CN118024466A - 一种双胶合透镜光固化变形控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双胶合透镜光固化变形控制方法及系统，利用电动可变口径光阑控制双胶合透镜紫外光固化过程，进行从透镜中心向外围的渐进固化，相较于紫外光同时照射整个透镜组的全口径固化方法，本发明提出的固化方法可减小由于固化应力导致的透镜变形，对提高光学透镜光学性能具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于双胶合透镜光固化变形控制领域，具体涉及一种基于变光束直径的双胶合透镜光固化变形控制方法及系统。
背景技术
双胶合透镜利用透明胶水胶合两透镜，通过两个透镜不同光学特性的相互补偿，达到改善成像质量的目的，具有焦距短、放大倍率高、消除像差、耐用性高等优势，在VR眼镜、智能手机、汽车显示屏以及航空航天飞机座舱管制、飞机引导屏幕和目标跟踪系统等领域得到了广泛应用。
紫外光固化技术是一种基于光化学理论的新型环保技术，反应机理为UV树脂体系中的光引发剂吸收紫外光辐射能量后，分裂出活性基团，这些活性基团能够在很短时间内引发含有光敏官能团的树脂发生交联反应，形成聚合物。由于紫外光固化树脂具有无溶剂、低功耗、固化快、低成本、工艺温度低等特点，拓宽了聚合物材料的应用范围，广泛应用于双胶合透镜的制作。但是快速的聚合过程带来分子间间距的缩短，宏观上固化后的胶水材料体积收缩，从而导致附着的透镜发生变形，影响固化后双胶合透镜的光学性能及使用寿命。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种适用于双胶合透镜的光固化方法及系统，以降低固化过程的应力，从而减小光固化过程导致的透镜变形，对于提高双胶合透镜光学性能具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种基于变光束直径的双胶合透镜光固化变形控制方法，改变胶合过程中光束的直径，使光束直径由小逐渐变大，使得两透镜之间的固化过程为从两透镜中心向两透镜外围渐进固化。
作为进一步的技术方案，所述的光束为紫外光束。
作为进一步的技术方案，利用电动可变口径光阑改变光束的直径。
作为进一步的技术方案，光固化过程中，所述的光束中心与两透镜的中心对齐。
第二方面，本发明还提供了一种胶合透镜光固化变形控制系统，包括工作台，在工作台上设置Z轴运动机构、X/Y轴运动机构；所述的Z轴运动机构从上至下依次安装有光源、光源变径装置、上透镜固定件；所述的X/Y轴运动机构上安装下透镜固定件；光源变径装置改变胶合过程中光源发出的光束的直径，使光束直径由小逐渐变大，使得两透镜之间的固化过程为从两透镜中心向两透镜外围渐进固化。
作为进一步的技术方案，所述的光源变径装置为电动变口径光阑。
作为进一步的技术方案，所述的上透镜固定件为上负压吸盘，所述的下透镜固定件为下负压吸盘，所述的上负压吸盘和下负压吸盘之间通过定位销进行定位。
作为进一步的技术方案，所述的光源中心与透镜的中心对齐。
作为进一步的技术方案，所述的光源发射口所在平面与光源变径装置的中心平面之间的距离≈紫外光源辐照面积/(光阑接受辐照区域总面积-光阑最大口径对应的面积)。
作为进一步的技术方案，若固化镜片有效口径为De，光源变径装置的最小和最大开合口径分别为Dmin和Dmax，由最小到最大口径开合时间为tm，生产节拍要求的固化时间为t，则固化速度v＝(De-Dmin)/t，且需满足v≤(Dmax-Dmin)/tm。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明提出的变口径光固化方案在不同区域进行渐进固化，中心区域最先开始固化，UV胶由液态转变为固态，此过程由于固化应力导致固态UV胶体积收缩，周围未固化的液体UV胶可快速填充体积收缩区域，通过改变变口径光阑的由小变大，可不断扩大紫外光辐照，实现由内向外的渐进固化，这个过程中外围未固化UV胶不断填充固化区域体积收缩导致的空隙，可降低由此导致的镜片的面形变化，有利于保证成品的光学性能。
