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《广东工业大学》 2019年
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聚合物光学透镜的精密注塑成型关键技术研究

刘军辉  
【摘要】: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。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH74

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