CN102603161B - 透镜阵列坯生产方法、透镜阵列生产方法以及透镜阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透镜阵列坯生产方法、透镜阵列生产方法以及透镜阵列，可生产出满足形状要求和尺寸要求的透镜阵列，尤其适合生产大型透镜阵列。该透镜阵列坯的生产方法主要是在模压后依次进行一次退火、面型校正和二次退火。该透镜阵列生产方法是利用上述透镜阵列坯进行抛光工序制成。本发明的方法尤其适合生产长度为300～1200mm，宽度为300～600mm的大型透镜阵列。生产出的大型透镜阵列的轮廓度在0.015mm以下，光学透过率达到90％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学领域应用的玻璃制透镜阵列坯和采用上述透镜阵列坯生产透镜阵列的方法，以及通过上述方法制成的透镜阵列。
背景技术
透镜阵列一般包括位于基板部上的多个呈行列状排布的透镜部，基板部将排列的多个透镜部之间填埋，并将多个透镜部相互连结。
作为透镜阵列使用的材料有树脂和玻璃。树脂制透镜阵列的光学精度较低，只适用于一些对光学精度要求不严格的机器设备和场所。而玻璃制透镜阵列的光学精度较高，一般用于高精度光学仪器以及对光学精度要求较高的场所。因此，树脂制透镜阵列的生产工艺与玻璃制透镜阵列的生产工艺差别较大。与树脂制透镜阵列的生产工艺相比，玻璃制透镜阵列对生产工艺的要求更加严格和复杂。
现有技术中，玻璃制透镜阵列的生产方法一般包括依次进行的坯料制造，软化，模压，退火和抛光。坯料制造步骤主要是制造坯料并将坯料切割成合适的形状和尺寸；软化步骤就是使用软化炉将坯料进行软化；模压步骤就是使用一对模具把软化状态的玻璃挤压成型；退火步骤就是将挤压成型的坯料进行退火处理；最后将退火后的坯料通过抛光步骤形成最终成品。这种生产方法对于小型透镜阵列可以适用，上述小型透镜阵列其长度在100mm以下，宽度在100mm以下。对于大型透镜阵列，其长度在100mm以上，宽度也在100mm以上，采用上述方法生产这种大型透镜阵列时会出现以下问题：对退火后的透镜阵列坯进行检查时，发现多数的透镜阵列坯都出现了形状偏差。而且，即使对这样的透镜阵列坯进行抛光，也不能达到所希望的透镜阵列形状。对长度在300mm以上，宽度也在300mm以上的大型透镜阵列，上述问题更加严重，目前还没有任何资料显示可以生产出上述尺寸的大型透镜阵列。
此外，虽然单个透镜的生产方法与透镜阵列的生产方法类似，但由于单个透镜的尺寸远远小于透镜阵列的尺寸，因此，与单个透镜相比，透镜阵列的生产工艺更加复杂。对单个透镜生产工艺的改进往往无法适用于透镜阵列的生产工艺。因此本领域技术人员一般也不会借鉴单个透镜的生产工艺去改进透镜阵列的生产工艺。例如中国专利200810006000.7公开了一种透镜坯和透镜的制造方法，该方法可以解决单个透镜坯在退火后形状偏差的问题，但通过实验证明，该方法无法解决透镜阵列坯退火后形状偏差的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种可生产出所希望形状的大型透镜阵列坯的透镜阵列坯的生产方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：透镜阵列坯的生产方法，包括依次进行的坯料制造、软化、模压和退火，所述坯料制造步骤中所用坯料为玻璃坯料，所述退火为一次退火：将模压后得到的坯料在700℃～400℃通过逐渐降温进行退火处理；面型校正：对一次退火后得到的坯料进行面型校正，在300℃～400℃通过上下两块压板对位于上下两块压板之间的坯料施加压力；二次退火：将面型校正后得到的坯料在600℃～300℃通过逐渐降温进行退火处理。