精密熱成型光學(xué)玻璃透鏡的折射率場(chǎng)偏差及矯正方法研究.pdf

1、光學(xué)玻璃透鏡精密熱壓成型工藝是一門新興的精密光學(xué)玻璃元件制作工藝。它不僅具有高效率、低成本、對(duì)環(huán)境友好、適合生產(chǎn)精密非球面鏡等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)需再經(jīng)過(guò)拋光處理等工藝就可以直接使用。因此，該工藝近年來(lái)越來(lái)越多地受到研究者和工業(yè)界的關(guān)注。
　　 玻璃材料的物理屬性在熱壓過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)熱壓成型透鏡的光學(xué)性能造成一定的影響。本文采用實(shí)驗(yàn)和與仿真研究相結(jié)合的方法，就透鏡的精密

2、熱壓成型工藝對(duì)透鏡在精密熱成型過(guò)程中的折射率和密度變化規(guī)律、產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)光學(xué)系統(tǒng)所造成的影響進(jìn)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)，得到了一批不同熱處理?xiàng)l件下的玻璃樣品。研究并實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻璃透鏡折射率場(chǎng)的無(wú)損測(cè)量方法，引入計(jì)算機(jī)斷層掃描重建(Computed Tomography，CT)技術(shù)的基

3、本原理，獲得了透鏡的三維折射率場(chǎng)分布信息。
　　 研究中，搭建了基于Mach-Zehnder干涉儀的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，獲得了各個(gè)精密熱處理透鏡樣品在不同波長(zhǎng)激光測(cè)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(chǎng)，并最終獲得了透鏡的3D折射率分布。這種高精度無(wú)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(chǎng)重建精度達(dá)5.5×10-5。
　　 在此基礎(chǔ)上，本文探索了精密熱處理透鏡的折射率場(chǎng)分布規(guī)律，找出了影響透鏡折射率場(chǎng)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(huì)有所減小。同時(shí)，折射率偏差也受測(cè)量激光波長(zhǎng)的影響，波長(zhǎng)越短，精密熱處理透鏡的內(nèi)部折射率偏差越大，但色散會(huì)有所減小。而對(duì)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?xiàng)l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(dāng)精密熱處理透鏡被加熱到Tg以上時(shí)，最高保溫溫度對(duì)透鏡折射率場(chǎng)的分布沒(méi)有明顯的影響。
　　 為了探索精密熱處理透鏡的折射率場(chǎng)偏差的產(chǎn)生機(jī)理，本文在Tool-Narayanaswamy模型的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值分析方法，對(duì)玻璃透鏡的精密熱處理工藝進(jìn)行了仿真研究。探索了其在精密熱處理過(guò)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?xiàng)l件下的透鏡的折射率場(chǎng)的對(duì)比分析表明透鏡在精密熱處理后密度場(chǎng)分布不均是造成透鏡折射率場(chǎng)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(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能，如球差、光程差以及光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)等的影響規(guī)律，并探索了折射率偏差的預(yù)補(bǔ)償方法。在光學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，本文提出了一種精密熱成型透鏡的形貌預(yù)補(bǔ)償方法，通過(guò)對(duì)透鏡的原始設(shè)計(jì)形貌進(jìn)行非球面修正，可以有效地消除熱成型過(guò)程中引入的折射率偏