【摘 要】
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高精度微结构光学元件在航空航天、光电成像、太阳能光伏和现代医疗等领域应用日趋广泛,对于高效率、高精度、低成本、批量制备微结构光学元件的技术需求与日俱增,其中,模压成型技术是一种高效、高精度的批量生产技术。传统热压成型采用“等温成型”的方式,成型之前需将模具和玻璃同时加热到高温状态,成型完成后两者还需同时冷却,每成型一个工件均需完成一次上述流程,带来了模压周期长的弊端。另外,对于制备具有大面积复杂微
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“微小零件化学机械-机械化学协同微细磨削及微磨具关键技术（项目号:5187592）”； 美国科学基金项目“小型高精度传感器测量大型光学自由曲面研究（项目号:NSF1537212）”； 国家留学基金委；
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高精度微结构光学元件在航空航天、光电成像、太阳能光伏和现代医疗等领域应用日趋广泛,对于高效率、高精度、低成本、批量制备微结构光学元件的技术需求与日俱增,其中,模压成型技术是一种高效、高精度的批量生产技术。传统热压成型采用“等温成型”的方式,成型之前需将模具和玻璃同时加热到高温状态,成型完成后两者还需同时冷却,每成型一个工件均需完成一次上述流程,带来了模压周期长的弊端。另外,对于制备具有大面积复杂微结构阵列形貌的光学元件,常规的硬质金属或陶瓷材料的模具加工制造难度大,成本昂贵,且模具的制造精度和效率难以协同。因此,本文提出了一种针对微结构阵列光学元件制备的非等温模压成型方法。引入了变温模压成型理论,推导了材料在变温条件下的粘弹性本构方程,建立了微尺度结构非等温成型的传热模型,并通过有限元仿真和实验验证了工艺可行性,为复杂微结构阵列光学元件实现低成本、批量化生产提供了理论和实验依据。本文主要研究内容如下:（1）基于非等温模压原理,提出微尺度结构的快速成型方法。引入变温粘弹性理论,分别建立变温条件下光学材料应力松弛和蠕变特性的本构方程。根据模具和工件的温度设置不同,将微尺度非等温成型细分成“高温模具成型低温工件”和“低温模具成型高温工件”两种工艺。建立“高温模具成型低温工件”的微尺度传热模型和仿真模型,仿真分析模压温度、压型时间等工艺参数对成型质量的影响规律,为后续微尺度结构的非等温成型工艺研究提供理论依据。（2）针对非等温成型分区加热需求,提出加热装置上、下分离布局和驱动装置上置的设计方案。建立加热组件的传热模型,仿真分析加热棒功率分布对加热组件温度场均匀性的影响,优化加热板表面温度场分布;提出一种压力-位置协同控制的模压策略,研究该模压策略的原理和优势,并依此设计力-位置双向闭环控制的压力加载装置;详细设计非等温模压成型设备的各功能组件,包括箱体组件、保温隔热组件、冷却和真空系统等;试制精密非等温模压成型样机,为非等温成型研究提供良好的设备支撑。（3）基于“高温模具成型低温工件”工艺,提出一种分步-反复快速复制微结构单元的方法,解决常规模压成型周期长的问题。采用高温铜模对常温的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate,PMMA）基体进行非等温模压成型,并通过模拟仿真分析基体的材料流动状态和应力分布。设计并制备一个具有菲涅尔透镜单元的铜模具,将模具安装至自制的压印装置,高温铜模具按预设路径的反复在PMMA基体上进行压印,制备具有连续面型的菲涅尔透镜阵列元件。最后,评估该光学元件的成型质量和光学性能,成型后菲涅耳透镜单元的几何偏差小于0.1μm,表面粗糙度为9.57 nm,成像清晰,聚焦效率强,满足精密光学器件的光学性能要求。（4）突破“硬质材料作为模具”的理念,提出一种用“软模具”成型“硬工件（固态光学材料）”的成型新方法。基于“低温模具成型高温玻璃”工艺,拓展新模具材料的应用。利用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）在低温状态的较高强度和玻璃材料在高温下软化的黏弹性,将低温模具上的特征压入高温软化后的玻璃表面,实现软模具表面特征的成功充分转移。另外,结合分步-反复模压、PDMS倒模和非等温玻璃成型三种工艺,在红外玻璃上制备大面积连续面型的衍射透镜阵列,为制造大面积复杂形貌微结构阵列的光学元器件提供一种新的解决方案。
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