專利名稱：透鏡陣列坯生產方法、透鏡陣列生產方法以及透鏡陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學領域應用的玻璃制透鏡陣列坯和采用上述透鏡陣列坯生產透鏡陣列的方法，以及通過上述方法制成的透鏡陣列。
背景技術：
透鏡陣列一般包括位于基板部上的多個呈行列狀排布的透鏡部，基板部將排列的多個透鏡部之間填埋，并將多個透鏡部相互連結。作為透鏡陣列使用的材料有樹脂和玻璃。樹脂制透鏡陣列的光學精度較低，只適用于一些對光學精度要求不嚴格的機器設備和場所。而玻璃制透鏡陣列的光學精度較高， 一般用于高精度光學儀器以及對光學精度要求較高的場所。因此，樹脂制透鏡陣列的生產工藝與玻璃制透鏡陣列的生產工藝差別較大。與樹脂制透鏡陣列的生產工藝相比，玻璃制透鏡陣列對生產工藝的要求更加嚴格和復雜。現有技術中，玻璃制透鏡陣列的生產方法一般包括依次進行的坯料制造，軟化，模壓，退火和拋光。坯料制造步驟主要是制造坯料并將坯料切割成合適的形狀和尺寸；軟化步驟就是使用軟化爐將坯料進行軟化；模壓步驟就是使用一對模具把軟化狀態的玻璃擠壓成型；退火步驟就是將擠壓成型的坯料進行退火處理；最后將退火后的坯料通過拋光步驟形成最終成品。這種生產方法對于小型透鏡陣列可以適用，上述小型透鏡陣列其長度在IOOmm 以下，寬度在IOOmm以下。對于大型透鏡陣列，其長度在IOOmm以上，寬度也在IOOmm以上， 采用上述方法生產這種大型透鏡陣列時會出現以下問題對退火后的透鏡陣列坯進行檢查時，發現多數的透鏡陣列坯都出現了形狀偏差。而且，即使對這樣的透鏡陣列坯進行拋光， 也不能達到所希望的透鏡陣列形狀。對長度在300mm以上，寬度也在300mm以上的大型透鏡陣列，上述問題更加嚴重，目前還沒有任何資料顯示可以生產出上述尺寸的大型透鏡陣列。此外，雖然單個透鏡的生產方法與透鏡陣列的生產方法類似，但由于單個透鏡的尺寸遠遠小于透鏡陣列的尺寸，因此，與單個透鏡相比，透鏡陣列的生產工藝更加復雜。對單個透鏡生產工藝的改進往往無法適用于透鏡陣列的生產工藝。因此本領域技術人員一般也不會借鑒單個透鏡的生產工藝去改進透鏡陣列的生產工藝。例如中國專利 200810006000. 7公開了一種透鏡坯和透鏡的制造方法，該方法可以解決單個透鏡坯在退火后形狀偏差的問題，但通過實驗證明，該方法無法解決透鏡陣列坯退火后形狀偏差的問題。
發明內容
本發明解決的技術問題是提供一種可生產出所希望形狀的大型透鏡陣列坯的透鏡陣列坯的生產方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是透鏡陣列坯的生產方法，包括依次進行的坯料制造、軟化、模壓和退火，所述坯料制造步驟中所用坯料為玻璃坯料，所述退火為一次退火將模壓后得到的坯料在700°C 400°C通過逐漸降溫進行退火處理；面型校正對一次退火后得到的坯料進行面型校正，在300°C 400°C通過上下兩塊壓板對位于上下兩塊壓板之間的坯料施加壓力；二次退火將面型校正后得到的坯料在600°C 300°C通過逐漸降溫進行退火處理。本發明的上述方法通過一次退火、面型校正和二次退火這種獨特的工藝步驟可有效控制透鏡陣列坯的形狀，使透鏡陣列坯的形狀符合所希望的形狀。尤其對于大型透鏡陣列坯，如采用現有技術中的方法，也就是模壓后只進行退火，這時由于模壓過程坯料各個位置的溫度很難保證均勻且坯料各處應力分布不均，導致退火后透鏡陣列坯變形量較大，這種透鏡陣列坯無法通過拋光步驟制成最終的透鏡陣列。且現有技術中，沒有任何資料顯示可克服上述問題。而采用本發明的上述方法，則可有效控制透鏡陣列坯的形狀，使大型透鏡陣列坯的形狀符合所希望的形狀，為后續工藝步驟打下良好基礎，便于加工出符合形狀要求和光學要求的大型透鏡陣列。進一步的是所述坯料制造步驟中，所用坯料為平板形狀。這樣可使坯料在模壓過程中各個區域的變形盡量均勻，使應力分布盡量均勻，進而有利于降低一次退火后坯料的變形量，以便使最終的透鏡陣列獲得更高的面型精度。