第13章光學(xué)雙折射案例分析雙折射是塑料光學(xué)元件面臨的主要成型問(wèn)題。雙折射會(huì)使透過(guò)光學(xué)元件的光線產(chǎn)生相位差，在成像時(shí)出現(xiàn)雙重影像，對(duì)成像效果造成不良影響，且很難通過(guò)像差矯正來(lái)完全消除。雙折射主要由塑料制品內(nèi)部光學(xué)各向異性所致。填充過(guò)程中塑膠分子定向及由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力是注塑成型的塑膠光學(xué)元件產(chǎn)生雙折射的主要原因。現(xiàn)在我們可以運(yùn)用翹曲模塊中“網(wǎng)格雙折射分析”功能來(lái)分析成型過(guò)程對(duì)塑料光學(xué)元件品質(zhì)的影響，預(yù)測(cè)在當(dāng)前制品造型、成型工藝下塑膠下光學(xué)元件成型后，從不同的光學(xué)指標(biāo)判斷制品是否存在光學(xué)缺陷，并可根據(jù)當(dāng)前存在的問(wèn)題，做出及時(shí)的改善與調(diào)整，從而達(dá)到在模具設(shè)計(jì)段消除制品成型缺陷、快速投入量產(chǎn)的目的。為了使讀者更好地應(yīng)用雙折射分析功能，我們先來(lái)講述雙折射原理。13.1光波是一種橫波。光波矢量的振動(dòng)方向垂直于光的傳播方向，光振動(dòng)的方向特性即光的偏振性。根據(jù)光矢量對(duì)傳播方向的不對(duì)稱情形，光可分為自然光、和偏振光。13.1.1自然光和偏振光普遍光源如太陽(yáng)、白熾燈、鈉燈等發(fā)光時(shí)，各光波列振動(dòng)方向、頻率和位相不盡相同，光矢量在垂直于光傳播方向的平面上取各方向的幾率相等，自然光可分解為兩個(gè)任意互相垂直方向、振幅相等、沒(méi)有任何相位關(guān)系的偏振光，即光矢量具有軸對(duì)稱性、均勻分布、各方向振動(dòng)的振幅相同的特性。如果光矢量的振動(dòng)相對(duì)于傳播方向失去對(duì)稱特性的光統(tǒng)稱為偏振光。13.1.2晶體雙折射現(xiàn)象圖尋常光和非常光當(dāng)自然光沿任意方向入射到晶體表面上，將在透明材料內(nèi)沿兩個(gè)不同方向產(chǎn)生兩束折射光，這就是雙折射現(xiàn)象。這是由于晶體的各向異性造成的。雙折射時(shí)產(chǎn)生的兩束折射光是振動(dòng)面相互垂直，質(zhì)量很高的偏振光。實(shí)驗(yàn)證明，其中一束偏振光遵循折射定律，稱為尋常光或光，另一束不遵循折射定律稱為非常光或光。這兩束光的傳播速度有快慢的差異，經(jīng)過(guò)在傳播路徑上的累計(jì)后，會(huì)產(chǎn)生光波相位上的落差，稱為光的相位差。它們?cè)谕该鹘橘|(zhì)中經(jīng)過(guò)的路徑越長(zhǎng)，射出后兩束光線分得愈開(kāi)。在晶體材料中，還存在某些特殊方向，當(dāng)自然光沿該方向入射時(shí)，光、光將沿相同方向以相同速度傳播，這時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。這個(gè)方向稱為晶體的光軸。13.2一些晶體物質(zhì)在沒(méi)有應(yīng)力的情況下也會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。但絕大多數(shù)塑膠料屬于非結(jié)晶性（非結(jié)晶性塑料并不是絕對(duì)不存在結(jié)晶現(xiàn)象，只是結(jié)晶率非常低），晶體雙折射現(xiàn)象在非結(jié)晶性塑膠材料制品光學(xué)缺陷中占的幾率很小，而制品內(nèi)部的殘余應(yīng)力會(huì)使制品產(chǎn)生一定程度的各向異性，是引起制材品出現(xiàn)雙折射的主要誘發(fā)原因。在以下小節(jié)中我們將重點(diǎn)講述熱塑性塑膠材料應(yīng)力雙折射現(xiàn)象。利用偏振光觀察應(yīng)力比較大的透明塑膠制品時(shí)，由于尋常光和非常光存在相位差，在傳播的過(guò)程中出現(xiàn)光波的疊加和抵消，使光線在亮度上相互消長(zhǎng)，產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋。