升聚合物光學(xué)透鏡的幾何精度和光學(xué)性能,對(duì)高端的聚合物精密光學(xué)透鏡成型具有重要意義。本文首先研究了聚合物光學(xué)透鏡表面幾何精度與光學(xué)性能的關(guān)系,之后對(duì)精密模具型腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、注射輔助成型技術(shù)和注射工藝參數(shù)優(yōu)化方法展開研究,最后通過一個(gè)透鏡成型綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證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學(xué)透鏡幾何精度與光學(xué)性能的關(guān)系,通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,建立了基于Zernike多項(xiàng)式的面形誤差與波前像差精確模型。研究發(fā)現(xiàn),在一定的面形誤差RMS值下,對(duì)稱分布、旋轉(zhuǎn)中心靠近幾何中心的面形誤差分布形式,其光學(xué)性能有更好的表現(xiàn);在一定的面形誤差分布形式下,面形誤差RMS值越大,其光學(xué)性能表現(xiàn)越差,其中畸變率在相對(duì)高度小于0.2的透鏡邊緣底部對(duì)RMS值高度敏感。(2)提出了基于非線性收縮預(yù)測(cè)的精密模具型腔設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。采取基于熱傳導(dǎo)統(tǒng)一模型的控制算法,以全部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)體積收縮率的標(biāo)準(zhǔn)差為優(yōu)化目標(biāo),以此為基礎(chǔ)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)上進(jìn)行差異化放大的矩陣運(yùn)算,最后對(duì)變換的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行精密模具型腔的逆向造型。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于均勻放大的傳統(tǒng)模具型腔設(shè)計(jì)方法,非球面光學(xué)透鏡樣品曲面面形最大偏差減小了約56.5%,平均偏差減少了約32%。(3)提出了自動(dòng)校準(zhǔn)功能的壓縮優(yōu)化結(jié)構(gòu),研究了注射壓縮輔助成型的工藝參數(shù)對(duì)雙折射的影響規(guī)律,為減小透鏡雙折射的影響指明方向。另外,為了提高聚合物透鏡表面微結(jié)構(gòu)的成型復(fù)制質(zhì)量,設(shè)計(jì)了一種注射超聲輔助成型技術(shù),由于型芯微結(jié)構(gòu)表面對(duì)聚合物產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、高壓作用,光學(xué)透鏡表面微結(jié)構(gòu)的平均高度提升了約 14.6%。(4)以霧度HR和峰谷值PV20為質(zhì)量目標(biāo),提出了基于改進(jìn)遺傳算法的注射工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化方法,得到了最佳的工藝參數(shù)組合。針對(duì)經(jīng)典NSGA-Ⅱ遺傳算法在多樣性方面的魯棒性不強(qiáng)問題,提出了基于擁擠距離淘汰策略的改進(jìn)算法,與其它幾種常見算法比較,其算法收斂度均值與方差最小。研究發(fā)現(xiàn),同時(shí)對(duì)兩個(gè)質(zhì)量目標(biāo)有重要影響的工藝參數(shù)為保壓壓力和模具溫度,通過改進(jìn)的NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行優(yōu)化,透鏡的綜合質(zhì)量相對(duì)于優(yōu)化前明顯得到了提升,且HR和PV20的優(yōu)化結(jié)果僅為 4.226%和 0.532μm。(5)以一個(gè)紅外菲涅爾透鏡為例進(jìn)行了全文方法的試驗(yàn)驗(yàn)證。在分析菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)原理與光學(xué)性能要求之后,以基于非線性收縮預(yù)測(cè)的方法對(duì)精密模具型腔進(jìn)行了設(shè)計(jì),并制造了精密注射超聲模具,最后以基于改進(jìn)的遺傳算法對(duì)注射超聲工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于傳統(tǒng)的注射成型工藝,本文方法成型的紅外菲涅爾透鏡綜合質(zhì)量得到了有效改進(jìn),其齒溝槽平均高度增加了 15.6%,且在同等空間頻率下MTF值更大。
【學(xué)位單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