進一步的是所述平板形狀的坯料的長度為300 1200mm，寬度為300 600mm， 厚度為8 12mm。進一步的是所述坯料的軟化點為680 720°C，軟化時間為5 10分鐘。這樣在保證生產效率的情況下，有利于在隨后的模壓過程中使坯料內部溫度變化盡可能均勻， 進而有利于控制一次退火中坯料的變形程度。進一步的是所述一次退火的處理時間為25 40分鐘；所述面型校正步驟中施加的壓力為80 100kg，施壓時間為5 10分鐘；所述二次退火的處理時間為50 70分鐘。退火時間，壓力大小以及施壓時間與坯料的形狀和尺寸相關，上述方法中的退火時間， 壓力大小以及施壓時間適合于上述形狀和尺寸的坯料，也就是平板形狀的坯料，坯料的長度為300 1200mm,寬度為300 600mm,厚度為8 12mm。通過上述方法,可使最終的透鏡陣列坯具有較高的形狀精度。進一步的是所述模壓步驟中，模壓溫度控制在500 800°C，壓力為40 50噸， 模壓時間為4 10分鐘。采用上述模壓工藝，有利于使坯料在模壓過程中各處溫度盡可能均勻，內部應力分布也盡可能均勻。進一步的是所述一次退火步驟是在隧道式退火爐內進行，坯料放置在托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為25 40分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端700°C至另一端400°C連續變化。這種退火方式一方面可較好的限制一次退火過程中坯料的變形量。進一步的是所述二次退火步驟是在隧道式退火爐內進行，坯料放置在托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為50 70分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端600°C至另一端300°C連續變化。這種退火方式有利于控制二次退火后坯料的變形量。本發明還提供了一種采用上述透鏡陣列坯生產透鏡陣列的方法，該方法可生產出所希望形狀的透鏡陣列。具體為利用上述透鏡陣列坯，通過拋光來制成透鏡陣列。本發明還提供了一種采用上述透鏡陣列生產方法生產出的透鏡陣列，該透鏡陣列的長度為300 1200_，寬度為300 600_。本發明的有益效果是通過本發明的方法可生產出所希望形狀的大型透鏡陣列坯，通過該透鏡陣列坯可生產出滿足形狀要求和光學要求的大型透鏡陣列，該大型透鏡陣列輪廓度在O. 015mm以下，光學透過率達到90%以上。而且，本發明的透鏡陣列坯的生產方法不僅適用于大型透鏡陣列坯的生產，也適合小型透鏡陣列坯的生產，也可生產出所希望形狀的小型透鏡陣列坯和小型透鏡陣列。適用范圍廣，生產效率高。
圖I為透鏡陣列橫截面示意圖；圖中標記為透鏡曲面I,基底面2。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。本發明的透鏡陣列坯的生產方法，包括依次進行的坯料制造、軟化、模壓和退火， 所述坯料制造步驟中所用坯料為玻璃坯料，所述退火為一次退火將模壓后得到的坯料在 700°C 400°C通過逐漸降溫進行退火處理；面型校正對一次退火后得到的坯料進行面型校正，在300°C 400°C通過上下兩塊壓板對位于上下兩塊壓板之間的坯料施加壓力；二次退火將面型校正后得到的坯料在600°C 300°C通過逐漸降溫進行退火處理。上述一次退火時間，二次退火時間，以及面型校正過程中對坯料施加的壓力大小，施壓時間都可根據坯料的具體尺寸進行確定。通過深入研究發現，要控制透鏡陣列的形狀，僅僅依靠控制模壓工序還不夠，尤其是大型透鏡陣列，其尺寸過大，要在模壓過程中控制坯料均勻散熱很難。在隨后的一次退火步驟中，即使對退火工藝進行優化，雖然能減少坯料的變形程度，但坯料仍會發生變形，變形后的坯料無法通過拋光工序制成滿足要求的透鏡陣列。