本发明的上述方法通过一次退火、面型校正和二次退火这种独特的工艺步骤可有效控制透镜阵列坯的形状，使透镜阵列坯的形状符合所希望的形状。尤其对于大型透镜阵列坯，如采用现有技术中的方法，也就是模压后只进行退火，这时由于模压过程坯料各个位置的温度很难保证均匀且坯料各处应力分布不均，导致退火后透镜阵列坯变形量较大，这种透镜阵列坯无法通过抛光步骤制成最终的透镜阵列。且现有技术中，没有任何资料显示可克服上述问题。而采用本发明的上述方法，则可有效控制透镜阵列坯的形状，使大型透镜阵列坯的形状符合所希望的形状，为后续工艺步骤打下良好基础，便于加工出符合形状要求和光学要求的大型透镜阵列。
进一步的是：所述坯料制造步骤中，所用坯料为平板形状。这样可使坯料在模压过程中各个区域的变形尽量均匀，使应力分布尽量均匀，进而有利于降低一次退火后坯料的变形量，以便使最终的透镜阵列获得更高的面型精度。
进一步的是：所述平板形状的坯料的长度为300～1200mm，宽度为300～600mm，厚度为8～12mm。
进一步的是：所述坯料的软化点为680～720℃，软化时间为5～10分钟。这样在保证生产效率的情况下，有利于在随后的模压过程中使坯料内部温度变化尽可能均匀，进而有利于控制一次退火中坯料的变形程度。
进一步的是：所述一次退火的处理时间为25～40分钟；所述面型校正步骤中施加的压力为80～100kg，施压时间为5～10分钟；所述二次退火的处理时间为50～70分钟。退火时间，压力大小以及施压时间与坯料的形状和尺寸相关，上述方法中的退火时间，压力大小以及施压时间适合于上述形状和尺寸的坯料，也就是平板形状的坯料，坯料的长度为300～1200mm，宽度为300～600mm，厚度为8～12mm。通过上述方法，可使最终的透镜阵列坯具有较高的形状精度。
进一步的是：所述模压步骤中，模压温度控制在500～800℃，压力为40～50吨，模压时间为4～10分钟。采用上述模压工艺，有利于使坯料在模压过程中各处温度尽可能均匀，内部应力分布也尽可能均匀。
进一步的是：所述一次退火步骤是在隧道式退火炉内进行，坯料放置在托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为25～40分钟，隧道式退火炉内的温度由一端700℃至另一端400℃连续变化。这种退火方式一方面可较好的限制一次退火过程中坯料的变形量。
进一步的是：所述二次退火步骤是在隧道式退火炉内进行，坯料放置在托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为50～70分钟，隧道式退火炉内的温度由一端600℃至另一端300℃连续变化。这种退火方式有利于控制二次退火后坯料的变形量。
本发明还提供了一种采用上述透镜阵列坯生产透镜阵列的方法，该方法可生产出所希望形状的透镜阵列。具体为：利用上述透镜阵列坯，通过抛光来制成透镜阵列。
本发明还提供了一种采用上述透镜阵列生产方法生产出的透镜阵列，该透镜阵列的长度为300～1200mm，宽度为300～600mm。
本发明的有益效果是：通过本发明的方法可生产出所希望形状的大型透镜阵列坯，通过该透镜阵列坯可生产出满足形状要求和光学要求的大型透镜阵列，该大型透镜阵列轮廓度在0.015mm以下，光学透过率达到90％以上。而且，本发明的透镜阵列坯的生产方法不仅适用于大型透镜阵列坯的生产，也适合小型透镜阵列坯的生产，也可生产出所希望形状的小型透镜阵列坯和小型透镜阵列。适用范围广，生产效率高。
附图说明
图1为透镜阵列横截面示意图；
