非球面光学元件的快速制造技术

2.1 光学塑料材料

精密光学塑料注射成型技术的加工材料为塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚碳酸酯 (PC)、聚苯乙烯 (PS)、聚环烯烃共聚物 (COC) 和聚环烯烃聚合物 (COP) 等。这些材料因具有低成本、轻量化、高抗冲击性和不弱于玻璃材料的光学性能被广泛应用于各种光学系统中。但光学塑料材料的折射率小、高光学透过范围窄、吸水率高，在运输和使用过程中易产生划痕等外观损伤。

光学塑料作为精密注塑成型技术的基础，目前有多个研究发展方向：1) 高折射率和低散射；2) 高透明度和低色散；3) 高温稳定性；4) 新材料和制造技术。文章依次介绍了光学塑料材料在高折射率、宽光谱高透过率、低吸水性等方面的研究。

2.2 精密注塑成型磨具材料及加工

精密光学塑料注射成型技术中所使用的模具材料应具有以下特点：1）良好的加工性能；2）较高的耐磨性；3）较强的防变形性；4）较强的防外伤性。精密注塑成型模具由外模具和内模芯组成。其中，模芯是模具的关键器件，一般采用超精密单点金刚石车削加工或者在不锈钢基体上化学镀镍来生成。

2.3 仿真分析和精密注射成型工艺

随着近些年来光学系统的逐步发展，精密光学系统要求塑料元件具备高光学质量、高面形精度，小残余应力。如何提高面形精度，减少残余应力成为目前研究的重点内容。

在精密光学塑料注射成型过程中，注射速度、填充时间、熔体温度、模具温度、保压压力和保压时间等参数一直是影响成型光学元件的残余应力和几何变形的主要工艺参数。此前，优化工艺参数一般采用迭代实验的方法，造成大量人力物力的浪费。为此，通常采用 Moldflow、Moldex3d 等商业软件对精密注塑成型过程进行数值模拟分析，进一步实现对工艺参数的高效优化。

文章重点介绍了利用仿真软件建模优化塑料注射成型过程中的工艺参数以及分析内应力、内部残余应力、应力双折射和翘曲等对光学元件质量的影响。为了可重复生产具有高精度表面质量的光学元件，文章进一步描述了模具结构优化、模芯补偿、参数优化和新型注射成型工艺等优化方法。

在新型注射成型工艺方面，介绍了精密光学塑料注射压缩成型技术（Injection compression molding, ICM）。在ICM中，型腔内压力较低，这使得熔融的光学塑料可以在低压条件下立即进入空腔的末端。再将融化的光学塑料注入型腔之后，进行合模压缩步骤。在合模运动期间，压缩间隙减少，迫使熔体均匀地填充整个型腔，如图5所示。这种技术结合了均匀的压力分布和IM技术的自动化操作，可以制造出具有优异机械性能、低残余应力和严格公差的精密元件。

图5.注塑成型和注塑压缩成型的示意图。(a)填充阶段；(b)注塑压缩成型通过添加模芯的压缩操作

3.结论

精密玻璃模压成型技术和精密光学塑料注射成型技术是非球面光学元件制造领域的两种重要快速制造技术，能够实现高效、精确和经济的光学元件制造，为现代光学系统的发展提供了关键支持。制造形状精度达到亚微米级的较厚复杂面型光学元件，同时保持高效率和低成本是未来的发展方向。文章最后展望了非球面光学元件的快速制造技术在材料体系开发、精确仿真模型建立与结果预测等方面的未来发展趋势。

论文原文：王龙飞，胡雨旺，张泽光等. 非球面光学元件的快速制造技术. 光电工程，2024，51(1): 230171.

Wang L F, Hu Y W, Zhang Z G, et al. Rapid manufacturing technology for aspheric optical elements. Opto-Electron Eng, 2024, 51(1): 230171.

链接：https://doi.org/10.12086/oee.2024.230171