本發明通過深入研究和反復試驗發現，通過對一次退火后的坯料進行面型校正，可使坯料具有高的面型精度，也就是坯料的形狀符合希望的形狀，但這種面型校正后的坯料的穩定性不夠高，容易因內部應力作用或受外力作用破碎或變形。通過隨后的二次退火步驟，可釋放面型校正過程中產生的內部應力，可將這種高的面型精度長期保持，也就是使坯料較為穩定，不易發生破碎或變形。采用這種透鏡陣列坯加工出的透鏡陣列，其形狀完全滿足要求，各項光學性能也可滿足要求。此外，通過以上分析可知，本發明的透鏡陣列坯的生產方法不僅適用于大型透鏡陣列坯的生產，而且也適合小型透鏡陣列坯的生產。在小型透鏡陣列坯生產過程中，也存在模壓過程受力和散熱不均引起退火后透鏡陣列坯發生變形的問題，只是該問題沒有大型透鏡陣列坯嚴重，采用本發明的上述方法顯然也可解決小型透鏡陣列坯的上述問題，有利于獲得更高面型精度的小型透鏡陣列。在上述基礎上，為了使坯料在模壓過程中各個區域的變形盡量均勻，進而有利于降低一次退火后坯料的變形量，以便使最終的透鏡陣列獲得更高的面型精度。上述坯料制造步驟中，所用坯料為平板形狀。現有技術中用于制造透鏡陣列的坯料一般為棒狀或球狀， 由于大型透鏡陣列所需的坯料尺寸較大，使得上述形狀的坯料在模壓過程中各個區域的變形不夠均勻且各個區域的散熱也不夠均勻。這會導致一次退火后坯料的變形量較大。通過深入研究和反復試驗發現，與上述棒狀和球狀等坯料相比，平板形狀的坯料在模壓時，各個區域的變形較為均勻，使得坯料內部應力分布比較均勻，且平板形狀的坯料的各個區域的散熱也較為均勻，這樣有利于控制一次退火后坯料的變形量。上述平板形狀的坯料優選使用浮法超白玻璃，由于其具有良好的原始界面，有利于后續加工步驟控制變形量，以及獲得較高的光學性能和面型精度。在坯料制造步驟中，所用平板形狀的坯料的長度可為100 200mm，寬度可為 100 500mm，厚度可為4 7mm。也可為其它尺寸。對于上述尺寸較小的坯料，后續加工步驟中所用設備的尺寸相應較小，生產成本較低，生產周期較短。但對于尺寸超大的坯料， 所需的相關設備的尺寸較大，且整個透鏡陣列坯的制造周期較長，生產效率較低，生產成本較高。因此，需要根據具體領域的需求合理選擇坯料的尺寸。對于太陽能聚光光伏領域， 一方面要滿足使用需求，另一方面要考慮生產效率和生產成本，基于上述思想，在上述基礎上，平板形狀的坯料的長度優選為300 1200_，寬度優選為300 600_，厚度優選為8 12mm。在上述基礎上，一次退火、面型校正和二次退火的優選方式為所述一次退火的處理時間為25 40分鐘；所述面型校正步驟中施加的壓力為80 100kg，施壓時間為5 10分鐘；所述二次退火的處理時間為50 70分鐘。當然上述一次退火的處理時間可以為 20 24分鐘，也可為40分鐘以上；上述面型校正的壓力可為78kg或IlOkg等，上述施壓時間也可相應調整為15分鐘或小于5分鐘等。但通過深入研究和反復試驗證明，采用上述優選方式，不但可使透鏡陣列坯符合希望的形狀，且可使透鏡陣列坯具有較高的形狀精度， 還可保證具有較高的生產效率。進一步的是，上述一次退火中，在700°C 400°C逐漸降溫的方式有多種一種為連續式，例如通過隧道式退火爐，坯料放置在隧道式退火爐的托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為25 40分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端700°C至另一端400°C連續變化。上述隧道式退火爐為現有技術中比較成熟的一種可連續式退火處理的退火爐。該種隧道式退火爐的結構主要包括爐架和安裝在爐架上的爐體，爐體外是保溫層， 內部是退火工作區，工作區域內采用電阻絲進行加熱退火，不同的區域對應于不同加熱功率的電阻絲，退火爐的進料口電阻絲功率最大，出料口功率最小，由于熱量的傳導性，溫度在爐體內不會出現突變，在爐體內不同位置合理配置不同的加熱電阻絲就實現了溫度的均勻漸變。