CN103140339B - 用于生产平凸玻璃上硅酮透镜阵列的设备及工艺 - Google Patents

Abstract

以可流动、可硬化的聚合物涂层涂布加工的模具产生光学光滑的精整且保持向上指的特征中的尖锐度。这些过程以快速和廉价的方式生产出用于高效平凸玻璃上硅酮透镜阵列的模具，其中端铣刀限定透镜的形状，且涂布产生了其光滑度。具有可移动销的板中的端铣刀加工的和涂布的透镜形特征在不会显著地降低光学性能的情况下，产生具有设置在形成用于透镜元件的模板的特征内的喷出特征的模具。此外，具有可移动插入件的加工和涂布的板产生用于透镜阵列的具有减小的体积和各个透镜元件中的一个或若干个环的模具。

Description

用于生产平凸玻璃上硅酮透镜阵列的设备及工艺

对优先权的主张

本申请主张2010年7月26日向美国专利商标局提交的题目为"ApparatusandProcessforProducingPiano-ConvexSilicone-On-GlassLensArray"的申请号为61/367,491的美国临时专利申请的优先权，该申请的公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般涉及光学元件，如用于太阳能发电的集中器光伏模块的光学元件。更具体而言，本发明关于制造如用于集中器光伏装置的集中透镜的透镜阵列以及相关的方法和设备。

背景技术

绿色技术变得日益重要，且已经有较高的需求。在满足该需求的过程中，对太阳能发电的使用已显著增加。目前，存在许多类型的光伏装置和太阳能获取接收器模块，其形成为用于产生电力的太阳能阵列。

为了从太阳能阵列得到较高的输出和效率，集中器光学器件可用于将落在太阳能阵列上的太阳能集中起来。合成的集中器光伏(CPV)阵列具有大的性能增益。然而，随着CPV系统中对集中器光学器件使用的增加，出现了关于经济地制造高效且还具有可控的空间定位性能的集中透镜阵列的若干挑战。上述挑战可影响当前CPV应用的可行性，并且影响基于太阳能的发电系统的制造商、卖家和买家。如何好地迎接这些挑战将潜在地影响在其它发电方案之上选择基于太阳能的发电系统。

过去的解决方案并未完全地解决所有这些挑战。例如，抵靠玻璃板以硅酮模制来作为透镜阵列的菲涅尔透镜阵列可在CPV系统中使用。相比于纯凸集中透镜，这样的阵列中的单个菲涅尔透镜通常显现出较低的光学透射率/效率。因此，对于集中器光伏模块而言，使用菲涅尔透镜可导致比最佳性能差的性能。此外，可通过金刚石车削工艺来制造用于模制菲涅尔透镜阵列的模板，该金刚石车削工艺精确但昂贵且是缓慢的工艺,通过该金刚石车削工艺限定菲涅尔透镜的同中心凹槽。根据上文，制造用于集中器光伏模块(具体而言，是用于原型和小体积制造)的高品质菲涅尔透镜阵列在成本和交付日程上通常是令人望而却步的。此外，金刚石车削模板通常瓦状叠覆在一起来产生用于阵列的模板，从而可能在产生的阵列的单个涅尔透镜之间的交叉点和边界处引入缺陷和/或可能引入对单个透镜的位置的较差的空间控制。这样的缺陷可进一步降低菲涅尔透镜阵列的光学效率。

发明内容

应理解到，提供本发明内容从而以简化形式介绍了对构想的选择，下文将在具体实施方式中进一步描述该构想。本发明内容并非旨在识别本公开的关键特征或基本特征，也并非旨在限制本公开的范围。

制造根据本发明的一些实施例的透镜阵列的方法包括形成其中具有凹入形凹口阵列的模具，以及然后以涂布材料涂布模具和凹口。可以是诸如未固化的环氧树脂等的有机聚合物的该涂布材料被提供，以便降低凹入形凹口的表面不平滑。光学透明材料层至少部分地填充或另外被设置在凹入形凹口阵列中，从而限定平凸透镜阵列。然后，从模具去除平凸透镜阵列。

在一些实施例中，涂布材料可限定凹入形凹口的相邻凹入形凹口之间的相应边界处的尖头凸脊或有峰凸脊的形状。例如，模具可限定凹入形凹口的相邻凹入形凹口之间的相应边界处的有峰凸脊，且涂布材料可构造成符合相应的边界处的有峰凸脊的形状。凹入形凹口的相邻凹入形凹口的边界之间的距离可为大约20微米或更小，或在一些实施例中甚至小于大约12.5微米。根据本发明的一些实施例，形成模具的步骤可包括将凹入形凹口阵列铣削到支承基底中，而涂布的步骤可包括以涂布材料喷涂凹入形凹口阵列。铣削步骤可包括使用具有形状大致类似于阵列的平凸透镜截面的截面的端铣刀来切入式磨削支承基底。喷涂步骤后面可为固化涂布材料以将有峰凸脊的形状限定于其中的步骤。根据本发明的又一些实施例，去除平凸透镜阵列的步骤可包括在光学透明材料层与模具之间喷射物质(例如，加压气体、液体等)，从而降低涂布材料与光学透明材料层之间的粘合程度。

根据本发明的又一些实施例，至少部分地填充凹口的步骤之前可以是将光学透明的板(例如，玻璃)附接到模具的步骤。然后，填充步骤可包括将光学透明材料(例如，硅酮)喷射到光学透明的板与覆盖凹入形凹口阵列的涂布材料之间的空间中。光学透明的板可被处理(例如，化学方式处理)使得光学透明的板的内表面与光学透明材料之间的粘合程度大于光学透明材料与涂布材料之间的粘合程度。根据本发明的一些附加实施例，支承基底由金属制成，且形成凹入形凹口的步骤包括将凹入形凹口铣削到金属中。

根据本发明的又一些实施例，模具由其中具有多个销的支承基底形成，该销可从支承基底的后侧除去。将凹入形凹口阵列铣削到支承基底中的步骤还可包括铣削多个销，从而限定邻近的凹入形凹口底部的凹形销。去除步骤还可包括使凹形销至少部分地移离光学透明材料，以便有助于将加压气体或流体喷射到光学透明材料层与模具之间的空间中，或使凹形销朝光学透明材料移动以从模具喷出阵列。