條紋級(jí)數(shù)與材料內(nèi)部的主軸應(yīng)力差值成正比，代表著材料受力的狀況。對(duì)于多數(shù)透明材料制品，光的折射率與光的傳播方向和光的偏振無(wú)關(guān)，但是制品內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)改變穿過(guò)的光線的折射率。如果制品內(nèi)部各個(gè)方向上應(yīng)力分布不均，那么經(jīng)過(guò)此處的光的折射率就取決于入射光線偏振的程度。雙折射對(duì)制品光學(xué)性能的影響跟制品內(nèi)部主軸應(yīng)力方向、光線的入射角度和偏振程度有關(guān)。光在穿過(guò)制品時(shí)，即使光是垂直射入制品表面，如果光的傳播方向與制品內(nèi)部主軸應(yīng)力不平行，在折射光線中就會(huì)出現(xiàn)正常折射光（光）和非常折射光（光）。這兩種光線的速度有快慢上的差異，經(jīng)過(guò)傳播路徑上的累計(jì)，射出后兩束光線會(huì)出現(xiàn)偏離，產(chǎn)生雙重影像，影響塑料光學(xué)元件的成像品質(zhì)。13.3在這一小節(jié)中我們將講述完整的熱塑性塑膠材料應(yīng)力雙折射分析流程。13.3.1導(dǎo)入制品模型圖“模型輸入”對(duì)話框單擊“導(dǎo)入模型”指令，選擇副本文件，點(diǎn)擊“確定”按鈕，彈出“輸入”對(duì)話框，如圖所示。選擇網(wǎng)格類型為“”。請(qǐng)注意，應(yīng)力雙折射分析需要精確計(jì)算制品不同部位的應(yīng)力對(duì)雙折射光線的影響，在中，只有網(wǎng)格支持應(yīng)力雙折射分析選擇模型單位為“毫米”。點(diǎn)擊“確定”按鈕，彈出“創(chuàng)建工程”對(duì)話框，如圖所示。在“工程名稱”文本框輸入工程名稱，在“創(chuàng)建位置”文本框選擇文件保存路徑。圖“創(chuàng)建工程”對(duì)話框點(diǎn)擊“確定”按鈕，透鏡被成功導(dǎo)入中，如圖所示。圖透鏡模型13.3.2設(shè)置成型工藝和分析類型點(diǎn)擊“分析”，在“選擇成型工藝”中，選擇“熱塑性注塑成型”。為了得到確切的雙折射分析結(jié)果，我們選擇在“設(shè)置分析順序”中選擇完整的過(guò)程，選擇的分析序列為“冷卻流動(dòng)翹曲”。13.3.3選擇成型材料案例中透鏡的成型材料為性，白光的穿透性高達(dá)。具有優(yōu)良的光學(xué)特性及耐氣侯變化特，經(jīng)常用作各種普通鏡片或光學(xué)元件的制造。本次我們采用數(shù)據(jù)庫(kù)中光學(xué)屬性數(shù)據(jù)已得到準(zhǔn)確驗(yàn)證、牌號(hào)為材料，它的的制造商為對(duì)話框。。圖是的光學(xué)屬性圖光學(xué)屬性對(duì)話框?qū)υ捒蛑械闹匾獢?shù)據(jù)包括未取向材料的折射率、應(yīng)力光學(xué)系數(shù)和在參考溫度下粘彈性光學(xué)譜。目前中只有六種透明塑膠材料包含經(jīng)過(guò)精確檢測(cè)得到的光學(xué)屬性數(shù)據(jù)。用戶如需對(duì)這六種以外的透明塑膠材料進(jìn)行雙折射分析，必須輸入必要的光學(xué)屬性數(shù)據(jù)，包括未取向材料的折射率、應(yīng)力光學(xué)系數(shù)和在參考溫度下粘彈性光學(xué)延遲譜，而且這些數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格、精確的檢測(cè)，才能真實(shí)地預(yù)測(cè)透明元件是否存在光學(xué)缺陷。13.3.4劃分3D網(wǎng)格網(wǎng)格一般數(shù)目很大，在網(wǎng)格案例中進(jìn)行建模操作速度相比表面網(wǎng)格和中面網(wǎng)格較慢。模型導(dǎo)入后，建議首先查看模型的定向。如果模型定向和開(kāi)模方向有誤，應(yīng)在劃分網(wǎng)格之前將模型按正確開(kāi)模方向定向。點(diǎn)擊“生成網(wǎng)格”按鈕，首先彈出圖的對(duì)話框，提示用戶這一步操作將先生成初始表面網(wǎng)格。在模型表面生成表面網(wǎng)格后，用戶需要仔細(xì)檢查表面網(wǎng)格是否存在缺陷。