[发明专利]聚合物复杂形面光学器件精密注塑成型方法及装置

说明书

本发明属于先进制造和光学制造中的精密光学注塑领域，针对由厚度、面形等因素导致的体积收缩大、面形精度低和残余应力显著等问题，为实现高面形精度、低残余应力聚合物光学器件的注塑成型。本发明，聚合物复杂形面光学器件精密注塑成型方法及装置，由注塑机、模具、基于面形的多段变模温辅助成型系统和模内微动校形辅助成型系统组成。其中，基于面形的多段变模温辅助成型系统由变模温电源模块、变模温控制模块、加热元件、隔热元件、冷却水路和变模温传感模块实现，用于在充填和保压阶段，使模面温度高于材料玻璃态转变温度或接近材料熔融温度；之后逐渐降低模具温度至材料粘弹态温度，实现特征复制。本发明主要应用于光学注塑场合。

技术领域

本发明属于先进制造和光学制造中的精密光学注塑领域，特别是适用于复杂形面和厚壁聚合物光学器件注塑成型加工。

背景技术

激光打印机中的f-theta扫描透镜、虚拟现实眼镜中的投影棱镜等厚壁复杂形面光学镜片和光场相机中的微透镜阵列等典型光学器件都是光电产品的关键成像元器件。微透镜阵列在机器人探测、微型飞行器系统、匀光和均匀成像等领域都有着广泛的应用。近年来非球面及自由曲面光学等已引起学者们的广泛关注。尽管不同应用领域中光学器件的设计各不相同，但它们具有本质上的共同点，就是形面复杂及壁厚不均。

对于复杂形面光学器件来说，厚度不均匀易导致加工过程中冷却不均匀。不均匀冷却会导致不均匀收缩，进而形成较大的残余应力、较低的面形精度并限制了有效的成像区域。为克服这一难题，国内外学者对其面形精度、残余应力及成像品质等进行了大量实验和理论研究。目前，保证面形精度的主要控制方法有精密模仁补偿与调整、注塑工艺优化、采用注塑压缩成型工艺等。常用控制残余应力的方法有变模温技术和退火等。尽管精密模仁补偿可一定程度上减小面形误差，但其重建及拟合困难，工艺稳定性不高，往往补偿效果并不显著。工艺优化可改善面形精度并减小残余应力，但影响因素众多，且当面形精度达到一定程度时，很难再有所改进。注塑压缩工艺有利于成型低内应力、高尺寸精度的薄壁光学器件，但会存在压缩过程中压力传递不均匀的情况，进而影响光学器件密度和折射率的均匀性，造成较大残余应力和双折射现象。此外，传统的注塑压缩工艺运动控制精度较低，无法满足精密光学器件厚度工差要求。变模温辅助成型和退火后处理有利于去除残余应力和双折射。目前，传统变模温系统冷却加热一般采用同一套冷却及加热水道，其模面温度均匀性、样品的冷却均匀性均不能得到很好的控制，无法在保证面形条件下，显著减小甚至消除残余应力。退火虽可消除应力，但处理时间长，残余应力释放会显著影响面形精度。从文献中还可以发现，目前光学器件精密注塑成型主要针对平凸球面透镜，对非球面及自由曲面等复杂形面研究较少。随着复杂形面在成像、照明和聚光等领域的广泛应用，复杂形面精密及超精密成型技术成为了研究前沿。由此可见，复杂形面光学器件，甚至是自由曲面光学器件的精密及超精密注塑成型技术极具挑战性，其方法及基础研究对光学产业的发展具有重要的意义及应用价值。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种对于复杂形面聚合物光学器件的精密及超精密注塑成型方法，针对由厚度、面形等因素导致的体积收缩大、面形精度低和残余应力显著等问题，实现高面形精度、低残余应力聚合物光学器件的注塑成型。本发明采用的技术方案是，聚合物复杂形面光学器件精密注塑成型装置，由注塑机、模具、基于面形的变模温辅助成型系统和模内微动校形辅助成型系统组成。其中，基于面形的变模温辅助成型系统由变模温电源模块、变模温控制模块、加热元件、隔热元件、冷却水路和变模温传感模块实现，用于在充填和保压阶段，使模面温度高于材料玻璃态转变温度或接近材料熔融温度，减小聚合物注入模具时由于壁面剪切所引发的分子链取向，进而减小流动引发的残余应力；之后逐渐降低模具温度至材料粘弹态温度，与微动压缩相配合，实现特征复制；