在本发明的附加实施例中，模具可形成为支承基底，该支承基底在其中具有多个延伸到支承基底后侧的可移动插入件。然后，在铣削操作期间，支承基底的前侧和多个可移动插入件的前侧被图案化从而限定模具中的凹入形凹口阵列，该凹入形凹口具有邻近其底部的凹形可移动插入件。基于这些实施例，涂布步骤可包括以涂布材料来覆盖凹形可移动插入件。至少部分地填充的步骤之前还可以是在将可移动插入件压入或拉出支承基底(例如，使插入件朝向或远离光学透明的板移动)，从而相对于凹入形凹口升高或降低可移动插入件的前侧。压下可移动插入件的该步骤具有减少至少部分地填充凹入形凹口所需的光学透明材料的量的优点。使用可移动插入件的这些步骤可产生在其中具有带凸形底部的相应凹口的凸透镜二维阵列。这些凹口中的各个凹口均可与二维阵列中的相应凸透镜的中心对准。在多个可移动插入件结合各个凹入形凹口使用的情况下，各个凸透镜可包括在其中具有凸形底部的多个相应的环形凹口。

根据本发明的进一步的实施例制造透镜阵列的方法包括形成模具，该模具具有在其中紧密组装的凹入形凹口阵列以及相邻的凹口之间的尖头凸脊。模具涂布有液体涂布材料，液体涂布材料构造成用以降低凹入形凹口的表面不平滑。液体涂布材料还构造成符合尖头凸脊的形状。液体涂布材料利用指向尖头凸脊相反方向的重力而在模具上硬化。液体涂布材料的硬化可限定其中的尖头凸脊的形状。凹入形凹口阵列至少部分地填充有光学透明的硅酮层，从而限定平凸透镜阵列，且该平凸透镜阵列被从模具去除。

根据本发明的一些实施例的平凸透镜阵列包括限定凸透镜的二维阵列的光学透明的硅酮层。在一些实施例中，凸透镜的相邻凸透镜的相应边界分开大约20微米或更少。相邻的透镜之间的该距离可使用其上具有涂布材料的模具实现，该涂布材料限定相邻透镜之间的相应边界处的尖头凸脊或有峰凸脊的形状。在一些实施例中，凸透镜的相邻凸透镜之间的相应边界可分开少于大约12.5微米。

根据一些实施例的其它方法和/或装置将在本领域的技术人员查阅以下附图和详细说明时变得清楚。除了以上实施例的任何和所有组合之外，旨在使所有这样的附加实施例包括在该描述内、处于本发明的范围内、且由所附权利要求保护。

附图说明

图1为描述根据本发明的一些实施例的用于制作平凸(PCX)玻璃上硅酮(SOG,silicone-on-glass)透镜阵列的过程的流程图。

图2为根据本发明的一些实施例的包括用于模制透镜元件的加工特征的未完成的模具的示图。

图3为根据本发明的一些实施例的适于由切入式磨削加工模具的两个端铣刀的图片。

图4A至图4C以扫描电子显微术(SEM)图像(图4A和图4B)和示图(图4C)示出了根据本发明的一些实施例的模具中的加工特征之间的尖锐的、尖头状边界。

图5描绘了根据本发明的一些实施例的通过涂布过程在加工模具上产生的光学光滑的表面。

图6A至图6B示出了根据本发明的一些实施例的涂布过程可如何保持模具中的加工特征之间的尖头状边界的尖锐度。

图7为根据本发明的一些实施例的包括有助于使完成透镜与模具分离的可移动的喷出特征的模具的示图。

图8为强调根据本发明的一些实施例的模具的特征之间的尖锐的尖头状边界的模具的图片。

图9A至图9B示出了根据本发明的一些实施例的用于在该板上生产透镜阵列的联接到玻璃板的模具的两个附加图片。

图10为由根据本发明的一些实施例的方法生产的透镜阵列的图片。

图11为根据本发明的一些实施例的模具和由模具生产的透镜阵列的图片。

图12为根据本发明的一些实施例的模具和由模具生产的透镜阵列的另一个图片。该图片是在使透镜阵列与模具分离之前得到的。

图13为描述根据本发明的一些实施例的用于使用可移动插入件制作具有减小的体积的透镜阵列的过程的流程图。

图14描绘了根据本发明的一些实施例的用于制作用于具有单个环的透镜元件的透镜阵列的模具的过程的两个步骤(在板中加工孔以及加工可移动插入件)。

图15A至图15B描绘了根据本发明的一些实施例的用于制作用于具有单环透镜元件的透镜阵列的模具的过程的两个后续步骤(使可移动插入件适合于板中的孔并加工产生的组件)。

图16A至图16B描绘了根据本发明的实施例的用于制作用于具有单环透镜元件的透镜阵列的模具的过程的另外两个步骤(以可硬化的聚合物涂层涂布加工的板-插入件组件并移动插入件来产生尖锐地限定的环)。

图17A至图17B描绘了根据本发明的实施例的用于制作用于具有较少环的透镜元件的透镜阵列的模具的过程的附加步骤(以可硬化的聚合物涂层涂布加工的板-插入件-子插入件组件并移动插入件来产生尖锐地限定的环)，其中可移动子插入件适合于可移动插入件中的孔。

图18A至图18D描绘了相对于使用可移动插入件根据本发明的一些实施例生产的四种类型的模具的多个部分，包括无插入件(图18A)、单个同中心插入件(图18B)、两个同中心插入件/子插入件(图18C)、和同中心插入件和非同中心插入件的组合(图18D)。

具体实施方式

本发明的一些实施例起因于在试图实现制造用于集中器光伏装置的透镜阵列的经济性工艺中做出的发现，由此生产的透镜阵列可具有高于80%的高光学效率，且对阵列内透镜元件的空间定位提供了良好控制。这些发现导致了本文所述的使用低成本制造工艺生产用于光伏装置的平凸透镜阵列的本发明的方法及设备。本发明的实施例允许使用通常可获得的高产能加工工具和表面精整工艺来生产模板/主板，表面精整工艺产生光学光滑的表面和透镜元件之间的尖锐边界。然后，模板/主板被用来靠着玻璃板模制硅酮，从而以低成本生产用于集中器光伏装置的高效/高透射率透镜阵列。