图中标记为：透镜曲面1，基底面2。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的透镜阵列坯的生产方法，包括依次进行的坯料制造、软化、模压和退火，所述坯料制造步骤中所用坯料为玻璃坯料，所述退火为一次退火：将模压后得到的坯料在700℃～400℃通过逐渐降温进行退火处理；面型校正：对一次退火后得到的坯料进行面型校正，在300℃～400℃通过上下两块压板对位于上下两块压板之间的坯料施加压力；二次退火：将面型校正后得到的坯料在600℃～300℃通过逐渐降温进行退火处理。上述一次退火时间，二次退火时间，以及面型校正过程中对坯料施加的压力大小，施压时间都可根据坯料的具体尺寸进行确定。
通过深入研究发现，要控制透镜阵列的形状，仅仅依靠控制模压工序还不够，尤其是大型透镜阵列，其尺寸过大，要在模压过程中控制坯料均匀散热很难。在随后的一次退火步骤中，即使对退火工艺进行优化，虽然能减少坯料的变形程度，但坯料仍会发生变形，变形后的坯料无法通过抛光工序制成满足要求的透镜阵列。本发明通过深入研究和反复试验发现，通过对一次退火后的坯料进行面型校正，可使坯料具有高的面型精度，也就是坯料的形状符合希望的形状，但这种面型校正后的坯料的稳定性不够高，容易因内部应力作用或受外力作用破碎或变形。通过随后的二次退火步骤，可释放面型校正过程中产生的内部应力，可将这种高的面型精度长期保持，也就是使坯料较为稳定，不易发生破碎或变形。采用这种透镜阵列坯加工出的透镜阵列，其形状完全满足要求，各项光学性能也可满足要求。此外，通过以上分析可知，本发明的透镜阵列坯的生产方法不仅适用于大型透镜阵列坯的生产，而且也适合小型透镜阵列坯的生产。在小型透镜阵列坯生产过程中，也存在模压过程受力和散热不均引起退火后透镜阵列坯发生变形的问题，只是该问题没有大型透镜阵列坯严重，采用本发明的上述方法显然也可解决小型透镜阵列坯的上述问题，有利于获得更高面型精度的小型透镜阵列。
在上述基础上，为了使坯料在模压过程中各个区域的变形尽量均匀，进而有利于降低一次退火后坯料的变形量，以便使最终的透镜阵列获得更高的面型精度。上述坯料制造步骤中，所用坯料为平板形状。现有技术中用于制造透镜阵列的坯料一般为棒状或球状，由于大型透镜阵列所需的坯料尺寸较大，使得上述形状的坯料在模压过程中各个区域的变形不够均匀且各个区域的散热也不够均匀。这会导致一次退火后坯料的变形量较大。通过深入研究和反复试验发现，与上述棒状和球状等坯料相比，平板形状的坯料在模压时，各个区域的变形较为均匀，使得坯料内部应力分布比较均匀，且平板形状的坯料的各个区域的散热也较为均匀，这样有利于控制一次退火后坯料的变形量。上述平板形状的坯料优选使用浮法超白玻璃，由于其具有良好的原始界面，有利于后续加工步骤控制变形量，以及获得较高的光学性能和面型精度。
在坯料制造步骤中，所用平板形状的坯料的长度可为100～200mm，宽度可为100～500mm，厚度可为4～7mm。也可为其它尺寸。对于上述尺寸较小的坯料，后续加工步骤中所用设备的尺寸相应较小，生产成本较低，生产周期较短。但对于尺寸超大的坯料，所需的相关设备的尺寸较大，且整个透镜阵列坯的制造周期较长，生产效率较低，生产成本较高。因此，需要根据具体领域的需求合理选择坯料的尺寸。对于太阳能聚光光伏领域，一方面要满足使用需求，另一方面要考虑生产效率和生产成本，基于上述思想，在上述基础上，平板形状的坯料的长度优选为300～1200mm，宽度优选为300～600mm，厚度优选为8～12mm。
在上述基础上，一次退火、面型校正和二次退火的优选方式为：所述一次退火的处理时间为25～40分钟；所述面型校正步骤中施加的压力为80～100kg，施压时间为5～10分钟；所述二次退火的处理时间为50～70分钟。当然上述一次退火的处理时间可以为20～24分钟，也可为40分钟以上；上述面型校正的压力可为78kg或110kg等，上述施压时间也可相应调整为15分钟或小于5分钟等。但通过深入研究和反复试验证明，采用上述优选方式，不但可使透镜阵列坯符合希望的形状，且可使透镜阵列坯具有较高的形状精度，还可保证具有较高的生产效率。
