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      光學鏡頭的應力分析

      發布時間:2022-07-07 00:00:00???瀏覽次數:325

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      光學鏡頭在組裝過程中,由固定組件固定鏡片時,往往會發生固定不佳從而產生殘留應力,從而導致光學成像不佳, 亦會造成光學特性的改變。 因此如何觀測光學鏡頭的內部殘留應力,是光電產業非常重要且急需解決的問題。

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      1853Maxwell提出應力光學定律,提出當材料受到應力時,其光學折射率會改變。此定律建立了光彈應力分析的理論基礎。透明材料的應用廣泛,例如面板,光學透鏡行業。在其生產,組裝及操作流程難免會造成應力殘留,從而降低產品的品質。欲改變此現象,必須先從測量其應力下手。光彈實驗法是目前較合適的應力全域性量測方法。當光學鏡片成品在使用上發生破裂或破壞時,就材料科學的觀點而言,此現象即標示該光學鏡片在破壞區域內,所承受之總應力值超過了材料本身之物性強度值。

      射出成型產品中存在的殘余應力主要由兩個原因所導致: 一是充填階段由流動殘余應力所引發的分子排向;二是冷卻階段不均勻收縮所產生的熱殘余應力。流動殘余應力主要受到塑料充填流動的過程中高剪切率所導致,而在充填之后的冷卻脫??疹~點持續被釋放或凍結。熱殘余應力則是在高溫的塑料材料冷卻到玻璃轉移溫度后的不均勻的收縮與密度變化所生成。

      要解決成品在使用上的破壞問題,就應該從如何增加材料物性強度及如何減少成品應力值來著手。 光學鏡片承受的應力作用通??梢纴碓捶譃閮炔繎巴獠繎煞N。

      當透明塑料及玻璃的光學鏡頭遭受應力時將發生雙折射現象。此時入射的偏振光會被分為速度快的一束及速度慢的一束,其速度差相對距離則稱為相位差或延遲。 在單色的光彈條紋中,粗線的地方代表該點的主應力方向與偏振光平行。 因此,兩束光的相位差為整數波長造成光場的明暗條紋,光場的條紋可以進行觀察。 條紋越密集的地方,表示應力愈大,亦即是應力集中的地方,也是材料發生破壞時最先開始之處。條紋越稀疏的地方,殘余應力就會比較小。因為塑料的組成結構是長鏈高分子,一般在成型加工過程中多少都會有殘余應力留存在產品中,尤其是射出型制程。在射出時的剪切速率高,冷卻快,進料澆口小等因素都會造成射出產品的殘余應力也相對比較嚴重。 因此,在加工工藝上無可避免會讓塑料產生應力(不同種類塑料形成應力高低也不同)。 努力的方向是如何減小塑料產品的殘余應力。

      下圖中(a)(b)是用定性偏光應力儀來觀測透明塑料光學鏡片,由此可得知不同塑料對成型應力的敏感性。(c)(d)(e)是玻璃材料光學鏡片的應力觀測圖像。(c)是光學鏡片未施加任何外力拍攝的圖像,呈均勻分布;(d)是光學鏡片加裝固定環后拍攝的圖像。經過偏振光照射時應力分布呈現圓弧線分布;(e)是光學鏡片固定四點螺絲得到的應力分布圖。

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      經過研究我們發現利用偏光應力儀觀測光學鏡片殘余應力是一種相對簡易的定性觀測方法,可使光學鏡頭組裝在生產線上迅速獲得應力分布的信息,可迅速調整成型加工參數的設定,減少成品的殘余應力及減少產品破壞的可能性。


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