CN115521047A - 平面多级衍射热成像透镜的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平面多级衍射热成像透镜的生产方法，涉及衍射透镜技术领域，采用超声模压技术相比于硅片透镜的光刻、刻蚀、沉积技术成本更低，且有批量化生产效益，能够运用于民生领域，硫系玻璃材料相比于单晶锗和高分子材料在长波红外辐射波段具有更高的透射率，并且材料本身成本更低廉，在模压工艺中采用超声方法引入高应变率，降低硫系玻璃的黏度，同时有效降低模压温度，硫系玻璃黏度的降低有助于残余应力的消除，保证硫系玻璃不会碎裂，模压温度降低能够有效抑制硫系玻璃材料中硫硒元素的挥发，缓解了现有技术中存在的衍射透镜制造成本较高，使用硫系玻璃在传统的模压下会发生破裂，成品率低下的技术问题。

Description

平面多级衍射热成像透镜的生产方法

技术领域

本发明涉及衍射透镜技术领域，尤其是涉及一种平面多级衍射热成像透镜的生产方法。

背景技术

热成像技术最早应用于军事领域，通过单点金刚石车削(SPDT)单晶锗或硫系玻璃(硫系玻璃)制备曲面镜头。然而单晶锗材料成本昂贵，且随着透镜的口径增加，SPDT成本呈指数上涨。硫系玻璃模压工艺可以有效降低成本。

新兴的平面多级衍射透镜(MDL)概念可以通过光学设计达到单一平面透镜实现特定波段的光波无色差聚焦效果，可以代替传统曲面热成像透镜组合，已获得样机验证。

但是，目前MDL的制造多采用高聚物和单晶硅，通过光刻方法制备，成本极高，且这两种材料对长波段红外光的透过率远不及硫系玻璃，并且硫系玻璃在传统模压温度下会发生碎裂，提高模压温度会导致硫系元素氧化和挥发，造成脱模困难，并在透镜表面形成孔洞，极大降低成品率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面多级衍射热成像透镜的生产方法，以缓解了现有技术中存在的衍射透镜制造成本较高，使用硫系玻璃在传统的模压下会发生破裂，成品率低下的技术问题。

第一方面，本发明提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，包括以下步骤：

步骤a，根据透镜结构设计生产模压用的模具；

步骤b，将硫系玻璃放置于热压印装置中的控温箱中，以使硫系玻璃位于上模具和下模具之间；

步骤c，上模具下压硫系玻璃，以将硫系玻璃被上模具和下模具夹持，且加热控温箱的内腔；

步骤d，当温度达到模压温度后，上压头向下施加压力进行模压过程，下模具上的超声发生器开始振动，并使硫系玻璃的残余应力被松弛；

步骤e，停止超声发生器振动，上模具上移脱离与硫系玻璃的接触；

步骤f，将控温箱内的温度降低至常温，打开控温箱取出制备成型后的平面多级衍射热成像透镜。

在可选的实施方式中，

步骤b还包括以下步骤：

将硫系玻璃预形体至于控温箱内，与模具对心放置，控温箱密闭，向控温箱内通入保护气，以使控温腔内的空气排出。

在可选的实施方式中，

步骤c还包括以下步骤：

上模具开始下压，与硫系玻璃发生接触时停止移动，以防止硫系玻璃发生滑动，控温箱开始升温，升温期间保护气保持循环。

在可选的实施方式中，

步骤d还包括以下步骤：

当温度升至预设值时，对控温箱内进行保温，超声发生器开始振动，提供高应变率，上模具开始加压，对硫系玻璃进行模压，将所需表面微结构刻印在硫系玻璃预型体的上表面；

上模具停止移动，同时下模具的超声发生器始终保持震动，温度保持不变，该状态持续一定时间保证硫系玻璃的残余应力被松弛掉，此过程中保护气始终保持循环。

在可选的实施方式中，

步骤e还包括以下步骤：

在保持控温箱的温度不变的情况下停止超声振动，上模具开始上移脱离与硫系玻璃的接触，保护气始终保持循环。

在可选的实施方式中，

步骤f包括以下步骤：

将控温箱内的温度降低至常温，关闭保护气循环，打开控温箱取出制备成型后的平面多级衍射热成像透镜。

在可选的实施方式中，

所述热压印装置包括控温箱、保护气循环系统和加热系统；

所述控温箱的内壁设置有隔热砖，所述控温箱的材料设置为耐高温金属合金；

所述保护气循环系统与所述控温箱连接，用于使所述控温箱内的空腔充满保护气体；

所述加热系统与所述控温箱连接，用于加热硫系玻璃、上模具和下模具。

在可选的实施方式中，

所述热压印装置还包括超声模压系统；

所述超声模压系统包括上模具、下模具和超声发生器；

所述上模具和所述下模具设置于所述控温箱中的空腔内，所述上模具设置有多级衍射透镜微结构的倒模，所述上模具和所述下模具分别与上压头和下压头连接，所述超声发生器与所述下压头连接。

