微光学玻璃元件超声振动辅助超精密热压成型基础研究

There are some technical defects induced by the process of glass molding press (GMP) of micro optical glass components, which generate worse shape precsion, worse surface quality and worse optical properties. The new ultra-precision thermal molding press of micro optical glass components with assistance of ultrasonic vibration is proposed. By adding ultrasonic vibration to mold during GPM process,the flow chacacteristics of molten glass will be improved, the shape and surface morphology of mold will be precisely copied to micro optical glass components.The key scientific issues such as the effect of ultrasonic vibration on flow characteristic of molten glass, size and shape effect of transferability,the forming precision of shape of mold, as well as the process numerical simulation will be studied in this project in order to reveal the forming mechanism of mirco optical glass components during GMP process with assistance of ultrasonic vibration, and develop new method and technology for mass production of mirco optical glass components.

针对微光学玻璃元件在传统热压成型过程中出现填充不饱满、应力分布不均、脱模粘附等影响成型精度、表面质量和光学性能的科学和技术问题，提出新的超声振动辅助热压成型方法，将超声振动技术引入到微结构和微尺度光学玻璃元件的制造，通过对上模仁或下模仁附加一定频率和振幅的超声振动，改变熔融玻璃材料的流动特性和成型性能，提高复杂结构光学玻璃元件的成型精度和成型质量。研究超声振动作用-玻璃材料流动特性-玻璃/模具贴合度-尺寸及形状的传递性-成型精度之间的内在关系，探讨超声振动下玻璃材料流动机理及特性、模具形状的传递性和精确成型规律、超声振动辅助热压成型过程数值模拟与仿真预测技术、超精密模具反求预补偿技术等关键科学问题，揭示微光学玻璃元件的超声波辅助超精密热压成型机理和规律，形成有效控制微光学玻璃元件热压成型精度的新方法和技术。

针对微光学玻璃元件超声振动辅助超精密模压成型，主要开展了以下工作：（1）开展了超声振动辅助系统设计，对变幅杆进行了模态分析和实验验证，变幅杆的高温振动稳定性得到了改善；同时设计与制造了用于微光学玻璃元件成型的振动模压装置；（2）开展了微槽光学元件的模压仿真分析，分析了模压温度、模压速度、模压时间和摩擦系数等参数对V槽光学元件的内部应力与填充率的影响，分析了V形槽、矩形槽、梯形槽和圆弧槽四种微结构模压后填充性能的影响； 以及超声振动对玻璃填充性能的影响；（3）设计了光学元件模压用模具，通过精密磨削和抛光加工出了精密模具；（4）实验研究了光学玻璃在熔融状态下的流动特性，解释了熔融态光学玻璃的典型非牛顿流体性质；（5）开展了光学元件的模压工艺实验，测量了成形的非球面透镜的轮廓偏移量和表面质量，研究了模压工艺参数对光学元件成型质量的影响规律。.通过上述研究，掌握了光学玻璃在熔融状态下的流动机理和成型特性，振动辅助模压成型过程数值模拟技术，开发了相应的超声振动模压装置和微光学元件的模压工艺技术，揭示了微光学玻璃元件的超声辅助模压压成型机理和规律，有着较好的应用前景。