进一步的是，上述一次退火中，在700℃～400℃逐渐降温的方式有多种：一种为连续式，例如通过隧道式退火炉，坯料放置在隧道式退火炉的托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为25～40分钟，隧道式退火炉内的温度由一端700℃至另一端400℃连续变化。上述隧道式退火炉为现有技术中比较成熟的一种可连续式退火处理的退火炉。该种隧道式退火炉的结构主要包括炉架和安装在炉架上的炉体，炉体外是保温层，内部是退火工作区，工作区域内采用电阻丝进行加热退火，不同的区域对应于不同加热功率的电阻丝，退火炉的进料口电阻丝功率最大，出料口功率最小，由于热量的传导性，温度在炉体内不会出现突变，在炉体内不同位置合理配置不同的加热电阻丝就实现了温度的均匀渐变。由以上分析可知，这种退火方式可使坯料退火连续均匀稳定的进行，且效率较高。这种退火方式可较好的限制一次退火过程中坯料的变形量。另一种方式为阶段式，例如可通过普通退火炉分阶段对坯料进行保温，700℃～600℃保温10分钟，600℃～500℃保温10分钟，500℃～400℃保温10分钟。这种阶段式也可在一定程度上限制坯料的变形量，但与上述连续式相比，坯料一次退火后的变形量较大。与此类似，上述二次退火也可采用连续式和阶段式。连续式可在隧道式退火炉内进行，坯料放置在隧道式退火炉内的托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为50～70分钟，隧道式退火炉内的温度由一端600℃至另一端300℃连续变化。阶段式可在普通退火炉内进行，例如600℃～500℃保温20分钟，500℃～400℃保温20分钟，400℃～300℃保温20分钟。通过试验发现，连续式退火的坯料的变形量与阶段式相比要小。虽然二次退火后的坯料仍然会发生轻微的变形，但这种变形量很小，坯料具有高的面型精度。且在随后的抛光工序中也可将上述变形量消除，使最终的透镜阵列完全满足使用要求。另外，二次退火还可有效消除因面型校正在坯料内存在的应力，使坯料稳定，可长期保持高的面型精度。上述面型校正中使用的两块压板为两块刚性压板，其平整度优选为：平整度在0.05mm以下，这样有利于获得高的面型精度。上述面型校正可将一次退火后坯料发生的变形进行校正，使坯料保持高的面型精度，通过深入研究和反复试验发现，采用上述面型校正的温度、压力和时间即可将坯料的面型进行校正，同时在坯料中产生的应力较小，可保证在随后的二次退火中坯料不会发生严重的变形，也就是有利于使面型校正后获得的高的面型精度在二次退火后保持。
在上述基础上，上述玻璃坯料的软化点温度越高，所需的软化时间则越长，且坯料内部温度变化越不均匀。因此为了保证坯料软化时的均匀性，缩短软化时间，提高生产效率，提高软化炉所用模具的寿命，选择软化点为680～720℃的玻璃坯料，并将软化时间控制为5～10分钟。采用上述软化工艺，可以在软化阶段就较好的控制坯料内部温度变化的均匀性，这样有利于在随后的模压过程中使坯料内部温度变化尽可能均匀，进而有利于控制一次退火中坯料的变形程度。
为了进一步控制一次退火后坯料的变形量，所述模压步骤中，模压温度控制在500～800℃，压力为40～50吨，模压时间为4～10分钟。上述模压一般是在无氧环境中进行，以避免模具被氧化。采用上述模压工艺，有利于使坯料在模压过程中各处温度尽可能均匀，内部应力分布也尽可能均匀，虽然完全均匀无法实现，但上述模压工艺仍可使一次退火坯料的变形程度得到有效控制。为后续工艺打下良好基础。
在上述基础上，可通过抛光工序将上述透镜阵列坯制成透镜阵列，通过抛光工序可将二次退火时产生的变形量消除。尤其是对于坯料的基底面更需要通过抛光使其满足光学表面和平整度的要求，基底面通过抛光后优选为使其平整度小于等于1微米。如图1所示，上述坯料包括通过模具成型的透镜曲面1和没有通过模具成型的与透镜曲面1相对的基底面2。由于基底面2作为支撑面存在，其平整度和光学性能较差，因此需要通过抛光使其满足光学表面和平整度的要求。