在可选的实施方式中，

所述保护气循环系统包括真空阀、惰性气体入口和惰性气体出口；

所述真空阀和所述惰性气体入口沿着所述控温箱的轴线对称设置于所述控温箱的顶部，所述惰性气体出口设置于所述控温箱的底部，且所述惰性气体出口位于所述真空阀的下方。

在可选的实施方式中，

所述加热系统包括电阻丝和辐射加温棒；

所述上模具背离所述下模具的一侧和所述下模具背离所述上模具的一侧均设置有电阻丝；

所述辐射加温棒设置于所述控温箱的两侧内壁，所述辐射加温棒用于加热硫系玻璃。

本发明提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，采用超声模压技术相比于硅片透镜的光刻、刻蚀、沉积技术成本更低，且有批量化生产效益，能够运用于民生领域，硫系玻璃材料相比于单晶锗和高分子材料在长波红外辐射波段具有更高的透射率，并且材料本身成本更低廉，在模压工艺中采用超声方法引入高应变率，降低硫系玻璃的黏度，硫系玻璃黏度的降低有助于残余应力的消除，保证硫系玻璃不会碎裂，缓解了现有技术中存在的衍射透镜制造成本较高，使用硫系玻璃在传统的模压下会发生破裂，成品率低下的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法中热压印装置的结构示意图；

图2为不同应变率下硫系玻璃的粘性和松弛行为变化规律图；

图3为本发明实施例提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法中成型后的平面多级衍射热成像透镜的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法中成型后的平面多级衍射热成像透镜半剖结构示意图。

图标：10-控温箱；11-上模具；12-下模具；13-超声发生器；14-真空阀；15-惰性气体入口；16-惰性气体出口；17-电阻丝；18-辐射加温棒；19-硫系玻璃。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

热成像技术最早应用于军事领域，通过单点金刚石车削单晶锗或硫系玻璃19制备曲面镜头。然而单晶锗材料成本昂贵，且随着透镜的口径增加，单点金刚石车削成本呈指数上涨。硫系玻璃19模压工艺可以有效降低成本，但硫系玻璃19在传统模压温度下会发生碎裂，提高模压温度会导致硫系元素氧化和挥发，造成脱模困难，并在透镜表面形成孔洞，极大降低成品率。

新兴的平面多级衍射透镜概念可以通过光学设计达到单一平面透镜实现特定波段的光波无色差聚焦效果，可以代替传统曲面热成像透镜组合，已获得样机验证。然而，目前平面多级衍射透镜的制造多采用高聚物和单晶硅，通过光刻方法制备，成本极高，不具备量产化潜力，且这两种材料对长波段红外光的透过率远不及硫系玻璃19。

有鉴于此，如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，包括以下步骤：步骤a，根据透镜结构设计生产模压用的模具；步骤b，将硫系玻璃19放置于热压印装置中的控温箱10中，以使硫系玻璃19位于上模具11和下模具12之间；步骤c，上模具11下压硫系玻璃19，以将硫系玻璃19被上模具11和下模具12夹持，且加热控温箱10的内腔；步骤d，当温度达到模压温度后，上压头向下施加压力进行模压过程，下模具上的超声发生器开始振动，并使硫系玻璃的残余应力被松弛；步骤e，停止超声发生器13振动，上模具11上移脱离与硫系玻璃19的接触；步骤f，将控温箱10内的温度降低至常温，打开控温箱10取出制备成型后的平面多级衍射热成像透镜。

本实施例提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，采用超声模压技术相比于硅片透镜的光刻、刻蚀、沉积技术成本更低，且有批量化生产效益，能够运用于民生领域，硫系玻璃19材料相比于单晶锗和高分子材料在长波红外辐射波段具有更高的透射率，并且材料本身成本更低廉，在模压工艺中采用超声方法引入高应变率，降低硫系玻璃19的黏度，硫系玻璃19黏度的降低有助于残余应力的消除，保证硫系玻璃19不会碎裂，同时有效降低模压温度，抑制硫系元素挥发，缓解了现有技术中存在的衍射透镜制造成本较高，使用硫系玻璃19在传统的模压下会发生破裂，成品率低下的技术问题。