如果表面網(wǎng)格存在缺陷，參照一般修補(bǔ)表面問(wèn)題網(wǎng)格的方法進(jìn)行修補(bǔ)。在初始表面網(wǎng)格完好的情況下再次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，才能生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。圖網(wǎng)格生成信息提示欄點(diǎn)擊“確定“按鈕，彈出“生成網(wǎng)格”對(duì)話框，如圖所示。我們可以網(wǎng)格前，這一步生成初始表面網(wǎng)格相對(duì)于生成最終表面網(wǎng)格的控制方式少了匹配率的優(yōu)化等控制途徑?？吹剑谏蓤D生成初始表面網(wǎng)格初始表面網(wǎng)格的邊長(zhǎng)值決定網(wǎng)格的邊長(zhǎng)值，所以不宜將初始表面網(wǎng)格的邊長(zhǎng)值設(shè)定得太大，這樣生成的表面網(wǎng)格面積比較小，在模型厚度上劃分多層網(wǎng)格后不會(huì)使內(nèi)層網(wǎng)格過(guò)于扁平，接近表層的內(nèi)層網(wǎng)格頂點(diǎn)不會(huì)有凸出模型表面的趨勢(shì)。初始表面網(wǎng)格生成后，查看網(wǎng)格質(zhì)量。點(diǎn)擊“網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)”按鈕，彈出“網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)”對(duì)話框，如圖所示。圖初始網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)欄在網(wǎng)格信息統(tǒng)計(jì)欄沒(méi)有網(wǎng)格匹配率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，只有其它必要的網(wǎng)格信息。我們可以看出，初始表面網(wǎng)格除了有縱橫比大于允許值外，并無(wú)其它從圖網(wǎng)格缺陷。對(duì)于初始網(wǎng)格存在的所有問(wèn)題，只需要參照修補(bǔ)最終表面網(wǎng)格的步驟逐一進(jìn)行診斷和修補(bǔ)即可。網(wǎng)格對(duì)網(wǎng)格縱橫比的要求相對(duì)表面網(wǎng)格和中面網(wǎng)格更為嚴(yán)格。建議在初始表面網(wǎng)格段將所有網(wǎng)格的縱橫比控制以下，獲得縱橫比較小的網(wǎng)格。將問(wèn)題網(wǎng)格修補(bǔ)完畢后，再一次點(diǎn)擊“生成網(wǎng)格”按鈕，生成最終的格。在“生成網(wǎng)格”對(duì)話框中，點(diǎn)擊“四面體細(xì)化”按鈕，設(shè)置控制方式，如圖所示。在“厚度方向的最大單元數(shù)”文本框輸入網(wǎng)格的最大控制層數(shù)。為了充分捕獲雙折射的細(xì)微變化過(guò)程，建議網(wǎng)格的層數(shù)至少控制在層或更多，以此保證分析結(jié)果的精確度。根據(jù)以往多次經(jīng)驗(yàn)，模型上網(wǎng)格的層數(shù)與網(wǎng)格的縱橫比必須對(duì)應(yīng)。當(dāng)分析的類型需要較多在網(wǎng)網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格層數(shù)時(shí)，必須將初始表面網(wǎng)格的邊長(zhǎng)值控制到足夠小，才能獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格。圖“網(wǎng)格生成”對(duì)話框點(diǎn)擊“立即劃分網(wǎng)格”指令，生成最終的網(wǎng)格，如圖為模型局部厚度上剖視圖。所示。圖圖網(wǎng)格模型圖模型局部厚度方向剖視圖13.3.5創(chuàng)建澆注系統(tǒng)本案例中制品采用邊澆口、兩穴成型。模型及澆注系統(tǒng)如圖所示。為了最大限度地減少制品的內(nèi)應(yīng)力，我們采用型流道，使熔融塑膠在進(jìn)入型腔前形成平穩(wěn)的料流。圖澆注系統(tǒng)點(diǎn)擊“連通性診斷”按鈕，點(diǎn)擊模型上任意實(shí)體，查看兩穴制品的連通性。