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光学镜头的应力分析

发布时间:2022-07-07 00:00:00   浏览次数:649

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光学镜头在组装过程中,由固定组件固定镜片时,往往会发生固定不佳从而产生残留应力,从而导致光学成像不佳, 亦会造成光学特性的改变。 因此如何观测光学镜头的内部残留应力,是光电产业非常重要且急需解决的问题。

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1853Maxwell提出应力光学定律,提出当材料受到应力时,其光学折射率会改变。此定律建立了光弹应力分析的理论基础。透明材料的应用广泛,例如面板,光学透镜行业。在其生产,组装及操作流程难免会造成应力残留,从而降低产品的品质。欲改变此现象,必须先从测量其应力下手。光弹实验法是目前较合适的应力全域性量测方法。当光学镜片成品在使用上发生破裂或破坏时,就材料科学的观点而言,此现象即标示该光学镜片在破坏区域内,所承受之总应力值超过了材料本身之物性强度值。

射出成型产品中存在的残余应力主要由两个原因所导致: 一是充填阶段由流动残余应力所引发的分子排向;二是冷却阶段不均匀收缩所产生的热残余应力。流动残余应力主要受到塑料充填流动的过程中高剪切率所导致,而在充填之后的冷却脱模空额点持续被释放或冻结。热残余应力则是在高温的塑料材料冷却到玻璃转移温度后的不均匀的收缩与密度变化所生成。

要解决成品在使用上的破坏问题,就应该从如何增加材料物性强度及如何减少成品应力值来着手。 光学镜片承受的应力作用通常可依来源分为内部应力及外部应力两种。

当透明塑料及玻璃的光学镜头遭受应力时将发生双折射现象。此时入射的偏振光会被分为速度快的一束及速度慢的一束,其速度差相对距离则称为相位差或延迟。 在单色的光弹条纹中,粗线的地方代表该点的主应力方向与偏振光平行。 因此,两束光的相位差为整数波长造成光场的明暗条纹,光场的条纹可以进行观察。 条纹越密集的地方,表示应力愈大,亦即是应力集中的地方,也是材料发生破坏时最先开始之处。条纹越稀疏的地方,残余应力就会比较小。因为塑料的组成结构是长链高分子,一般在成型加工过程中多少都会有残余应力留存在产品中,尤其是射出型制程。在射出时的剪切速率高,冷却快,进料浇口小等因素都会造成射出产品的残余应力也相对比较严重。 因此,在加工工艺上无可避免会让塑料产生应力(不同种类塑料形成应力高低也不同)。 努力的方向是如何减小塑料产品的残余应力。

下图中(a)(b)是用定性偏光应力仪来观测透明塑料光学镜片,由此可得知不同塑料对成型应力的敏感性。(c)(d)(e)是玻璃材料光学镜片的应力观测图像。(c)是光学镜片未施加任何外力拍摄的图像,呈均匀分布;(d)是光学镜片加装固定环后拍摄的图像。经过偏振光照射时应力分布呈现圆弧线分布;(e)是光学镜片固定四点螺丝得到的应力分布图。

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经过研究我们发现利用偏光应力仪观测光学镜片残余应力是一种相对简易的定性观测方法,可使光学镜头组装在生产线上迅速获得应力分布的信息,可迅速调整成型加工参数的设定,减少成品的残余应力及减少产品破坏的可能性。