平面多级衍射热成像透镜的生产方法的详细步骤如下：

第一步：根据透镜结构设计生产模压用的模具，利用半导体蚀刻工艺在上模具表面刻印出与设计的硫系玻璃19表面微纳形貌相对应的模具形貌，要求模具材料具有较好的机械性能，如硅片或者金属材料。

第二步：建立如图1所示的多功能热压印装置，包括控温箱10、保护气循环系统、加热系统和超声模压系统。

第三步：将硫系玻璃19预形体置于控温箱10内，与模具对心放置，控温箱10密闭，通一定时间的保护气将腔内空气排出。

第四步：上压头开始下压，上模具11与硫系玻璃19发生接触时停止移动，仅保留极小的预压力以防止硫系玻璃19发生滑动，要求该预压力在模压温度对硫系玻璃19带来的变形可忽略，根据设计的模压方案开始升温，升温期间保护气保持循环。

第五步：当温度升至预设值时，控制加热系统对控温箱10内进行保温，超声发生器13开始振动，提供高应变率，同时上压头按照设计的模压方案开始加压，采用平板压印方案对硫系玻璃19进行模压，将所需表面微结构刻印在硫系玻璃19预型体的上表面，直至硫系玻璃19的变形达到预期设计值。此过程中保护气始终保持循环。

第六步：上模具11停止移动，同时下模具12的超声发生器13始终保持震动，温度保持不变，该状态持续一定时间保证硫系玻璃19的残余应力被松弛掉，此过程中保护气始终保持循环。

第七步：高温脱模，即保持温度不变的情况下首先停止超声振动，上模具11开始上移脱离与硫系玻璃19的接触，完成脱模过程。此过程中保护气始终保持循环。

第八步：完成高温脱模之后控温系统开始以最快的速度控制保温箱内的温度降低至常温，最终制备成硫系玻璃19平面多级衍射热成像透镜。最后关闭保护气循环系统，打开控温箱10取出产品。

关于热压印装置的结构，具体而言：

热压印装置包括控温箱10、保护气循环系统和加热系统，控温箱10内壁附有足够厚度的隔热砖或其他隔热材料，保证整个模压过程中箱内的恒温环境，同时控温箱10选材为耐高温金属合金，具有足够机械强度能够保证真空负压环境。

保护气循环系统包括真空阀14、惰性气体入口15和惰性气体出口16，其中真空阀14位于控温箱10上方角落，用于真空模压过程的真空抽取，创造真空负压环境，惰性气体入口15位于控温箱10上方角落，且惰性气体入口15与真空阀14对称设置，惰性气体出口16位于控温箱10下方角落，这样设计能够利用惰性气体的热对流效应使得惰性气体更容易充斥整个控温箱10中，有利于空气的排出和整个控温箱10内的温度稳定，模压过程中通入惰性气体，抑制材料在模压过程中发生的氧化等化学反应。

加热系统包括加热模具的电阻丝17和通过辐射加温玻璃预形体的加温棒，其中电阻丝17位于上模具11和下模具12的背侧，与模具距离尽量接近，可以更容易的通过调节电阻计控制模具的温度，而加温玻璃预形体的辐射加温棒18位于控温箱10内壁，通过热辐射方法加温玻璃预形体，控温箱10内的环境温度通过电阻丝17和辐射加温棒18共同调控。

除了保证模压过程的升温、保温、降温之外，其布置要求模压过程中上下两个模具、硫系玻璃19材料和腔体内的温度一致，避免出现温度过大梯度；超声模压系统包括上下两个模具、与模具相连的压头和超声发生器13，上下模具12与各自压头相连，要求模具能够通过安装调整进行对心，在模压过程中上模具11能够向下移动，提供压力，同时输出模压过程中的应力变化，下压头与超声发生器13相连，提供模压过程中的高应变率，超声发生器13至于控温箱10之外，要求其能够在由下压头热传导来的温度提升下正常工作，同时整个系统要求能够在模压温度下能够正常工作并保有稳定的机械性能。