因此，本发明的实施例提供了用于集中器光伏装置的透镜阵列，该透镜阵列可经济地生产、以对阵列的单个透镜的空间定位的良好控制为特征、且具有将高百分比(＞80%，优选为＞85%，甚至更优选为＞90%或更高)的入射日光透射到接收器阵列上的高光学效率。

下文参照图1至图17更为详细地描述了本发明的实施例。

图1为根据本发明的实施例的描述用于制作平凸(PCX)玻璃上硅酮(SOG)透镜阵列的过程1的流程图。端铣刀用于将具有透镜元件的形状的特征阵列加工到一块材料(例如，可加工的金属)中，以形成模具(方框105)。该模具涂布有可流动、可硬化的聚合物材料(例如，通过喷涂涂布)，从而在模具的至少一部分上产生光学光滑的表面(即，具有使得由该表面铸成的透镜元件具有良好光学效率的平滑度的表面)(方框110)。在施加和硬化聚合物涂层之后，使玻璃板附连到模具(方框115)。玻璃板的表面可选地被处理以改善玻璃板与可模制的透镜材料(硅酮)之间的粘合性。该表面处理过程的实例包括施加硅烷基分子偶联剂、等离子处理、氢氧化铵-过氧化氢-水的混合物、高压稀释氢氧化铵喷雾、和/或极端赋能（ultra-energized）或兆声波赋能(megasonically-energized)的稀释氢氧化铵或氢氧化四甲铵溶液。加工、涂布的模具与玻璃板之间的透镜形特征被喷射有未固化的硅酮流体或另外至少部分地被未固化的硅酮流体填充(方框115)。加热、进行时间、和/或其它刺激(例如，紫外线电磁辐射曝光)被用于将硅酮固化成模具的特征的形状(方框120)，且完成的透镜阵列通过喷出过程与模具分开(方框125)。硅酮与硬化的聚合物涂层或其它涂层之间的降低的粘合性与喷出特征(如图7中存在的流体协助的销或推式销)一起有助于使完成的透镜阵列与模具分离。

图2为示意了包括用于模制透镜元件的加工特征3的根据本发明的一些实施例的未完成的模具2的截面视图。使用端铣刀加工形成由板或其它支承基底制成的未完成的模具2，该板或其它支承基底由可加工的材料(如，铝合金、铜合金和/或不锈钢)构成。在一些实施例中，通过选择适当形状的端铣刀且使旋转的端铣刀在多个地点处冲入可加工的板中来产生加工特征或凹口3，从而生成用于模制透镜元件的特征阵列。由于可用的加工工具的性能和在不重新进行该工作的情况下形成各特征的能力，该途径可生产出具有凹入凹口或特征3的模具，该凹入凹口或特征3在空间上精确且准确地对准在其预计位置的大约25微米(或10^-6米)或甚至大约12.5微米内且相对于彼此在空间上精确且准确地对准。对于集中器光伏装置中的应用，特别是对于生产具有单个透镜元件的具有均匀孔口面积和良好限定的空间分布的透镜阵列，该对准准确度是所期望的。

图3示出了根据本发明的实施例的适用于切入式磨削加工模具以在其中粗略限定透镜的两个端铣刀4和4'。端铣刀4和/或4'的冠部的形状可选择为匹配或接近地近似使用本发明的模具生产的模制的透镜阵列的透镜元件的形状。用于该端铣刀4和4'的冠部的形状包括球面或非球面形(例如，圆锥形)。适用于此用途的端铣刀包括那些由除了其他材料以外，商业可获得的硬钢合金和碳化物材料形成的端铣刀。

图4A至图4C示出了根据本发明的实施例的用于在加工的模具2中模制透镜元件的加工特征3的相邻特征之间的尖锐、尖头状边界或有峰凸脊5。圆度、平度、钝度、以及与围绕特征3之间的边界5的区域中的端铣刀形状的其他不一致可降低产生的模制的透镜阵列的部分将入射光高效地引至集中器光伏接收器的能力。因此，在一些实施例中，边界的宽度(例如，相邻的边界5之间的距离)可限定为尽可能窄。图4A和图4B中所示的扫描电子显微镜(SEM)图像指出了利用切入式磨削端铣刀根据本发明的实施例进行加工可形成相对尖锐的边界5，该边界5具有包绕它们的很窄(~20微米)的圆形区。

图5和图6A至图6B示出了根据本发明的实施例的用可硬化的聚合物材料涂布加工的模具的效果。由于尖峰至谷底的大约几微米的不平滑，模具的加工表面是粗糙的(如图4A至图4C中所示意和所成像的那样)，且模具的加工表面对于靠着其被模制的透镜元件的表面而言是相对差些的模板。产生的透镜由于散射而显现出较差的光学效率，且可能不能将日光高效地集中到集中器光伏接收器上。施加具有粗略等于或略微大于加工的表面3的尖峰至谷底的不平滑的厚度的可流动、可硬化的聚合物涂层6(例如，通过喷涂未固化的环氧树脂溶液)可使加工的表面3变得光滑。涂层6可通过加热、进行时间、涂层中的溶剂的蒸发、和/或其它刺激(例如，紫外线电磁辐射曝光)来硬化，且符合下方的模具形状以保持粗略地指向重力的相反方向的尖锐、尖头状边界或尖峰5，从而形成如图6B中的放大视图中所示的涂布的、加工的模具7。涂层6的可流动特征允许其部分地或完全地覆盖加工的模具表面7的不平滑。重力防止可流动的涂层降低凹入特征3之间的边界5的尖锐度。应当注意的是，可能很难或不可能通过其它已知的价廉的方法(如，抛光)在不降低特征之间的尖头边界或凸脊的尖锐度的情况下减小特征表面的不平滑。此外，硬化涂层6可显现出与硅酮的较差粘合性，从而有助于从模具7释放完成的模制透镜阵列。

