【儀表網 研發快訊】透鏡是光學系統最基礎的功能單元，已經被廣泛應用于多個領域如成像、照明、光伏、視覺矯正等，并在空間光學占據重要地位。基于流體成形技術制得鏡片的質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，對于大口徑光學透鏡的快速制造具有重要意義。力學所微重力重點實驗室對基于流體成形的光學透鏡表面輪廓控制技術開展研究，相關研究成果以“Fluidic Shaping and Pressure-based Precision Control of Optical Lenses”為題發表在《Microgravity Science and Technology》。
研究團隊利用浮力平衡重力模擬微重力環境，并通過精確調節光學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系統，使其具有新的設計自由度，能更有效增強空間光學系統的運行與維護能力。
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，內部形成環形環面并浸入密度匹配液中。該匹配液的密度與光學聚合物液完全一致。光學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，可調節上下密度匹配液在成形液中的壓力差，從而實現對成形液形狀的精準控制。
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
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