本实施例提供的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，由于硫系玻璃19本身的性质，传统模压技术在模压硫系玻璃19时成品会发生断裂，如果提高模压温度则会导致硫系玻璃19中的硫系元素挥发，在成品表面留下缺陷，这样的缺陷在平面多级衍射透镜中是致命的。如果延长模压的时间，硫系玻璃19则会结晶，导致成品成像质量急剧下降。而超声模压技术利用硫系玻璃19的剪切稀化现象，模压过程中无需提高温度也无需延长时间，同时剪切稀化现象带来的粘性下降能保证硫系玻璃19不会碎裂；硫系玻璃19相比于单晶锗和高分子材料在长波红外辐射波段具有更高的透射率，并且材料本身成本更低廉；硫系玻璃19相比于高分子材料机械性能更好；超声模压技术相比于硅片透镜的光刻、刻蚀、沉积技术成本更低，且有批量化生产效益，能够运用于民生领域；成熟的单点车削技术随着生产透镜口径的增加成本呈指数上升，而超声模压技术成本低廉且不会随着透镜口径的增加而增加，且模压技术能够具有量产化效益，节约能量的同时减少排放，符合国家双碳政策。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a，根据透镜结构设计生产模压用的模具；

步骤b，将硫系玻璃放置于热压印装置中的控温箱中，以使硫系玻璃位于上模具和下模具之间；

步骤c，上模具下压硫系玻璃，以将硫系玻璃被上模具和下模具夹持，且加热控温箱的内腔；

步骤d，当温度达到模压温度后，上压头向下施加压力进行模压过程，下模具上的超声发生器开始振动，并使硫系玻璃的残余应力被松弛；

步骤e，停止超声发生器振动，上模具上移脱离与硫系玻璃的接触；

步骤f，将控温箱内的温度降低至常温，打开控温箱取出制备成型后的平面多级衍射热成像透镜。

2.根据权利要求1所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，步骤b还包括以下步骤：

将硫系玻璃预形体至于控温箱内，与模具对心放置，控温箱密闭，向控温箱内通入保护气，以使控温腔内的空气排出。

3.根据权利要求2所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，步骤c还包括以下步骤：

上模具开始下压，与硫系玻璃发生接触时停止移动，以防止硫系玻璃发生滑动，控温箱开始升温，升温期间保护气保持循环。

4.根据权利要求3所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，步骤d还包括以下步骤：

当温度升至预设值时，对控温箱内进行保温，超声发生器开始振动，提供高应变率，上模具开始加压，对硫系玻璃进行模压，将所需表面微结构刻印在硫系玻璃预型体的上表面；

上模具停止移动，同时下模具的超声发生器始终保持震动，温度保持不变，该状态持续一定时间保证硫系玻璃的残余应力被松弛掉，此过程中保护气始终保持循环。

5.根据权利要求4所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，步骤e还包括以下步骤：

在保持控温箱的温度不变的情况下停止超声振动，上模具开始上移脱离与硫系玻璃的接触，保护气始终保持循环。

6.根据权利要求5所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，步骤f包括以下步骤：

将控温箱内的温度降低至常温，关闭保护气循环，打开控温箱取出制备成型后的平面多级衍射热成像透镜。

7.根据权利要求1所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，所述热压印装置包括控温箱、保护气循环系统和加热系统；

所述控温箱的内壁设置有隔热砖，所述控温箱的材料设置为耐高温金属合金；

所述保护气循环系统与所述控温箱连接，用于使所述控温箱内的空腔充满保护气体；

所述加热系统与所述控温箱连接，用于加热硫系玻璃、上模具和下模具。

8.根据权利要求7所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，所述热压印装置还包括超声模压系统；

所述超声模压系统包括上模具、下模具和超声发生器；

所述上模具和所述下模具设置于所述控温箱中的空腔内，所述上模具设置有多级衍射透镜微结构的倒模，所述上模具和所述下模具分别与上压头和下压头连接，所述超声发生器与所述下压头连接。

9.根据权利要求8所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，所述保护气循环系统包括真空阀、惰性气体入口和惰性气体出口；

所述真空阀和所述惰性气体入口沿着所述控温箱的轴线对称设置于所述控温箱的顶部，所述惰性气体出口设置于所述控温箱的底部，且所述惰性气体出口位于所述真空阀的下方。

10.根据权利要求9所述的平面多级衍射热成像透镜的生产方法，其特征在于，所述加热系统包括电阻丝和辐射加温棒；

所述上模具背离所述下模具的一侧和所述下模具背离所述上模具的一侧均设置有电阻丝；

所述辐射加温棒设置于所述控温箱的两侧内壁，所述辐射加温棒用于加热硫系玻璃。

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