如果兩穴制品與澆注系統(tǒng)均以藍(lán)色顯示，證明制品與澆注系統(tǒng)處于正常的連通狀態(tài)；如果有實(shí)體以紅色顯示，表示藍(lán)色實(shí)體與紅色實(shí)體在分界未連通，應(yīng)通過(guò)“合并節(jié)點(diǎn)”或其它方式進(jìn)行修補(bǔ)。13.3.6創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)為了使兩穴制品得到均衡的冷卻，以使制品不同部位冷卻收縮趨于一致，兩個(gè)模穴的水路排布方式是完全一致的，如圖正視圖和圖側(cè)視圖所示。冷卻介質(zhì)為純水，入水口水溫為℃。圖水路排布正視圖圖水路排布側(cè)視圖點(diǎn)擊“冷卻回路診斷”按鈕，查看水路是否正確設(shè)置。如果水路均處于正確的設(shè)置狀態(tài)，就不會(huì)在主窗口顯示診斷圖標(biāo)；如果存在未正確設(shè)置的水路，就會(huì)在主窗口右側(cè)出現(xiàn)診斷圖標(biāo)，有問(wèn)題的水路以紅色高亮顯示。經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題水路包括未設(shè)置入水口、重疊水路、同一回路存在未連通部分等。13.3.7成型參數(shù)設(shè)置以下是成型參數(shù)詳細(xì)設(shè)置過(guò)程。第一頁(yè)為冷卻分析參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，如圖所示。為了在前期得到一個(gè)合理的成型周期，“注射保壓冷卻時(shí)間”采用“自動(dòng)”控制方式。圖冷卻參數(shù)設(shè)置頁(yè)面第二頁(yè)為流動(dòng)分析參數(shù)設(shè)置頁(yè)面，如圖所示?！俺涮羁刂啤狈绞綖樽⑸鋾r(shí)間?！八俣葔毫η袚Q”采用“自動(dòng)”控制。圖流動(dòng)參數(shù)設(shè)置頁(yè)面“保壓控制”方式為“充填壓力與時(shí)間”，分兩段保壓。第一段保壓壓力為最高充填壓力的，作用時(shí)間為秒；第二段保壓壓力為最高充填壓力的作用時(shí)間為秒，如圖，所示。圖保壓控制曲線圖第三頁(yè)為翹曲分析參數(shù)控制頁(yè)面，如圖所示。勾選“使用網(wǎng)格聚合和第二順序四面體單元”，優(yōu)化分析時(shí)間?！安⑿械木€程數(shù)”選用系統(tǒng)默認(rèn)的“單一線程”。如果選擇單一線程，并行線程方案將不會(huì)被采用。用戶可以指定線程數(shù)也可以選擇最大線程數(shù)。如果用戶選擇最大線程數(shù)，在分析計(jì)算時(shí)將利用所有并行的處理器，會(huì)大大提高數(shù)據(jù)交換速率，縮短分析時(shí)間。采用并行線程，矩陣求解器一定要處于勾選狀態(tài)；采用單一線程時(shí)矩陣求解器不會(huì)被應(yīng)用。圖翹曲分析控制設(shè)置頁(yè)面13.3.8雙折射分析結(jié)果在網(wǎng)格分析中，澆口尺寸采用澆口內(nèi)有效流動(dòng)面積，所以在結(jié)果顯示中，澆口形狀一般不是當(dāng)初手動(dòng)創(chuàng)建的截面形狀，而已經(jīng)被換算成截面形狀為圓的圓柱或圓錐形澆口。13.3.8.1流動(dòng)分析結(jié)果圖為階段在不同的時(shí)刻，熔融塑膠在模具型腔內(nèi)的填充情況。點(diǎn)擊動(dòng)畫(huà)按鈕，觀察塑膠在型腔內(nèi)的流動(dòng)情況。可以看到，運(yùn)用網(wǎng)格展現(xiàn)的是熔融塑膠在型腔內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)行為。本案例中，熔融塑膠以呈略顯凸?fàn)畹牧鲃?dòng)前沿逐漸向遠(yuǎn)離澆口的型腔部位流動(dòng)。圖充填時(shí)間圖為塑膠流動(dòng)前沿處的溫度。從結(jié)果查詢數(shù)據(jù)可以看到，塑膠在進(jìn)料口處的溫度接近于流動(dòng)參數(shù)頁(yè)面中熔體的溫度。在流經(jīng)澆注系統(tǒng)的過(guò)程中，在摩擦和剪切的作用下熔體溫度有小幅上升，進(jìn)入型腔時(shí)溫度由℃升至℃；流經(jīng)澆口后，塑膠溫度上升至℃；塑膠在澆口附近區(qū)域溫度最高，達(dá)到℃；在流經(jīng)型腔中部區(qū)域到流動(dòng)路徑末端，塑膠溫度有小幅下降，但未低于℃。