采用上述方法可制造大型透镜阵列，尤其适合制造以下尺寸的大型透镜阵列：所述透镜阵列的长度为300～1200mm，宽度为300～600mm。通过实验证明，制造出的上述尺寸的透镜阵列，轮廓度在0.015mm以下，光学透过率达到90％以上。
实施例一：
透镜阵列坯的生产方法：
A、坯料制造：所用坯料由浮法超白玻璃制成，平板形状，长度为1000mm，宽度为500mm，厚度为10mm；B、软化：对步骤A得到的坯料进行软化，所用坯料的软化点为700℃，软化时间控制在5～10分钟；C、模压：将步骤B得到的坯料进行模压，模压温度控制在650℃，压力为40～50吨，模压时间为4～10分钟，采用无氧环境；D、一次退火：采用隧道式退火炉，坯料放置在托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为30分钟，隧道式退火炉内的温度由一端700℃至另一端400℃连续变化，出炉温度在400℃左右；E、面型校正：对步骤D得到的坯料进行面型校正，校正温度为300℃～400℃，通过上下两块压板对坯料施加80～100kg的压力，施压时间为5～10分钟；F、二次退火：在隧道式退火炉内进行，坯料放置在托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为60分钟，隧道式退火炉内的温度由一端600℃至另一端300℃连续变化，出炉温度在300℃左右。
实施例二：
透镜阵列的生产方法：
在实施例一的基础上，将步骤F得到的坯料进行抛光，制成透镜阵列。该透镜阵列的轮廓度为0.015mm，光学透过率为90％。
Claims (5)
1.透镜阵列坯的生产方法，包括依次进行的坯料制造、软化、模压和退火，所述坯料制造步骤中所用坯料为玻璃坯料，其特征是：
所述坯料制造步骤中，所用坯料为平板形状，所述平板形状的坯料的长度为300～1200mm，宽度为300～600mm，厚度为8～12mm，坯料的软化点为680～720℃，软化时间为5～10分钟；
所述模压步骤中，模压温度控制在500～800℃，压力为40～50吨，模压时间为4～10分钟；
所述退火为一次退火：将模压后得到的坯料在700℃～400℃通过逐渐降温进行退火处理；
面型校正：对一次退火后得到的坯料进行面型校正，在300℃～400℃通过上下两块压板对位于上下两块压板之间的坯料施加压力；
二次退火：将面型校正后得到的坯料在600℃～300℃通过逐渐降温进行退火处理；
所述一次退火的处理时间为25～40分钟；所述面型校正步骤中施加的压力为80～100kg，施压时间为5～10分钟；所述二次退火的处理时间为50～70分钟。
2.如权利要求1所述的透镜阵列坯的生产方法，其特征是：所述一次退火步骤是在隧道式退火炉内进行，坯料放置在托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为25～40分钟，隧道式退火炉内的温度由一端700℃至另一端400℃连续变化。
3.如权利要求1所述的透镜阵列坯的生产方法，其特征是：所述二次退火步骤是在隧道式退火炉内进行，坯料放置在托盘上，由隧道式退火炉的一端运行至另一端，总运行时间为50～70分钟，隧道式退火炉内的温度由一端600℃至另一端300℃连续变化。
4.透镜阵列的生产方法，其特征是：对利用权利要求1至3中任意一项所述的透镜阵列坯的生产方法制造的透镜阵列坯，通过抛光来制成透镜阵列。
5.采用权利要求4的方法制成的透镜阵列，其特征是：所述透镜阵列的长度为300～1200mm，宽度为300～600mm。
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