基本信息
内容简介
聚合物光学元件是以高分子聚合物为材料，通过模压、注射等方式进 行成型的光学元件。其中注射成型由于具有高效、低成本等特点，是使用 *为广泛的成型方法。相对于传统石英玻璃，聚合物光学透镜的抗冲击性 和安全性更加优良，成本更低，在高端的精密光学领域逐渐出现了聚合物 光学透镜的身影。为了推动高端聚合物光学元件的成型技术，本书介绍了 聚合物透镜几何精度与光学性能的关系、基于非线性收缩预测的透镜精密 模具型腔设计、精密注射辅助成型对透镜双折射及几何精度的优化、基于 改进遗传算法的透镜质量多目标优化等内容，以期综合提升聚合物光学透 镜的质量。 本书阐述清晰，试验数据翔实，案例丰富，适合精密注射技术应用厂 家、科研院所、高等学校相关研究人员使用，也可作为高等院校材料成 型、光学类专业高年级学生、研究生的参考书籍。
目录
前言
第１ 章 聚合物透镜几何精度与光学性能的关系
１ １ 引言 １ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
１ ２ 光学透镜面形误差与光学性能关系建模 ２ !!!!!!!!
１ ３ 非球面透镜面形误差对光学性能的影响规律研究 １０ !!!!
１ ４ 本章小结 ２９ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第２ 章 基于非线性收缩预测的透镜精密模具型腔设计 ３１ !!
２ １ 引言 ３１ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
２ ２ 基于热传导统一模型的光学透镜收缩率预测算法 ３２ !!!!
２３ 基于网格节点非线性收缩预测的精密模具型腔建模 ４３ !!!
２４ 试验案例研究 ４８ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!
２５ 本章小结 ５７ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第３ 章 精密注射辅助成型对透镜双折射及几何精度的 优化 ５８ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
３１ 引言 ５８ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
３２ 聚合物光学透镜双折射原理及测量技术 ５９ !!!!!!!!
３３ 对精密注射压缩工艺参数影响双折射的研究 ６６ !!!!!!
３４ 基于超声波的精密注射压缩成型技术 ７５ !!!!!!!!!
３ ５ 本章小结 ９３ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第４ 章 基于改进遗传算法的透镜质量多目标优化 ９５ !!!!
４ １ 引言 ９５ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第１ 章 聚合物透镜几何精度与光学性能的关系
１ １ 引言 １ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
１ ２ 光学透镜面形误差与光学性能关系建模 ２ !!!!!!!!
１ ３ 非球面透镜面形误差对光学性能的影响规律研究 １０ !!!!
１ ４ 本章小结 ２９ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第２ 章 基于非线性收缩预测的透镜精密模具型腔设计 ３１ !!
２ １ 引言 ３１ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
２ ２ 基于热传导统一模型的光学透镜收缩率预测算法 ３２ !!!!
２３ 基于网格节点非线性收缩预测的精密模具型腔建模 ４３ !!!
２４ 试验案例研究 ４８ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!
２５ 本章小结 ５７ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第３ 章 精密注射辅助成型对透镜双折射及几何精度的 优化 ５８ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
３１ 引言 ５８ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
３２ 聚合物光学透镜双折射原理及测量技术 ５９ !!!!!!!!
３３ 对精密注射压缩工艺参数影响双折射的研究 ６６ !!!!!!
３４ 基于超声波的精密注射压缩成型技术 ７５ !!!!!!!!!
３ ５ 本章小结 ９３ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第４ 章 基于改进遗传算法的透镜质量多目标优化 ９５ !!!!
４ １ 引言 ９５ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
前言
近年来，光电产业和信息技术的快速发展使其对高质量光学元件 的需求呈现急剧增长的趋势。精密光学透镜作为不可缺少的光学元 件，对其成型模具、方法和工艺展开进行研究意义重大。然而，制造 精密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；提高体积收缩率的均衡性，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 的精密复制质量；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，对高端聚合物精密光学透镜成型具有 重要意义。