进一步的，本发明利用电动可变口径光阑作为光源变径装置，控制双胶合透镜紫外光固化过程，使得固化过程从透镜中心向外围进行渐进固化，相较于紫外光同时照射整个透镜组的全口径固化方法，该固化方法可减小由于固化应力导致的透镜变形；光固化过程中，UV胶中的光引发剂在紫外辐射下，激发分子外层的电子发生跃迁，并在极短的时间产生活性中心，与UV胶中的不饱和基团发生反应，从而引发自由基聚合或离子聚合体系，此聚合过程会一般在数秒内完成，微观上分子间由范德华力作用迅速变化为共价键作用，使得分子间距快速缩短，从而导致材料体积的快速收缩(体积收缩率可达5％-10％)。在使用传统的全口径光固化方案时，由于整个胶合区域都在发生快速的聚合反应，产生的收缩应力使得各区域UV相互拉扯，导致局部应力集中，使得胶合镜片在全口径容易产生较大的变形，严重影响成品光学元件的性能。
本发明提出的控制系统中，通过X/Y轴运动机构、Z轴运动机构的配合，调整上下透镜的对齐以及与光源之间的距离；使得系统可以用于胶合不同的透镜，同时通过设置光源变径装置调节光源的直径，使得固化过程从透镜中心向外围进行渐进固化，减小由于固化应力导致的透镜变形；同时上下透镜通过负压吸附的方式进行固定，减少对透镜的损害。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的设备总装示意图；
图2是本发明的光固化结构示意图；
图3是本发明的透镜负压吸盘结构图；
图4是本发明的变口径光固化与全口径光固化导致的透镜变形误差对比图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
1X/Y轴运动机构；2下连接板；3紫外光源；4上连接板；5连接竖板；6Z轴运动机构；7加强筋板；8平台；9电动变口径光阑；10上透镜，11下透镜，12下透镜负压吸盘，13定位销，14上透镜负压吸盘，15定位销孔，16负压吸盘抽气孔，17透镜吸附区域。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于变光束直径的双胶合透镜光固化变形控制方法，利用电动可变口径光阑控制双胶合透镜紫外光固化过程，进行从透镜中心向外围的渐进固化，相较于紫外光同时照射整个透镜组的全口径固化方法，本发明提出的固化方法可减小由于固化应力导致的透镜变形，对提高光学透镜光学性能具有重要意义。
本发明的一种典型的实施方式中，提出了一种基于变光束直径的双胶合透镜光固化变形控制方法，改变胶合过程中光束的直径，使光束直径由小逐渐变大，使得两透镜之间的固化过程为从两透镜中心向两透镜外围渐进固化。
上述光束为采用现有的紫外光束，紫外光固化技术是一种基于光化学理论的新型环保技术，反应机理为UV树脂体系中的光引发剂吸收紫外光辐射能量后，分裂出活性基团，这些活性基团能够在很短时间内引发含有光敏官能团的树脂发生交联反应，形成聚合物。且光固化过程中，可以利用电动可变口径光阑改变光束的直径；光束中心与两透镜的中心对齐。
进一步的，如图1、图2、图3所示，本实施例还提出了一种基于变光束直径的双胶合透镜光固化变形控制系统，如图1所示，包括X/Y轴运动机构1；下连接板2；紫外光源3；上连接板4；连接竖板5；Z轴运动机构6；加强筋板7；平台8；电动变口径光阑9；下透镜负压吸盘12，定位销13，上透镜负压吸盘14；
平台8为整套装备提供稳定的运行环境；Z轴运动机构6具有纳米级运动精度，用以调整上透镜10、下透镜11的间距，可根据设计需求精准控制胶层厚度；X/Y轴运动机构1同样具有纳米级运动精度，可控制下透镜负压吸盘12以及下透镜11在垂直Z轴的平面内运动，准确调整下透镜负压吸盘12与上透镜负压吸盘14之间在XY平面内的相对位置关系，进而可利用两个定位销13配合三轴运动，实现上、下透镜光轴中心的对准；连接竖板5、连接横板、加强筋板7用于将上透镜负压吸盘14连接至Z轴运动机构6，同时可以用以安装电动变口径光阑9；