在整個(gè)填充過(guò)程中，塑膠溫度為超過(guò)它的絕對(duì)熔體溫度℃。圖流動(dòng)前沿處的溫度制品溫度是在成型過(guò)程中制品不同部位的溫度變化。重點(diǎn)查看最高塑膠溫度是否超過(guò)該塑膠最高絕對(duì)熔體溫度℃，如果超過(guò)的話塑膠在注射過(guò)程中很可能因局部過(guò)熱而發(fā)生降解。本案例塑膠在填充過(guò)程中的最高熔體溫度為℃，超過(guò)初始設(shè)置的熔體溫度℃，但未超過(guò)極限熔體溫度℃。點(diǎn)擊“剖且平面”按鈕，選擇向剖且平面。點(diǎn)擊“使激活”指令，彈出“移動(dòng)剖且平面對(duì)話框”，可以選擇“按距離”或“到某個(gè)點(diǎn)”的控制方式移動(dòng)剖且平面。圖和顯示的是剖且平面在兩穴制品面中心位置時(shí)的剖且視圖。圖是在時(shí)，制品與模壁接觸的表層已完全凝固，溫度接近當(dāng)時(shí)的模壁溫度；料流一旦停止流動(dòng)，肉厚最薄的澆口溫度下降最快；制品的造型決定了制品從邊緣到中心，肉厚逐漸增加，在中心部位肉厚最后，所以制品芯層溫度最高，達(dá)℃。圖是在時(shí)，流道、澆口、制品表層和新層的溫度變化。澆口處溫度下降幅度最大，已經(jīng)處于凝固狀態(tài)；制品凝固層的厚度逐漸加厚，但芯層溫度依然很高，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能使制品中心層溫度降至轉(zhuǎn)換溫度以下。圖制品溫度變化圖制品溫度變化13.3.8.2翹曲分析結(jié)果圖是制品的整體翹曲變形量和在個(gè)軸向的單獨(dú)翹曲變形量。由于制品為肉厚變化均勻過(guò)度的圓形，整體收縮趨于一致，因此并無(wú)翹曲現(xiàn)象，變形量基本上是體積收縮的結(jié)果。圖制品翹曲變形圖為制品翹曲之后折射率相對(duì)于材料數(shù)據(jù)庫(kù)中未翹曲前折射率的變化。一般用途的透明制品折射率變化量在以內(nèi)就可以接受，光學(xué)元件折要求的射率變化量更小，具體標(biāo)準(zhǔn)依實(shí)際要求而定。案例中采用的塑料在未翹曲前的折射率為，經(jīng)過(guò)注塑成型后，制品內(nèi)因?yàn)闅堄鄳?yīng)力的存在，使制品實(shí)際的折射率相對(duì)于塑膠原料的折射率發(fā)生了變化，變化量為～。圖顯示的是制品表層折射率的變化和在不同厚度剖且平面折射率的變化。圖制品翹曲之后折射率的變化圖為來(lái)自正負(fù)向的光的相位移。制品內(nèi)部的殘余應(yīng)力使制品呈現(xiàn)出各向異性的特征。穿過(guò)制品的光線，平行與光的傳播方向的偏振光波與垂直于光的傳播方向的偏振光波在穿過(guò)制品后產(chǎn)生相位移。如果射入光學(xué)元件的光為偏振光，或穿過(guò)一個(gè)光學(xué)元件的光還需要穿過(guò)另外一個(gè)光學(xué)元件，偏振光會(huì)在傳播的過(guò)程中出現(xiàn)光波的疊加和抵消，使光線在亮度上相互消長(zhǎng)，產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，嚴(yán)重影響光學(xué)元件的成像效果。相位移超過(guò)°的光會(huì)出現(xiàn)明顯的偏振現(xiàn)象。重要光學(xué)元件的光相位移可根據(jù)實(shí)際要求控制在°以內(nèi)或更小。圖來(lái)自正負(fù)向的光的相位移圖為來(lái)自正負(fù)向的光的遲滯。制品內(nèi)部應(yīng)力的分布會(huì)使穿過(guò)的光線發(fā)生偏振，平行與光的傳播方向的偏振光波與垂直于光的傳播方向的偏振光波的傳播速度有差異，產(chǎn)生相位移，經(jīng)過(guò)在制品內(nèi)傳播路徑上的積累后，射出制品后會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象。分離的程度與光的偏振幅度、傳播路徑的距離有關(guān)。系統(tǒng)以綠光的光波波長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出來(lái)自向的光穿過(guò)