图7为根据本发明的实施例的模具7的截面视图，该模具7包括可移动的喷出特征8以有助于将完成的透镜阵列从模具7分离。在本发明的一些实施例中，模具7可由板加工而成，该板包括紧密配合的可移动销8a。该加工过程形成根据以上段落和图1至图4中所述的过程的用于模制透镜元件的加工特征3，使得至少一个特征3的表面包括销8a的加工表面的一部分，且整个特征表面在销8a与模具7的其余部分之间的边界处完全地或最低限度地中断。销8a可设置在加工特征3的中心附近或在加工特征3的中心处，在产生的透镜元件的尖峰处。可替代地，设置在加工特征3的中心处的可移动销8a的面相对于透镜元件的尺寸可小些且相对平些。可移动销8a可由与模具7相同的材料或类似的材料构成，从而有助于加工操作且产生更好、更加受控的表面精整。根据上文所述和图5和图6中所示的过程，可移动销8a和模具7的其余部分涂布有可硬化的聚合物6，以生成适用于透镜模制的光滑表面。可移动的喷出特征可通过使用可移动销8a以至少两种方式(包括操作为用于流体协助喷出的端口和操作为用于喷出的推式销)中的一种或多种来有助于将完成的透镜阵列从模具7分离。

当操作为用于流体协助喷出的端口时，可移动销8a在固化玻璃上硅酮透镜阵列之后，从模具7的其余部分中移除或缩回，露出从透镜阵列的表面穿过模具延伸至模具7的相对侧的通道，且流体(例如，空气、加压空气、氮气、其它气体、乙二醇、水或其它液体)被经由该通道注入并在模具7与透镜阵列之间流动，从而分离该两者。对于流体协助喷出特征，可移动销8a可设置在模具7中凹口3的中心处或中心附近，使得喷射的流体前部在到达阵列的边缘之前分开模具7与透镜阵列之间的大部分接触面。

在操作为推式销时，可移动销8a朝透镜阵列移动，从而施加作用成将透镜阵列从模具7的其余部分分离的力。应当注意的是，本领域中已知的一些推式销喷出特征(即，未根据本发明的实施例加工或涂布的喷出特征)通常设置在模具的圆周处或圆周附近，使得它们将力施加到圆周或完成的透镜阵列或玻璃板的圆周附近的区域。诸如这些的喷出器如果设置在由用于模制透镜元件的特征占据的区域(即，模具的中心区)中，则可能是有害的，因为它们可中断产生的透镜阵列的光聚集表面，从而降低光学效率。相反，根据本发明的实施例的喷出特征不会中断产生的透镜阵列的光聚集表面，且因此可设置在用于模制透镜元件的特征3内，而不会显著地降低其光学效率。根据本发明的实施例的喷出特征(例如，设置在模具的中心处或中心附近，以提供流体和/或推式销喷出)还可与模具的圆周处或圆周附近的本领域已知的喷出器组合，以有助于使完成的透镜阵列与本发明的模具7分离。

图8至图12为示出根据本发明的实施例制作的模具和透镜阵列的实例的图片。图8示出了使用本文所述的过程生产的本发明的完成的、涂布的、加工的模具7。该图像强调了用于模制单个透镜元件的特征或凹口3之间的尖锐、尖头或有峰边界5。在该图像中，模具7包括以上段落中所述和图7中所示的喷出特征8，但在该实施例中由于其由与板(这里，铝合金)的其余部分相同的材料构成，故特征难以区分。图9A至图9B示出了联接到(透明)玻璃板9的根据本发明的实施例的模具7的两个附加图片。玻璃板9、模具7和设置在其圆周附近的两者之间的氟橡胶O形环限定至少部分地填充有硅酮的空间或腔体，该硅酮随后固化以与玻璃板一起形成完成的透镜阵列。图10为由玻璃板9支承且使用本文所述的工艺生产的根据本发明的实施例的完成的透镜阵列10的图片。透镜阵列10由硅酮材料形成，且包括三百个以上的模制透镜元件11，每个模制透镜元件11具有相应的在其之间的尖头边界5。图11为示出根据本发明的实施例的涂布的、加工的模具7和生产自模具7的完成的透镜阵列10两者的图片。图12示出了金属板12，金属板12靠着设置在其与加工且涂布的模具7之间的O形环来按压玻璃板9，以从喷射到限定在玻璃板与模具7之间的空间中的硅酮材料中产生出完成的透镜阵列10。在该图片中，金属板12被去除从而允许完成的透镜阵列10与模具7分离。

图13为描述用于使用可移动的插入件制作具有减小的体积的根据本发明的实施例的透镜阵列的过程的流程图。该过程13包括图1中所示的流程图的步骤105-125，其中附加的步骤减小用于在模具中模制透镜元件的特征的体积。如图13中所示，孔被加工在板中(方框1305)且提供可移动的插入件以适合于该板中的孔(方框1310)。该板中的孔的圆周和可移动插入件的圆周形成"环"，该环可为圆形、矩形、六边形或具有一些其它形状。可选的是，各个插入件均可包括另一个子插入件被置于其中的加工的孔，从而在用于模制透镜元件的各个特征中形成两个"环"。插入件应当紧密地适合于该加工的孔，而热膨胀和/或收缩可用于使插入过程容易些。使用端铣刀加工板-插入件组件(方框105)，以产生用于模制透镜元件的特征，该特征类似于图2中所示的加工的特征3，但该特征包括作为其表面的一部分的可移动插入件(如图7中所示的可移动销8a)的弯曲的加工表面。以类似于上文所述以及图5和图6中所示的方式，例如，通过喷涂，将可流动、可硬化的聚合物涂层涂布到加工的组件的表面(方框110)。移动可移动插入件以减小用于模制透镜元件的特征的体积(方框1315)。在一些实施例中，热膨胀和/或收缩可用于使移动过程容易些。高度共形的脱模层(例如，聚对二甲苯)或其它脱模剂涂布在模具上(方框1320)，以降低与移动插入件的侧壁和/或未由可流动、可硬化的聚合物涂层涂布的板中的孔的粘合性。然后，该过程以类似于图1中所示的方式进行。具体而言，玻璃板附连到模具，且未固化的硅酮流体被喷射从而随后部分地或完全地填充加工的、涂布模具与玻璃板之间的体积减小的透镜形特征(方框115)。加热、进行时间和/或其它刺激(例如，紫外线电磁辐射曝光)被用于将硅酮固化成模具的特征的形状(方框120)，且完成的透镜阵列通过喷出过程与模具分离(方框125)。