配合紫外光源3连接板，可实现紫外光源3与上透镜距离的控制；电动变口径光阑9最小口径4mm、最大口径60mm，开启到最小口径时只有少量紫外光透过光阑照射到UV胶层进行固化，伴随光阑按设计速度由小到大逐渐开启，固化区域由中心向边缘逐渐扩展，最终实现全口径光固化；紫外光源3用于提供UV胶固化所用的紫外光。
具体的安装关系以及连接关系如下：
在X/Y轴运动机构1上设置下透镜负压吸盘12；
在Z轴运动机构6上设置连接竖板5，在连接竖板5上设置上连接板4和下连接板2，上连接板4上固定紫外光源3，下连接板2上固定上透镜负压吸盘14；且电动变口径光阑9放置在上透镜负压吸盘14的顶部；进一步的，所述的上连接板4相对于连接竖板5可以上下运动，以调节紫外光源3与上透镜的距离；
具体的，透镜负压吸盘设计如图3所示，下透镜负压吸盘12与上透镜负压吸盘14之间通过定位销13连接，下透镜负压吸盘12用于吸附下透镜11，上透镜负压吸盘14用于吸附上透镜10；下透镜负压吸盘12与上透镜负压吸盘14利用气泵，通过负压吸盘抽气孔16抽离吸盘内部空腔气体形成负压区，在透镜吸附区域吸取透镜平面从而达到均布、低力固定透镜的目的；
下透镜负压吸盘12有螺纹孔用以安装菱形和圆形定位销13，上透镜负压吸盘14对应区域有定位销孔15用以插入定位销，通过三轴运动可实现上、下负压吸盘的准确定位，进而实现上、下透镜的光轴对准。
固化过程中为保证光固化效率和及时降低光固化温度，需要适当控制紫外光源与胶合镜片的距离，该距离与机械夹具设计、光源强度有关，距离上过小会导致夹具厚度减薄，从而使得刚度不足，导致上镜片光轴倾斜，无法与下镜片良好对齐；紫外光透过光阑后发散，若此距离过大，实际照射区域经过长距离发散后会更大，导致初始固化区域面积过大，起不到变口径的目的，也会降低照射区域功率密度，影响固化效率和效果。具体的，该距离可分解为紫外光源与电动变口径光阑9距离以及电动变口径光阑9与胶合镜片距离之和，其中紫外光源发射口所在平面与电动变口径光阑9中心平面之间的距离的控制依据紫外光源辐照面积(紫外灯发光区域面积)与光阑整个接受辐照面积(即光阑面向紫外光源的被紫外光源照射到的面积)比值选取，为使得紫外光照射在光阑非通光区域后产生的热量可及时逸散，防止温度过高导致光阑电子元器件损坏，即：紫外光源发射口所在平面与电动变口径光阑9中心平面之间的距离≈紫外光源辐照面积/(光阑接受辐照区域总面积-光阑最大口径对应的面积)，单位为mm；
电动变口径光阑9的下表面与胶合透镜的上透镜距离等于光阑支撑装置厚度(本专利是指下连接板)、透镜固定装置厚度(本专利是指上镜片负压吸盘)以及两装置之间的连接距离(本专利两装置螺栓固定、距离为零)之和，电动变口径光阑9与胶合透镜距离取决于以上两装置的设计尺寸和连接形式，其中，为保证支撑装置具有足够的刚度，下连接板的厚度应不小于10mm，透镜固定装置(上镜片负压吸盘、下镜片负压吸盘)厚度取决于吸取的透镜最大外形尺寸，具体的，透镜固定装置厚度≈0.2*吸取透镜的最大外径，单位为mm，连接距离根据实际工况设计，但为保证紫外光垂直入射透镜平面，建议此距离控制在5mm以下。
光阑开合速度以口径/时间为单位，表示光阑单位时间内口径的变化距离，为与全口径光固化方案形成良好对比，基于控制变量思想，此开合速度应保证在与全口径光固化用时相同的情况下，能使得最后时刻光阑口径(紫外光束直径)不小于全口径固化区域(镜片有效口径区域)，若固化镜片有效口径为De，光阑最小和最大开合口径分别为Dmin和Dmax，由最小到最大口径开合时间为tm，生产节拍要求的固化时间为t，则固化速度v＝(De-Dmin)/t，且需满足v≤(Dmax-Dmin)/tm；
