精密熱成型光學玻璃透鏡的折射率場偏差及矯正方法研究.pdf

1、光學玻璃透鏡精密熱壓成型工藝是一門新興的精密光學玻璃元件制作工藝。它不僅具有高效率、低成本、對環(huán)境友好、適合生產(chǎn)精密非球面鏡等優(yōu)點，而且，由于其模具具有極高的形貌精度和表面精度，使得成型后的透鏡無需再經(jīng)過拋光處理等工藝就可以直接使用。因此，該工藝近年來越來越多地受到研究者和工業(yè)界的關注。
　　 玻璃材料的物理屬性在熱壓過程中會發(fā)生變化，從而對熱壓成型透鏡的光學性能造成一定的影響。本文采用實驗和與仿真研究相結合的方法，就透鏡的精密

2、熱壓成型工藝對透鏡在精密熱成型過程中的折射率和密度變化規(guī)律、產(chǎn)生機理及其對光學系統(tǒng)所造成的影響進行了深入研究，最后還探索了精密熱成型透鏡折射率偏差的矯正方法。
　　 為了探索精密熱處理透鏡的內(nèi)部折射率場的分布規(guī)律，本文在在精密熱成型爐中開展了多種條件下的精密熱處理實驗，得到了一批不同熱處理條件下的玻璃樣品。研究并實現(xiàn)了對玻璃透鏡折射率場的無損測量方法，引入計算機斷層掃描重建(Computed Tomography，CT)技術的基

3、本原理，獲得了透鏡的三維折射率場分布信息。
　　 研究中，搭建了基于Mach-Zehnder干涉儀的光學測量系統(tǒng)，獲得了各個精密熱處理透鏡樣品在不同波長激光測量下的一系列干涉圖像，自行編寫了圖像處理系統(tǒng)，提取了各干涉圖像中所攜帶的波前相位信息。最后根據(jù)濾波反投影算法(Filtered Back-Projection，F(xiàn)BP)算法，逐層重建了玻璃透鏡的折射率場，并最終獲得了透鏡的3D折射率分布。這種高精度無損地探索透鏡折射率分布的

4、新方法獲得的透鏡折射率場重建精度達5.5×10-5。
　　 在此基礎上，本文探索了精密熱處理透鏡的折射率場分布規(guī)律，找出了影響透鏡折射率場偏差的影響因素和影響規(guī)律。研究表明，造成精密熱處理透鏡內(nèi)部的折射率偏差的主要因素是降溫速率。降溫速率越快，精密熱處理透鏡的內(nèi)部折射率偏差越大，分布越不均勻，但色散會有所減小。同時，折射率偏差也受測量激光波長的影響，波長越短，精密熱處理透鏡的內(nèi)部折射率偏差越大，但色散會有所減小。而對不同規(guī)格的透

5、鏡的折射率偏差分布的研究表明，在相同的熱處理條件下，透鏡的尺寸越大，其內(nèi)部折射率偏差也越大。研究發(fā)現(xiàn)，當精密熱處理透鏡被加熱到Tg以上時，最高保溫溫度對透鏡折射率場的分布沒有明顯的影響。
　　 為了探索精密熱處理透鏡的折射率場偏差的產(chǎn)生機理，本文在Tool-Narayanaswamy模型的基礎上，采用有限元數(shù)值分析方法，對玻璃透鏡的精密熱處理工藝進行了仿真研究。探索了其在精密熱處理過程中的熱變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了玻璃透鏡在精密熱處理后

6、的密度下降和分布不均勻現(xiàn)象。與相同熱處理條件下的透鏡的折射率場的對比分析表明透鏡在精密熱處理后密度場分布不均是造成透鏡折射率場偏差的主要因素。
　　 本文還研究了精密熱壓成型透鏡折射率偏差對光學系統(tǒng)的性能，如球差、光程差以及光學調制傳遞函數(shù)等的影響規(guī)律，并探索了折射率偏差的預補償方法。在光學仿真的基礎上，本文提出了一種精密熱成型透鏡的形貌預補償方法，通過對透鏡的原始設計形貌進行非球面修正，可以有效地消除熱成型過程中引入的折射率偏