图14示出了生产在各个元件中包括单个环的根据本发明的实施例的模具的过程的初始步骤。加工技术(例如，使用端铣刀)在用于模具的板14中形成多个孔15，其中各孔均设置在用于模制透镜元件的各个特征的所期望的位置中。另一加工技术(例如，使用车床、精密铣削、金刚石车削、或端铣刀)产生具有与加工的板14中的孔15紧密匹配的形状的插入件16。

图15A至图15B示出了用于生产在各个元件中具有单个环的根据本发明的实施例的模具的过程的两个后续步骤。如图15A中所示，加工的插入件16插入包括加工的孔15的板14中。插入件16应当紧密地适合于加工的孔15，且在一些实施例中，热膨胀和/或收缩可用于使插入过程容易些。插入件16和板14形成组件17，然后使用端铣刀，通过图2至图4中所描述的过程来如图15B中所示的那样加工组件17。插入件18和板14的加工表面限定特征或凹口3，该特征或凹口3每一个形成连续的凹形轮廓。应在考虑插入件16将升高或凹进从而限定透镜元件的形状的情况下，设计使用的端铣刀的形状和轮廓的形状。可用的加工工具的性能和在不重新进行的情况下加工组件的能力可产生具有空间上布置成在其预计位置的大约25微米内或更好的特征的加工的组件17。

图16A至图16B示出了用于生产在各个元件中具有单个环的根据本发明的实施例的模具的过程的另外两个步骤。如图5和图6中所示，具有加工的轮廓3的板-插入件组件17涂布有可硬化的聚合物6。如图16A中所示，这在涂布的组件19上产生了表面，该表面对于在产生的模制透镜中的有效透镜作用而言足够光滑同时保持了相邻特征3之间的尖锐、尖头状或有峰边界5的形状。如图16B中所示，在涂层6硬化之后，插入件移动20来减小用于模制透镜元件的特征3的体积。热膨胀或收缩或其它手段可用于使移动过程20容易些。在一些实施例中，可通过插入件16的机械参考特征205来有助于和控制移动过程和移动范围。然而，在其它实施例中，可通过不需要插入件16具有机械参考特征205的其它手段(例如，通过使用模具外部的参考设备或通过精确运动控制技术)来有助于和控制移动过程和移动范围。

升高过程20产生环形边界21，该边界21由于插入件16紧密适合于板14中的孔15而相对尖锐。由环形边界21限定的升高插入件20与板14中的特征3的表面之间的过渡的尖锐度或刚度可产生具有高光学效率的透镜元件，因为圆度、平度、钝度、或者与包绕环形边界21的区域中的端铣刀的总体曲率的其他不一致可降低产生的模制透镜元件的部分将入射光高效地引至集中器光伏接收器的能力。在移动插入件18之前，用层6涂布组件17保持了尖锐度并防止了可流动的材料6在环形边界21的底座中汇聚。升高过程20还使可移动插入件16的侧壁的一部分和/或未由可流动的、可硬化的聚合物涂层6覆盖的板15中的孔露出。在一些实施例中，侧壁的露出部分随后由薄的高度共形的脱模层(例如，未示出的聚对二甲苯)涂布，以避免侧壁的露出部分与模制的透镜阵列的硅酮之间的较强粘合性。出于上文所述的原因，脱模层应当足够薄且足够共形以保持或不显著降低环形边界和透镜元件之间的边界的尖锐度。描述成用于制造在各个元件中具有单个环的根据本发明的实施例的模具的过程可包括如本文所述且图7中所示的单独的喷出特征，或与本领域中已知的喷出器组合的喷出特征。

图17A至图17B示出了用于生产在各个插入元件中具有两个环的根据本发明的其它实施例的模具的过程的两个步骤。孔被加工在板14中；提供了可移动插入件22，该可移动插入件22具有与该板14中的孔紧密匹配的形状且包括设置成穿过各个插入件22的中心的加工的孔；并且提供了具有与插入件22中的孔紧密匹配的形状的子插入件23。子插入件23置于插入件22中的孔内，且插入件22置于板14的孔中，各个对象紧密配合。在一些实施例中，热膨胀和/或收缩可用于使配合变得容易。使用端铣刀，通过类似于参照图2至图4和图15所述的那样的过程加工产生的板-插入件/子插入件组件，且通过类似于参照图5、图6和图16所描述的过程涂布产生的板-插入件/子插入件组件，从而生产图17A中所示的涂布的、加工的板-插入件/子插入件24。如图17B中所示，插入件22和子插入件23被升高以减小用于模制透镜元件的特征的体积，在各个特征3中产生两个尖锐的环形边界21a和21b，且使插入件22和子插入件23的侧壁的一部分露出。升高的插入件22和子插入件23与板14中的特征3的表面之间的过渡的尖锐度或刚度提供了特征3的表面中的突然的间断21a和21b，这可生产出具有良好光学效率和减小的体积的透镜元件。热膨胀、收缩和/或其它手段可用于使插入件和子插入件的移动变得容易。在移动插入件22和/或子插入件23之前用可硬化的聚合物6涂布组件可避免可流动的材料6在环形边界21a和/或21b的底座中汇聚。在插入件22和子插入件23被升高以避免插入件22和子插入件23的侧壁的露出部分与模制透镜阵列的硅酮之间的较强粘合性之后，还可施加薄的高度共形的脱模层(例如，未示出的聚对二甲苯)，其中一旦插入件22和子插入件23移动，则该脱模层随后填充组件24。