胶层厚度属于胶合镜片设计工艺内容，本发明针对设计需求选定胶层厚度200μm，利用本文运动机构即可实现胶层厚度的精密控制(胶层厚度可优化，通过减小胶层厚度配合本发明的变口径光固化方法，可进一步降低UV胶固化导致的镜片变形)
为了对本实施例所提固化方法进行验证，分别利用本实施例提出的变口径光固化方法与传统的直接利用紫外光源3单次照射整个胶层的全口径固化方法对双胶合透镜进行了光固化实验，除了固化过程中光阑口径是否随时间变化(其中变口径方法光阑口径在整个固化时间由小变大；全口径方法光阑口径始终保持最大开启)，其余实验参数均一致，对固化后的结果利用接触式轮廓仪从不同角度对透镜面形进行测量，并与未固化前的相同位置测量结果对比，得出因固化导致的透镜变形误差。具体参数为，紫外光源与胶合透镜距离为63mm，镜片有效口径为40mm，为保证充分固化，全口径固化紫外辐照时间为60s，光阑最小和最大开合口径分别为4mm、60mm，由最小到最大口径开合最短时间为2s，完全可以满足变口径光固化对等全口径光固化时间的条件，固化速度为(40-4)/60＝0.6mm/s如图4所示，变口径光固化方案导致的上、下透镜变形误差分别为3.575μm、3.525μm，全口径光固化方案导致的上、下透镜变形误差分别为6.7μm、4.55μm，可见，相较于传统的全口径方案，本发明提出的变口径光固化方案能较低因固化应力导致的透镜变形，为提高透镜的光学性能提供了有效的解决方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双胶合透镜光固化变形控制方法，其特征在于，改变胶合过程中光束的直径，使光束直径由小逐渐变大，使得两透镜之间的固化过程为从两透镜中心向两透镜外围渐进固化。
2.如权利要求1所述的双胶合透镜光固化变形控制方法，其特征在于，所述的光束为紫外光束。
3.如权利要求1所述的双胶合透镜光固化变形控制方法，其特征在于，利用电动变口径光阑改变光束的直径。
4.如权利要求1所述的一种胶合透镜光固化变形控制系统，其特征在于，光固化过程中，所述的光束中心与两透镜的中心对齐。
5.一种胶合透镜光固化变形控制系统，其特征在于，包括工作台，在工作台上设置Z轴运动机构、X/Y轴运动机构；所述的Z轴运动机构从上至下依次安装有光源、光源变径装置、上透镜固定件；所述的X/Y轴运动机构上安装下透镜固定件，光源变径装置改变胶合过程中光源发出的光束的直径，使光束直径由小逐渐变大，使得两透镜之间的固化过程为从两透镜中心向两透镜外围渐进固化。
6.如权利要求5所述的一种胶合透镜光固化变形控制系统，其特征在于，所述的光源变径装置为电动变口径光阑。
7.如权利要求5所述的一种胶合透镜光固化变形控制系统，其特征在于，所述的上透镜固定件为上透镜负压吸盘，所述的下透镜固定件为下透镜负压吸盘，所述的上透镜负压吸盘和下透镜负压吸盘之间通过定位销进行定位。
8.如权利要求5所述的一种胶合透镜光固化变形控制系统，其特征在于，所述的光源中心与透镜的中心对齐。
9.如权利要求5所述的一种胶合透镜光固化变形控制系统，其特征在于，所述的光源发射口所在平面与光源变径装置的中心平面之间的距离≈紫外光源辐照面积/(光阑接受辐照区域总面积-光阑最大口径对应的面积)。
10.如权利要求5所述的一种胶合透镜光固化变形控制系统，其特征在于，若固化镜片有效口径为De，光源变径装置的最小和最大开合口径分别为Dmin和Dmax，由最小到最大口径开合时间为tm，生产节拍要求的固化时间为t，则固化速度v＝(De-Dmin)/t，且需满足v≤(Dmax-Dmin)/tm。
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- 2024-02-26 CN CN202410209961.7A patent/CN118024466A/zh active Pending
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