【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】透鏡是光學(xué)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能單元，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域如成像、照明、光伏、視覺矯正等，并在空間光學(xué)占據(jù)重要地位。基于流體成形技術(shù)制得鏡片的質(zhì)量由分子聚合尺度決定，利用高分子液體表面的天然平滑性不需要拋光就能得到良好的表面，對于大口徑光學(xué)透鏡的快速制造具有重要意義。力學(xué)所微重力重點實驗室對基于流體成形的光學(xué)透鏡表面輪廓控制技術(shù)開展研究，相關(guān)研究成果以“Fluidic Shaping and Pressure-based Precision Control of Optical Lenses”為題發(fā)表在《Microgravity Science and Technology》。
 

　　研究團隊利用浮力平衡重力模擬微重力環(huán)境，并通過精確調(diào)節(jié)光學(xué)聚合物液體上下界面的壓差，引入了壓力差控制面形的概念，可獲得更多，更豐富的透鏡面形。另外，由于光學(xué)高分子材料固化過程中的體積與密度會隨著固化度與溫度而變化，因此引入固化體積與熱膨脹及固化收縮的關(guān)系，最終得到透鏡成形過程中曲率變化的精確控制方程，解決了聚合物光學(xué)材料成形過程中變密度匹配控制問題。
 

　　通過壓強差控制能豐富制備的透鏡面形，研究也表明在微重力環(huán)境下基于流體成形能獲得面形多樣的高精度的透鏡，從而將在軌制造拓展到空間光學(xué)系統(tǒng)，使其具有新的設(shè)計自由度，能更有效增強空間光學(xué)系統(tǒng)的運行與維護能力。
 

 

　　圖1 流體成形與控制原理示意圖。a圖展示了光學(xué)透鏡的流體成形與控制裝置，包含模具和容器。該容器為密閉式儲罐，流體成形模具固定于容器中心，內(nèi)部形成環(huán)形環(huán)面并浸入密度匹配液中。該匹配液的密度與光學(xué)聚合物液完全一致。光學(xué)聚合物液與模具共同將容器分隔為上下兩個密封腔室。b圖說明通過向上下密封腔室施加不同附加壓力，可調(diào)節(jié)上下密度匹配液在成形液中的壓力差，從而實現(xiàn)對成形液形狀的精準(zhǔn)控制。
 

　　圖2 50℃恒溫加熱高分子材料溫度、固化度、體積、表面曲率、平均密度隨時間的變化：a為高分子材料的平均溫度、固化度、體積隨時間的變化過程，b為高分子材料表面曲率隨時間的變化，c為高分子材料平均密度隨時間的變化
 

　　圖3 光學(xué)高分子液體固化過程中的壓強差。實驗得到壓強差上升較慢，最終恒定值近似。
 

圖4 不同尺寸的透鏡樣品