图18A至图18D示出了相对于使用可移动插入件通过本发明的一些实施例生产的四种类型的模具。图18A示出了使用图2、图5和图6中所述的方法生产的没有可移动插入件的模具的一部分。图18B示出了使用图13至图16中所述的方法生产的具有可移动插入件20的模具的一部分，其中可移动插入件20的表面相对于凹入特征3的表面升高。图18B中的可移动插入件20被描绘为相对于凹入特征同中心地设置，但在一些实施例中，可移动插入件更通常地是可相对于凹入特征3非同中心地设置。图18C示出了使用图13至图17中所述的方法产生的具有可移动插入件22和子插入件23的模具的一部分，其中可移动插入件22和子插入件23的表面相对于凹入特征3的表面升高。图18C中的可移动插入件22和子插入件23被描绘为相对于凹入特征3同中心地设置，但在一些实施例中，可移动插入件22和子插入件23更普遍地是可相对于凹入特征3非同中心地设置。图18D示出了使用图13至图16中绘出的方法产生的具有可移动插入件20,25的模具的一部分。图18D中的一些可移动插入件20相对于凹入特征3同中心地设置，且其它可移动插入件25相对于凹入特征3非同中心地设置。在图18D中，非同中心插入件25设置在相邻的凹入特征的交叉点处且相对于凹入特征3的表面凹进。

总的来说，上文参照图1至图18所述的本发明的实施例可提供用于平凸透镜阵列的模具和通过使用端铣刀或其它加工元件来进行加工的生产方法。模具包括用于模制透镜元件的特征阵列。模具还包括设置在阵列的相邻特征之间的尖锐的、尖头状边界或有峰凸脊。可流动的、可硬化的聚合物材料涂布模具以产生光学光滑的表面。聚合物材料被硬化且符合粗略地指向重力的相反方向的尖锐的、尖头状边界或有峰凸脊的形状。聚合物材料使模具中加工的表面的不平滑变得光滑，但未使尖锐的、尖头状边界或有峰凸脊变得光滑。在这样的实施例中，加工较大程度上限定透镜元件的形状，且聚合物材料限定透镜元件的光滑度。

基于上文所述的实施例的各种实施例变得明显，且也包括在本发明的范围内。在一些实施例中，使用端铣刀进行加工包括切入式磨削到具有指定的球面或非球面冠形的限定透镜元件的形状的端铣刀的工作中。

在一些实施例中，聚合物涂层6还用作脱模层，向表面提供化学特征，使得固化的硅酮不会较强地粘合到涂层的表面，从而有利于从模具7除去完成的玻璃上硅酮透镜10。

在另外的实施例中，上文所述的模具7可包括喷出特征8，以通过在透镜阵列与模具之间喷射流体(例如，空气、加压空气、氮气、其它气体、乙二醇、水或其它液体)来帮助透镜阵列从模具分离。喷出特征8从阵列的一个或多个特征3的表面延伸至模具7的相对侧。喷出特征8包括可移动销8a(可选为带螺纹的)，销8a在一侧上被加工以形成用于模制透镜元件的模具7中的一个或多个特征3的至少一部分。可硬化的聚合物材料6使空气喷出特征8的加工的表面3的不光滑变得光滑。可替代地或附加地，喷出特征8提供靠着完成的透镜阵列10推动可移动销（一个或多个）8a的性能，从而有助于使透镜阵列10与模具7分离。

在又一些实施例中，模具7可包括特征3的凹入表面外的可移动销，其靠着圆周或完成的透镜阵列10的圆周附近的区域推动，从而使透镜阵列10与模具7分离。

在又一些实施例中，用于模制透镜元件的特征3可包括升高部分或凹进部分，使得模具生产具有减小体积的透镜阵列，从而降低材料成本和重量。具体而言，这样的生产方法包括以下附加工艺步骤：形成设置在模具7中的可移动插入件20；使用端铣刀对模具7和插入件20一起进行加工使得形成连续的凹入表面3；用可流动、可硬化的聚合物6一起涂布模具7和插入件20以产生光学光滑的表面；以及移动插入件20以在凹入表面3中产生突然的间断，从而形成模板，透镜元件靠着该模板通过模制而形成。在这样的实施例中，模具7可涂布有高度共形的脱模层，如聚对二甲苯，以降低模制的透镜阵列10与模具7之间粘合性，特别是在通过移动插入件20露出的插入件20的侧壁和/或孔15中。

在此参照附图描述了本发明，附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被解释为限于本文阐明的实施例。相反，提供这些实施例将使得本公开彻底且完整，并且将本发明的范围完全地传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见扩大了层和区的厚度。全篇中，相似的数字指代相似的元件。

应当理解的是，当元件如层、区或基底被称为"在另一个元件上"或延伸"到另一个元件上"，则其可直接地在其它元件上或直接地延伸到其它元件上，或也可存在居中元件。相反，当元件被称为"直接地在另一个元件上"或"直接地延伸到另一个元件上"，则不存在居中元件。还应当理解的是，当元件被称为"与另一个元件接触"或"连接到另一个元件"或"耦合到另一个元件"时，其可直接地接触或连接到或耦合到另一个元件或可存在居中元件。相反，当元件被称为"与另一个元件直接接触"或"直接地连接到另一个元件"或"直接地耦合到另一个元件"时，不存在居中元件。

还应当理解的是，尽管术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应由这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一元件可称为第二元件，而相似地，第二元件可称为第一元件。

此外，相对性术语，如"下方"或"下"或"底部"，以及"上方"或"上"或"顶部"可在本文中用于描述如图中所示的一个元件与另一个元件的关系。应当理解的是，相对性术语旨在涵盖除图中绘出的定向之外的装置的不同定向。例如，如果一个图中的装置倒置，则描述为在其它元件的"下"侧上的元件就定向在其它元件的"上"侧。因此，示例性术语"下"可取决于图中的特定定向而涵盖"下"和"上"的定向两者。类似地，如果一个图中的装置倒置，则描述为在其它元件"下方"或"下部"的元件将随后定向在其它元件"上方"。因此，示例性术语"下方"或"下部"可涵盖上方和下方的定向两者。