受制于玻璃材質(zhì)的光學(xué)透鏡加工方式，要高效率生產(chǎn)出精密的非球面、甚至自由曲??面具有相當(dāng)難度。聚合物光學(xué)透鏡的使用場(chǎng)合還包括導(dǎo)光板，精密測(cè)量?jī)x器上的光??柵透鏡板、菲涅爾透鏡等，如圖１－ｌｂ）所示，這類光學(xué)透鏡的表面具有特殊的微結(jié)??構(gòu)，它們具有繞射、分光、折射等功能。??ａ）相機(jī)透鏡組?ｂ）菲涅爾透鏡??圖１－１聚合物光學(xué)透鏡使用場(chǎng)合??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｔｈｅ?ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｐｏｌｙｍｅｒ?ｏｐｔｉｃａｌ?ｌｅｎｓ??注射成型工藝是聚合物成型的一種常用方法，它可成型復(fù)雜產(chǎn)品，具有高效、??低成本、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于聚合物產(chǎn)品的成型。當(dāng)前，注射??成型技術(shù)向精密化方向發(fā)展，針對(duì)光學(xué)透鏡的成型技術(shù)取得了一定程度的發(fā)展，如??在注塑成型工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的注射壓縮成型工藝，被認(rèn)為是聚合物光學(xué)透鏡成??型的有效方法，通過壓縮動(dòng)作使透鏡內(nèi)部受力均勻，在低壓注射的條件下即可完成??透鏡的成型，減小光學(xué)透鏡的雙折射現(xiàn)象。因此，注射壓縮成型能夠在提升透鏡光??學(xué)性能的前提下

注射壓縮成型法最大的優(yōu)點(diǎn)是在壓縮階段使聚合物受到的壓力均勻，能夠有效??降低注射壓力和夾緊力，同時(shí)提升產(chǎn)品的質(zhì)量，如減少殘余應(yīng)力、分子取向和雙折??射、提高尺寸精度和減少翹曲，使收縮均勻等［３５￥］。雖然注射壓縮成型只是增加了??一個(gè)壓縮工序，但是需要嚴(yán)格控制的工藝過程卻變得更復(fù)雜，聚合物熔體在流動(dòng)壓??縮狀態(tài)下的壓力分布出現(xiàn)了完全不同的狀態(tài)。很多企業(yè)把注射壓縮成型的技術(shù)細(xì)節(jié)??進(jìn)行保密，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，該技術(shù)的發(fā)展比較緩慢，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的案??例并不多。注射壓縮成型工藝相對(duì)于傳統(tǒng)的注射成型，產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力更小、尺寸精??度更高、光學(xué)性能更好，并且在表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)制性能方面也有明顯優(yōu)勢(shì)，因此祚??國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些成熟的案例。注射壓縮實(shí)驗(yàn)一般結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，有??文獻(xiàn)以帶三維圖案的塑料薄片為對(duì)象，設(shè)計(jì)相應(yīng)的模具并以圖案高度為質(zhì)量目標(biāo)進(jìn)??行實(shí)驗(yàn)，通過優(yōu)化壓縮速度和壓縮距離得到了更高質(zhì)量的三維圖案１３８１。還有一些研??究人員采取注射壓縮成型工藝，成功的制造出了光學(xué)透鏡，光盤基底、導(dǎo)光板等精??密聚合物產(chǎn)品。Ｋｌｅｐｅｋ等采取注射壓縮模具對(duì)一塊厚的光學(xué)透鏡進(jìn)行了成型，得到??

為了提高復(fù)制效率和降低成本，熱塑性聚合物的表面微結(jié)構(gòu)一般采取微型注射??模具（ＷＭ）和微型注射壓縮模具（／／ＩＣＭ）的復(fù)制方法。／／ＩＭ是從傳統(tǒng)的注塑模具??發(fā)展而來，它的核心制造部件是微結(jié)構(gòu)。Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ等制造出了具有一定角度的鋸??齒狀微結(jié)構(gòu)表面，成功實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)區(qū)域的抗光反射功能［６１１。對(duì)／／ｉｍ進(jìn)行注塑：ｒｅ??參數(shù)優(yōu)化可顯著提高微結(jié)構(gòu)的復(fù)制質(zhì)量，從而有效提升細(xì)胞在聚合物基板的黏附和??增殖％１。針對(duì)微型注塑的特點(diǎn)，成功開發(fā)出了快速熱循環(huán)系統(tǒng)，能快速控制模具溫??度以提高微結(jié)構(gòu)的復(fù)制質(zhì)量［６３１。另外一種輔助技術(shù)是真空模具排氣方法［６４１，它的Ｊ??的是減少聚合物進(jìn)入微結(jié)構(gòu)的空氣阻力。Ｓｏｒｇａｔｏ等通過系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)模??具溫度達(dá)到一定值時(shí)抽真空技術(shù)才有助于微結(jié)構(gòu)復(fù)制質(zhì)量的提高，否則會(huì)起到柄反??的效果［６５Ｕ雖然采取／／ＩＭ結(jié)合各種輔助手段進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的復(fù)制得到了廣泛的運(yùn)用，??但是在基板表面加工高縱橫比的微結(jié)構(gòu)時(shí)依然存在較大的挑戰(zhàn)｜６６１。實(shí)際上，由于模??具型腔內(nèi)部的壓力分布不均勻，且熔融聚合物存在較大的表面張力，導(dǎo)致了聚合物??在壓力較低的微溝槽部位填充困難Ｍｌ。微結(jié)構(gòu)的填充條件比較苛刻，因此它一般是??
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