由以上分析可知，這種退火方式可使坯料退火連續均勻穩定的進行，且效率較高。 這種退火方式可較好的限制一次退火過程中坯料的變形量。另一種方式為階段式，例如可通過普通退火爐分階段對坯料進行保溫，7000C 600°C保溫10分鐘，600°C 500°C保溫10 分鐘，500°C 400°C保溫10分鐘。這種階段式也可在一定程度上限制坯料的變形量，但與上述連續式相比，坯料一次退火后的變形量較大。與此類似，上述二次退火也可采用連續式和階段式。連續式可在隧道式退火爐內進行，坯料放置在隧道式退火爐內的托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為50 70分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端 600°C至另一端300°C連續變化。階段式可在普通退火爐內進行，例如600°C 500°C保溫 20分鐘，500°C 400°C保溫20分鐘，400°C 300°C保溫20分鐘。通過試驗發現，連續式退火的坯料的變形量與階段式相比要小。雖然二次退火后的坯料仍然會發生輕微的變形，但這種變形量很小，坯料具有高的面型精度。且在隨后的拋光工序中也可將上述變形量消除， 使最終的透鏡陣列完全滿足使用要求。另外，二次退火還可有效消除因面型校正在坯料內存在的應力，使坯料穩定，可長期保持高的面型精度。上述面型校正中使用的兩塊壓板為兩塊剛性壓板，其平整度優選為平整度在O. 05mm以下，這樣有利于獲得高的面型精度。上述面型校正可將一次退火后坯料發生的變形進行校正，使坯料保持高的面型精度，通過深入研究和反復試驗發現，采用上述面型校正的溫度、壓力和時間即可將坯料的面型進行校正， 同時在坯料中產生的應力較小，可保證在隨后的二次退火中坯料不會發生嚴重的變形，也就是有利于使面型校正后獲得的高的面型精度在二次退火后保持。在上述基礎上，上述玻璃坯料的軟化點溫度越高，所需的軟化時間則越長，且坯料內部溫度變化越不均勻。因此為了保證坯料軟化時的均勻性，縮短軟化時間，提高生產效率，提高軟化爐所用模具的壽命，選擇軟化點為680 720°C的玻璃坯料，并將軟化時間控制為5 10分鐘。采用上述軟化工藝，可以在軟化階段就較好的控制坯料內部溫度變化的均勻性，這樣有利于在隨后的模壓過程中使坯料內部溫度變化盡可能均勻，進而有利于控制一次退火中坯料的變形程度。為了進一步控制一次退火后坯料的變形量，所述模壓步驟中，模壓溫度控制在 500 80CTC,壓力為40 50噸，模壓時間為4 10分鐘。上述模壓一般是在無氧環境中進行，以避免模具被氧化。采用上述模壓工藝，有利于使坯料在模壓過程中各處溫度盡可能均勻，內部應力分布也盡可能均勻，雖然完全均勻無法實現，但上述模壓工藝仍可使一次退火坯料的變形程度得到有效控制。為后續工藝打下良好基礎。在上述基礎上，可通過拋光工序將上述透鏡陣列坯制成透鏡陣列，通過拋光工序可將二次退火時產生的變形量消除。尤其是對于坯料的基底面更需要通過拋光使其滿足光學表面和平整度的要求，基底面通過拋光后優選為使其平整度小于等于I微米。如圖I所示，上述坯料包括通過模具成型的透鏡曲面I和沒有通過模具成型的與透鏡曲面I相對的基底面2。由于基底面2作為支撐面存在，其平整度和光學性能較差，因此需要通過拋光使其滿足光學表面和平整度的要求。采用上述方法可制造大型透鏡陣列，尤其適合制造以下尺寸的大型透鏡陣列所述透鏡陣列的長度為300 1200mm,寬度為300 600mm。通過實驗證明，制造出的上述尺寸的透鏡陣列，輪廓度在O. 015mm以下，光學透過率達到90%以上。