在此，本发明的描述中使用的术语用于仅描述特定实施例的目的，且并非旨在限制本发明。如本发明的描述和所附权利要求中所使用的单数形式"一个"、"一种"和"该"旨在还包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还应当理解的是，如在此使用的术语"和/或"是指且涵盖一个或多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。将进一步理解的是，术语"包括"和/或"包含"在本说明书中使用时，指明所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并未排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的集合。

这里参照截面图示描述了本发明的实施例，截面图示为本发明的理想化实施例(和中间结构)的简图。因此，例如由于制造技术和/或公差，预计会出现与图示形状的不同。因此，本发明的实施例不应当被解释为限于本文所示意的区的特定形状，而是将包括例如由于制造造成的形状方面的偏差。换言之，图中所示的区在本质上是示意性的，且其形状并非旨在示出装置的区的实际形状，且并非旨在限制本发明的范围。

除非另外限定，在公开的本发明的实施例中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义，且不一定限于在描述本发明时所知的特定定义。因此，这些术语可包括在这样的时间之后产生的等同术语。将进一步理解的是，术语(如，常用词典中定义的那些)应当被解释为具有与它们在本说明书以及在相关技术的上下文中的含义一致的含义，且不应被解释为理想化的意义或过度正式的意义，除非本文明确地这样限定。本文中提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文件都通过引用以其整体并入本文。

如在此所使用的，"集中光伏装置"描述了一种系统，其将电磁辐射/日光从太阳集中到在一些实施例中具有大于大约1000W/m²的辐照度的点，且从产生的集中电磁辐射生成电功率。

"太阳能电池"可表示基本的光伏装置，其在日光的照射下用于产生电功率。太阳能电池包含具有带隙和至少一个p-n结的半导体。太阳能电池的成分可包括硅，锗，或如砷化镓(GaAs)、铝砷化镓(AlGaAs)、铟砷化镓(InGaAs)、砷化铝镓铟(AlInGaAs)、磷化铟镓(GalnP)、磷化铟铝(AllnP)、磷化铝镓铟(AlGalnP)和它们的组合的化合物半导体。

"接收器"可表示一个或多个太阳能电池和辅助光学器件的集合，其接收集中的日光且结合用于热传递和电能传递的装置。

"模块"可表示接收器、光学器件和其它相关部件(如，互连部件和安装部件)的集合，其接收未集中的日光。以上部件通常预制为一个单元，且焦点可不是现场可调的。模块可由若干子模块制成。子模块为全尺寸模块的物理上独立的较小部分。

在此已经关于以上描述和附图描述了许多不同的实施例。应当理解的是，逐字地描述和示出这些实施例的每一个组合和子组合是过于重复和混乱的。因此，包括附图的本说明书应当被解释成构成了在此所述的实施例、和制造和使用它们的方式和过程的所有组合和子组合的全部书面描述，且应当支持针对任何这样的组合或子组合的权利要求。

尽管已经参照特定实施例描述了本发明，但将认识到的是，可在本发明的原理的范围内做出变型和修改。因此，意在于以上实施例和所有这样的变型和修改都包括在由以下权利要求所限定的本发明的范围和精神内。

Claims (34)

1.一种制造透镜阵列的方法，包括：

形成具有凹入形凹口的密集组装阵列的模具，所述凹入形凹口具有根据所期望的透镜轮廓和相邻凹口之间的尖头凸脊的曲率；

以液体涂布材料涂布所述模具，所述液体涂布材料构造成用以减小所述凹入形凹口的表面不平滑且构造成符合所述尖头凸脊的形状；

利用指向所述尖头凸脊的相反方向的重力来硬化所述模具上的所述液体涂布材料；然后

在所述凹入形凹口阵列中提供光学透明的硅酮层，从而限定平凸透镜阵列；以及

从所述模具去除所述平凸透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述模具包括将所述凹入形凹口阵列铣削到金属支承基底中；以及其中涂布所述模具包括以所述液体涂布材料喷涂所述凹入形凹口阵列。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，铣削包括使用端铣刀切入式磨削所述支承基底，所述端铣刀具有形状大致类似于所述阵列的平凸透镜截面的截面。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液体涂布材料为聚合物；以及其中硬化包括固化所述液体涂布材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，硬化所述液体涂布材料在所述凹入形凹口中提供了光学光滑的表面，且符合所述液体涂布材料中的所述相邻凹口之间的所述尖头凸脊的形状。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述阵列中提供光学透明的硅酮层之前是将光学透明的玻璃板附接到所述模具；以及其中在所述阵列中提供光学透明的硅酮层包括将所述光学透明的硅酮喷射到所述光学透明的玻璃板与位于所述凹入形凹口阵列上的所述固化的涂层材料之间的空间中。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光学透明的玻璃板具有面对所述模具的第一表面；其中在所述阵列中提供所述光学透明的硅酮层包括将所述光学透明的硅酮喷射到所述第一表面与所述固化的涂布材料之间的空间中；以及其中所述光学透明的玻璃板的第一表面与所述光学透明的硅酮之间的粘合程度大于所述光学透明的硅酮与所述固化的涂布材料之间的粘合程度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，附接所述光学透明的玻璃板之前是用提高所述第一表面相对于所述光学透明的硅酮的粘合特征的材料和/或工艺处理所述光学透明的玻璃板的第一表面。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具包括支承基底，所述支承基底具有在其中的延伸至所述支承基底的后侧的一个或多个销；以及其中形成所述阵列包括将所述凹入形凹口阵列铣削到在其中包括所述一个或多个销的所述支承基底中。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，铣削包括同时地铣削所述销以限定邻近所述凹入形凹口的底部的凹形销。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，去除所述阵列包括：

