微透镜阵列的模压仿真与制造技术研究

论文摘要

随着当代科学技术的飞速发展,微透镜阵列光学元件对光波的物理特性具有调控的作用,具体光波包括红外、可见光、紫外、极紫外甚至X射线波段,可以实现传统的光学元件完成困难或者不能完成的功能,这使得微透镜阵列光学元件在现代光学技术发展中具有非常重要的应用价值,因此微透镜阵列的加工工艺得到了越来越多科研人员的注意和重视。光学玻璃精密模压技术因为其不需要去除材料,不需要定心磨边等传统复杂工艺,具有加工高效,操作简便等优点。本文使用的有限元分析软件为MSC.MARC。利用该仿真软件,模拟光学玻璃的模压加工过程。在模压工艺加压过程中,改变工艺参数和微结构参数的变化对微透镜阵列光学元件带来的影响进了详细的研究。本文根据上述内容的课题背景,开展对微透镜阵列模压过程中加压阶段的有限元仿真分析以及制造技术的研究。本篇文章首先对光学玻璃精密模压技术和模压所用的光学玻璃的材料特性进行了详细的介绍。其次,使用有限元软件对模压工艺中的加压过程进行数学建模,模拟模压环境,模压时,改变模压工艺参数和光学元件几何参数,研究这些改变对等效米塞斯应力的影响。本篇文章使用的模压材料为硫系玻璃材料Ge23Se67Sb10,使用的有限元仿真软件为MSC.Marc,根据该玻璃的热力学特性和微透镜阵列光学元件的几何特性,建立有限元仿真分析模型,模拟硫系玻璃微透镜阵列光学元件的模压工艺过程。研究的主要内容包括:微透镜阵列光学元件模压工艺中,模压成形时不同位置子透镜的应力分布、相同微结构宽度不同微结构高度等效米塞斯应力的变化趋势以及基于已经知道的前人实验研究成果得出该材料阵列光学元件在某特定工艺参数的条件下的可模压性。进而分析了模压工艺参数的选择方法,并研究了模压成型的微透镜阵列光学元件表面等效应力的分布情况。研究结果表明:在同一微结构高度时,边缘位置的阻力大于中心位置,出现边缘位置应力集中,填充较差的情况,因此当边缘位置子透镜填充效果达到最佳时,处于阵列中间位置的子透镜也达到了最佳效果;当微结构高度较小时,硫系玻璃材料比较容易填充微结构,说明此时硫系玻璃填充微结构阵列的阻力较小;随着微结构高度的增大,等效米塞斯应力越来越大,填充效果越来越差,说明此时硫系玻璃填充微结构阵列的阻力越来越大。硫系玻璃具有较大的脆性,当微结构高度过高时,内部应力较大导致元件破损,所以在光学设计中使用硫系玻璃微透镜阵列光学元件时,尽量选择微结构高度适宜的微透镜阵列。根据前人研究的实验结果,我们得知硫系玻璃能承受的最大应力平均为150.09MPa,再根据理论研究表明理想玻璃的断裂强度一般处于材料弹性模量的1/10-1/20之间,大约为0.73×104MPa,求得硫系玻璃Ge23Se67Sb10最大等效米塞斯应力为30.218MPa。通过有限元分析方法对硫系玻璃Ge23Se67Sb10,阵列光学元件某特定工艺参数条件下的可模压性进行分析,利用有限元软件分析和数据处理相结合的办法得出该玻璃阵列光学元件可模压性,得出模压是微结构高度和宽度的比值最小为0.322时,硫系玻璃表面开始出现裂纹。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王蕾

导师: 薛常喜

关键词: 玻璃模压工艺,微透镜阵列,等效米塞斯应力,有限元分析

来源: 长春理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,无机化工

单位: 长春理工大学

分类号: O43;TQ171.1

总页数: 62

文件大小: 2277K

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