光学透镜材料一般由光学玻璃、光学晶体和高分子聚合物组成。 其中光学玻璃有优良的透光率和耐热性能，且具有很高的尺寸稳定 性，因此在传统的高端光学透镜领域占据主要地位。随着一些高透光 率、低吸湿性、具有良好抗冲击性等特点的新型光学聚合物材料的出 现，如烯丙基二甘醇二碳酸酯 （ＣＲ ３ ９）、光学级聚甲基丙烯酸甲酯 （ＰＭＭＡ）、聚碳酸酯 （ＰＣ）等，同时伴随其成型技术的发展，聚合 物光学透镜的使用范围变得日益广泛，由光学的低端市场逐渐发展到 精密高端光学领域。传统的光学玻璃透镜加工一般采用研磨的方式， 这种方法可以得到高精度的产品，但是生产效率低、废品率高。常用 的精密光学玻璃透镜加工方式为热压成型，即把玻璃预热到转化温度，通过模压的方式复制模具的形状尺寸。聚合物光学透镜的成型方 法一般采取注射工艺、注射压缩工艺和压印工艺。光学透镜有很高的 质量要求，其难点在于精确地控制透镜几何精度、光学性能和光学表 面微结构的成型精度，降低加工成本，提升生产效率。由于高分子聚 合物材料固有的特性，如热胀冷缩效应大，存在分子取向、双折射现 象等，因此采取普通的注射工艺很难满足光学透镜的高质量要求。另 外，在聚合物光学透镜表面的微结构成型上，这类微结构的尺度在微 米，甚至纳米级别，现有的方法主要有：聚合物熔融沉积成型、基于 ＬＩ ＧＡ工艺的光刻成型、高能电子束加工等。这些成型方法能得到高 质量的微结构，但是都存在生产效率低的问题。
相对于玻璃透镜，聚合物光学透镜除了可以实现光电产品的轻量 化，还有一个重要的特点，是可以成型出非常复杂的光学曲面。目 前，相机透镜组、光盘读写头等领域都采用了聚合物光学透镜。另 外，用聚合物还可以对光学透镜和装配支架进行整体成型，简化了装 配流程，降低了装配误差，提高了光学系统的总体性能。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，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。
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，如在注射成型工艺基础上发 展起来的注射压缩成型工艺就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，实现大批量、低成本的 生产。
综上所述，随着聚合物材料技术的发展，出现了越来越多具有高 透光率、高折射率等优点的光学级聚合物材料。因其质量轻、易成型 复杂光学曲面，故聚合物光学透镜不仅仅在低端市场，也将在精密高 端光学领域发挥越来越大的作用。然而，要使成型的聚合物光学透镜 达到很高的几何精度，最终提高其光学性能，还存在如下问题需要研 究：第一，聚合物光学透镜的几何精度如何影响透镜的光学性能，研 究其关系可以为透镜质量优化提供方向；第二，如何对精密模具型腔 进行优化设计，最大限度降低聚合物收缩的不利影响，从而得到精确 的透镜面形；第三，如何在传统注射成型的基础上优化辅助成型手 段，从而减小透镜的双折射程度，消除透镜重影等成像缺陷，且对某 些透镜表面存在的微沟槽进行精密复制，提高微结构成型质量；第 四，如何在狭小的注射工艺窗口中准确找出关键工艺参数的最佳组 合，综合提升聚合物光学透镜的成像质量。 作者将自己在上述几个方面的研究成果集结成书，以期有助于提 升聚合物光学透镜的质量与性能。
作者
光学透镜材料一般由光学玻璃、光学晶体和高分子聚合物组成。 其中光学玻璃有优良的透光率和耐热性能，且具有很高的尺寸稳定 性，因此在传统的高端光学透镜领域占据主要地位。随着一些高透光 率、低吸湿性、具有良好抗冲击性等特点的新型光学聚合物材料的出 现，如烯丙基二甘醇二碳酸酯 （ＣＲ ３ ９）、光学级聚甲基丙烯酸甲酯 （ＰＭＭＡ）、聚碳酸酯 （ＰＣ）等，同时伴随其成型技术的发展，聚合 物光学透镜的使用范围变得日益广泛，由光学的低端市场逐渐发展到 精密高端光学领域。传统的光学玻璃透镜加工一般采用研磨的方式， 这种方法可以得到高精度的产品，但是生产效率低、废品率高。常用 的精密光学玻璃透镜加工方式为热压成型，即把玻璃预热到转化温度，通过模压的方式复制模具的形状尺寸。聚合物光学透镜的成型方 法一般采取注射工艺、注射压缩工艺和压印工艺。光学透镜有很高的 质量要求，其难点在于精确地控制透镜几何精度、光学性能和光学表 面微结构的成型精度，降低加工成本，提升生产效率。由于高分子聚 合物材料固有的特性，如热胀冷缩效应大，存在分子取向、双折射现 象等，因此采取普通的注射工艺很难满足光学透镜的高质量要求。另 外，在聚合物光学透镜表面的微结构成型上，这类微结构的尺度在微 米，甚至纳米级别，现有的方法主要有：聚合物熔融沉积成型、基于 ＬＩ ＧＡ工艺的光刻成型、高能电子束加工等。这些成型方法能得到高 质量的微结构，但是都存在生产效率低的问题。
相对于玻璃透镜，聚合物光学透镜除了可以实现光电产品的轻量 化，还有一个重要的特点，是可以成型出非常复杂的光学曲面。目 前，相机透镜组、光盘读写头等领域都采用了聚合物光学透镜。另 外，用聚合物还可以对光学透镜和装配支架进行整体成型，简化了装 配流程，降低了装配误差，提高了光学系统的总体性能。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，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。
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，如在注射成型工艺基础上发 展起来的注射压缩成型工艺就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，实现大批量、低成本的 生产。
综上所述，随着聚合物材料技术的发展，出现了越来越多具有高 透光率、高折射率等优点的光学级聚合物材料。因其质量轻、易成型 复杂光学曲面，故聚合物光学透镜不仅仅在低端市场，也将在精密高 端光学领域发挥越来越大的作用。然而，要使成型的聚合物光学透镜 达到很高的几何精度，最终提高其光学性能，还存在如下问题需要研 究：第一，聚合物光学透镜的几何精度如何影响透镜的光学性能，研 究其关系可以为透镜质量优化提供方向；第二，如何对精密模具型腔 进行优化设计，最大限度降低聚合物收缩的不利影响，从而得到精确 的透镜面形；第三，如何在传统注射成型的基础上优化辅助成型手 段，从而减小透镜的双折射程度，消除透镜重影等成像缺陷，且对某 些透镜表面存在的微沟槽进行精密复制，提高微结构成型质量；第 四，如何在狭小的注射工艺窗口中准确找出关键工艺参数的最佳组 合，综合提升聚合物光学透镜的成像质量。 作者将自己在上述几个方面的研究成果集结成书，以期有助于提 升聚合物光学透镜的质量与性能。
作者