朝所述平凸透镜阵列移动所述凹形销以从所述模具喷出所述阵列；或

将所述凹形销移离所述阵列，以及经由通过移动所述凹形销限定的相应通道在所述光学透明的硅酮层与所述模具上的涂布材料之间喷射物质，以从所述模具喷出所述阵列。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具包括支承基底，所述支承基底在其中具有延伸至所述支承基底的后侧的多个可移动插入件；其中形成所述模具包括同时地铣削所述支承基底的前侧和所述多个可移动插入件的前侧，以限定具有邻近其底部的凹形可移动插入件的凹入形凹口阵列。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，涂布所述模具包括以所述液体涂布材料涂布所述凹入形凹口阵列和所述凹形可移动插入件；其中在所述阵列中提供所述光学透明的硅酮层之前是将所述可移动插入件移入或移出所述支承基底，从而使所述可移动插入件的前侧相对于在其间限定相应的间断的所述凹入形凹口升高或凹进；以及其中在所述阵列中提供所述光学透明的硅酮层包括将所述光学透明的硅酮沉积到所述可移动的插入件的升高或凹进的前侧上。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述阵列中提供所述光学透明的硅酮层之前是在所述升高或凹进的可移动插入件的露出的侧壁和所述支承基底上形成脱模层；其中所述脱模层降低了所述露出的侧壁与所述光学透明材料之间的粘合性。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述凹形可移动插入件包括在其中的相应的凹形可移动子插入件；其中进一步地，在所述阵列中提供所述光学透明的硅酮层之前是压下其上包括所述涂布材料的所述可移动子插入件以相对于所述可移动插入件的前侧升高所述可移动子插入件的前侧；以及其中在所述阵列中提供所述光学透明的硅酮层包括将所述光学透明材料沉积到所述可移动子插入件的升高的前侧上和沉积到所述可移动插入件的升高的前侧上。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述多个可移动插入件相对于所述凹入形凹口同中心地设置，相对于所述凹入形凹口非同中心地设置，或以其某种组合设置。

17.一种制造透镜阵列的方法，包括：

形成模具，所述模具具有在其中的凹入形凹口阵列和在所述凹入形凹口的相邻凹入形凹口之间的相应边界处的有峰凸脊；

以涂布材料涂布所述模具，所述涂布材料构造成用以降低所述凹入形凹口的表面不平滑，其中所述涂布材料符合所述凹入形凹口和所述有峰凸脊的表面轮廓；然后

在所述凹入形凹口阵列中提供光学透明材料层，从而限定平凸透镜阵列；以及

从所述模具去除所述平凸透镜阵列。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述凹入形凹口的相邻凹入形凹口的相应边界之间的距离为大约20微米或更小。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，形成所述模具包括铣削支承基底以在其中限定所述凹入形凹口阵列和其间的所述有峰凸脊；以及其中涂布所述模具包括以所述涂布材料喷涂所述凹入形凹口阵列。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述涂布材料为可硬化的聚合物；以及其中以所述涂布材料喷涂之后是固化所述涂布材料以在所述凹入形凹口中提供光学光滑的表面并且在所述凹入形凹口的相邻凹入形凹口之间的相应边界处限定所述涂布材料中的有峰凸脊的形状。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述阵列中提供所述光学透明材料层包括：

将光学透明的板附接到所述模具；以及然后

将所述光学透明材料喷射到在所述光学透明的板与位于所述凹入形凹口阵列上的所述固化的涂布材料之间所限定的腔体中。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述光学透明材料为硅酮。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述光学透明的板包括具有面对所述模具的第一表面的玻璃板；其中在所述阵列中提供光学透明材料层包括将所述硅酮喷射到所述第一表面与所述固化的涂布材料之间的所述腔体中；以及其中所述玻璃板的第一表面与所述硅酮之间的粘合程度大于所述硅酮与所述固化的涂布材料之间的粘合程度。

24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，附接所述光学透明的板之前是处理所述光学透明的板以提高其表面相对于所述光学透明材料的粘合特征。

25.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，铣削包括使用端铣刀切入式磨削所述支承基底，所述端铣刀具有形状大致类似于所述阵列的平凸透镜截面的截面。

26.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述模具包括支承基底，所述支承基底在其中具有延伸至所述支承基底的后侧的一个或多个可移动销；以及其中形成所述模具包括将所述凹入形凹口阵列铣削到在其中包括所述一个或多个可移动销的所述支承基底中。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述铣削包括铣削所述一个或多个销来限定邻近所述凹入形凹口的底部的凹形销。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，从所述模具去除所述平凸透镜阵列包括朝所述平凸透镜阵列推动所述一个或多个凹形销，以将所述阵列从所述模具喷出。

29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，从所述模具去除所述平凸透镜阵列包括使所述一个或多个销移离所述平凸透镜阵列，以及经由通过移动所述一个或多个销限定的一个或多个相应通道来在所述光学透明材料层与所述模具上的所述涂布材料之间喷射物质。

30.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述模具包括支承基底，所述支承基底具有在其中延伸至所述支承基底的后侧的多个可移动插入件；其中形成所述模具包括铣削所述支承基底的前侧和所述多个可移动插入件的前侧来限定具有邻近其底部的凹形可移动插入件的所述凹入形凹口阵列。

31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，涂布所述模具还包括以所述涂布材料涂布所述凹形可移动插入件；以及其中在所述阵列中提供所述光学透明材料层包括：

将其上包括所述涂布材料的所述可移动插入件移入或移出所述支承基底，从而相对于限定在其间的相应间断的所述凹入形凹口来升高或凹进所述可移动插入件的前侧；以及然后

将所述光学透明材料沉积到所述可移动插入件的升高或凹进的前侧上。

32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，在所述阵列中提供光学透明材料层之前在所述升高或凹进的可移动插入件和支承基底的露出侧壁上形成脱模层以降低所述露出的侧壁与所述光学透明材料之间的粘合性。

33.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述凹形可移动插入件包括在其中的相应的凹形可移动子插入件；其中在所述阵列中提供所述光学透明材料层还包括：

压下在其上包括所述涂布材料的所述可移动子插入件来相对于所述可移动插入件的前侧升高所述可移动子插入件的前侧；以及其中沉积所述光学透明材料还包括：

将所述光学透明材料沉积到所述可移动子插入件的升高的前侧上。

34.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述多个可移动插入件相对于所述凹入形凹口同中心地设置，相对于所述凹入形凹口非同中心地设置，或以其某种组合设置。