激光扫描光学自由曲面元件精密注塑及面形补偿研究

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1、激光扫描光学自由曲面元件精密注塑及面形补偿研究Precisioninjectionmoldingandformcompensationofopticalfreeformelementforlaserscanningsystem工程领域：仪器仪表工程作者姓名：杜昕阳指导教师：张效栋副教授企业导师：无天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月我是爱天大的！摘要激光扫描系统将光线高速旋转量精确地转为像平面上的平移量，可实现精确定位或高质量显示，广泛应用于电子、通信、医疗等领域。激光扫描光学系统通常由多个聚合物光学元件组成，往往采用光学自由曲面器件来保证光线精确控制和聚

2、焦，其中F-theta扫描透镜是激光扫描单元的核心光学部件，需要较高的面形精度满足激光扫描系统的性能要求。目前，精密注塑成型技术是聚合物光学元件大批量生产最有效的手段。然而，由于模型误差、模仁加工误差及聚合物材料成型收缩往往导致F-theta透镜面形难以满足设计要求。所以，精密注塑成型高光学质量、高面形精度和较低残留应力的光学元件至关重要。本课题针对激光扫描系统整体结构设计以及其主要光学部件F-theta透镜的精密注塑成形方法及面形精度补偿展开讨论，研究内容如下：1.调研激光扫描系统和精密注塑成型技术最新进展，改进激光扫描系统设计，并重点设计了影响激光扫描单元光学性能

3、的核心光学部件F-theta透镜，包括F-theta透镜的曲面选择以及曲面数学模型。结合F-theta透镜结构特点，设计其精密注塑成形模具。2.采用Moldex3D模流分析软件对F-theta透镜的精密注塑加工过程进行仿真分析，得到影响F-theta透镜面形精度的主要成型工艺参数，并通过实际注塑实验对得到的优化参数进行验证。3.对精密注塑加工成型F-theta透镜的面形误差进行分析，提出三种面形误差预补偿方法：改变F-theta透镜塑件材料法、Moldex3D模流分析软件进行全方位体积收缩预补偿法、数值拟合解析公式预补偿法。关键词：激光扫描系统，F-theta透镜，M

4、oldex3D模流分析，精密注塑预补偿IABSTRACTLaserscanningsystemcanconvertlighthigh-speedrotationquantitiestomotionquantitiesofimageplane.Itiswidelyusedinelectronics,communication,medicaltreatmentandotherfields.Laserscanningopticalsystemgenerallyconsistsofmanypolymeropticscomponents,anditadoptsopticalfr

5、ee-formsurfacedevicestoguaranteeprecisecontrolandfocusoflight.F-thetascanninglensisthecoreopticalcomponentofalaserscanningunit.Itneedshighformaccuracytomeetperformancerequirementsoflaserscanningsystems.Sofar,Precisioninjectionmoldingisthemosteffectivemethodforpolymeropticalcomponentmass

6、production.However,errorsfromgeometricalmodeling,moldtoolinsertmachiningandshrinkageofinjectionmoldedpartwillresultinF-thetalensesformaccuracynotmeetingthedesignrequirements.Thusitisnecessarytoguaranteeahighopticalquality,aformaccuracyandlowresidualstressopticsinprecisioninjectionmoldin

7、gprocess.Inthispaper,wediscusstheopticaldesignoflaserscanningsystemwithoverallstructureandtheprecisioninjectionmoldingtechniquesinthesignificantopticalcomponent,namelyF-thetalensesanditscompensationofformaccuracy.Theresearchcontentsarelistedasfollows:1.Theworkinvestigatesthelat