熱壓玻璃透鏡里的殘余應(yīng)力研究.pdf

1、作為一種替代傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃透鏡的制造方法，光學(xué)玻璃透鏡的精密熱壓成型是一個(gè)有吸引力的工藝。它具有一次成型，高效率低成本，適應(yīng)于玻璃透鏡的規(guī)模生產(chǎn)，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。
　　但是熱壓成型技術(shù)是一種在高溫下對(duì)光學(xué)玻璃模壓成型工藝，由于冷卻過(guò)程中的溫度不均勻，以及玻璃在其轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜狀態(tài)變化，導(dǎo)致最后殘余應(yīng)力被凍結(jié)在玻璃透鏡里。而殘余應(yīng)力的存在會(huì)使玻璃透鏡產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，以及折射率偏差，從而影響透鏡的光學(xué)性能。
　　為了研究熱壓成

2、型透鏡中的殘余應(yīng)力問(wèn)題，本文分別采用實(shí)驗(yàn)和有限元仿真研究了玻璃透鏡中的殘余應(yīng)力分布，并探索了利用退火工藝來(lái)改善玻璃透鏡中的殘余應(yīng)力與折射率偏差的方法。
　　為了理解玻璃透鏡中的殘余應(yīng)力分布，實(shí)驗(yàn)搭建了圓偏光器(circularpolariscope)，分別對(duì)經(jīng)過(guò)熱處理后的圓柱透鏡以及熱壓成型的非球面透鏡進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中采取用六步左右相移法獲得了被測(cè)透鏡不同的光強(qiáng)圖像，計(jì)算得到了被測(cè)透鏡的等傾角與相位延遲。根據(jù)軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力、以及

3、弱雙折射情況下的透鏡中的應(yīng)力與透鏡等傾角與相位延遲關(guān)系，以及透鏡的平衡方程以及一般性求和法則，利用編寫(xiě)的殘余應(yīng)力重建程序，重建了透鏡中的殘余應(yīng)力分布。
　　采用有限元仿真計(jì)算了圓柱透鏡以及非球面透鏡中的殘余應(yīng)力，并將仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比，研究表明，有限元仿真可以用來(lái)研究熱壓成型透鏡中的殘余應(yīng)力。
　　同時(shí)探討了有限元計(jì)算仿真中玻璃材料的比熱容，熱膨脹系數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響，對(duì)玻璃透鏡冷卻過(guò)程中的冷卻速率進(jìn)行了仿

4、真研究，探索了冷卻速率對(duì)透鏡中殘余應(yīng)力以及透鏡曲面形貌的影響。發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)折溫度前的冷卻速率對(duì)成型透鏡的殘余應(yīng)力和曲面形貌影響較大，同時(shí)隨著冷卻速率的的減小，透鏡中的殘余應(yīng)力在減小，但是曲面相貌偏差會(huì)變大。
　　為了降低熱壓成型的非球面鏡中的殘余應(yīng)力，本文還對(duì)非球面透鏡進(jìn)行了退火實(shí)驗(yàn)。并分別利用圓偏光器、基于Mach-Zehnder干涉儀的實(shí)驗(yàn)裝置，以及輪廓儀測(cè)量了退火實(shí)驗(yàn)前、后透鏡中的殘余應(yīng)力，折射率偏差以及透鏡的非球面曲面形貌。研究

5、表明，當(dāng)退火溫度在應(yīng)變點(diǎn)附近時(shí)，能夠減小透鏡中的殘余應(yīng)力，但是對(duì)折射率偏差的影響不大;當(dāng)退火溫度在玻璃材料退火點(diǎn)附近時(shí)，透鏡中的殘余應(yīng)力與折射率偏差都變小了;且在退火后透鏡非球面的曲面形貌得到了較好的保存。
　　最后根據(jù)文中的實(shí)驗(yàn)與仿真，提出了一種新的透鏡熱壓成型工藝，即在透鏡熱壓成型階段針對(duì)透鏡曲面面型進(jìn)行優(yōu)化工藝，透鏡熱壓成型后，利用退火方式來(lái)降低透鏡中的殘余應(yīng)力與折射率偏差，由于退火過(guò)程中只需要進(jìn)行溫度控制，因此可以對(duì)批量的