實施例一透鏡陣列坯的生產方法A、還料制造所用還料由浮法超白玻璃制成,平板形狀,長度為1000mm,寬度為 500mm，厚度為IOmm ;B、軟化對步驟A得到的坯料進行軟化，所用坯料的軟化點為700°C， 軟化時間控制在5 10分鐘；C、模壓將步驟B得到的坯料進行模壓，模壓溫度控制在 650°C,壓力為40 50噸,模壓時間為4 10分鐘,米用無氧環境；D、一次退火米用隧道式退火爐，坯料放置在托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為30分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端700°C至另一端400°C連續變化，出爐溫度在400°C左右； E、面型校正對步驟D得到的坯料進行面型校正，校正溫度為300°C 400°C，通過上下兩塊壓板對坯料施加80 IOOkg的壓力，施壓時間為5 10分鐘；F、二次退火在隧道式退火爐內進行，坯料放置在托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為60分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端600°C至另一端300°C連續變化，出爐溫度在300°C左右。實施例二 透鏡陣列的生產方法在實施例一的基礎上，將步驟F得到的坯料進行拋光，制成透鏡陣列。該透鏡陣列的輪廓度為O. 015mm，光學透過率為90%。
權利要求
1.透鏡陣列坯的生產方法，包括依次進行的坯料制造、軟化、模壓和退火，所述坯料制造步驟中所用坯料為玻璃坯料，其特征是所述退火為一次退火將模壓后得到的坯料在700°C 400°C通過逐漸降溫進行退火處理；面型校正對一次退火后得到的坯料進行面型校正，在300°C 400°C通過上下兩塊壓板對位于上下兩塊壓板之間的坯料施加壓力；二次退火將面型校正后得到的坯料在600°C 300°C通過逐漸降溫進行退火處理。
2.如權利要求I所述的透鏡陣列坯的生產方法，其特征是所述坯料制造步驟中，所用還料為平板形狀。
3.如權利要求2所述的透鏡陣列坯的生產方法，其特征是所述平板形狀的坯料的長度為300 1200mm,寬度為300 600mm,厚度為8 12mm。
4.如權利要求3所述的透鏡陣列坯的生產方法，其特征是所述坯料的軟化點為 680 720°C，軟化時間為5 10分鐘。
5.如權利要求3所述的透鏡陣列坯的生產方法，其特征是所述一次退火的處理時間為25 40分鐘；所述面型校正步驟中施加的壓力為80 100kg，施壓時間為5 10分鐘； 所述二次退火的處理時間為50 70分鐘。
6.如權利要求3所述的透鏡陣列坯的生產方法，其特征是所述模壓步驟中，模壓溫度控制在500 800°C，壓力為40 50噸，模壓時間為4 10分鐘。
7.如權利要求3所述的透鏡陣列坯的生產方法，其特征是所述一次退火步驟是在隧道式退火爐內進行，坯料放置在托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為25 40分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端700°C至另一端400°C連續變化。
8.如權利要求3所述的透鏡陣列坯的生產方法，其特征是所述二次退火步驟是在隧道式退火爐內進行，坯料放置在托盤上，由隧道式退火爐的一端運行至另一端，總運行時間為50 70分鐘，隧道式退火爐內的溫度由一端600°C至另一端300°C連續變化。
9.透鏡陣列的生產方法，其特征是對利用權利要求I至8中任意一項所述的透鏡陣列坯的生產方法制造的透鏡陣列坯，通過拋光來制成透鏡陣列。
10.采用權利要求9的方法制成的透鏡陣列，其特征是所述透鏡陣列的長度為300 1200mm,寬度為 300 600mm。
全文摘要
本發明公開了一種透鏡陣列坯生產方法、透鏡陣列生產方法以及透鏡陣列，可生產出滿足形狀要求和尺寸要求的透鏡陣列，尤其適合生產大型透鏡陣列。該透鏡陣列坯的生產方法主要是在模壓后依次進行一次退火、面型校正和二次退火。該透鏡陣列生產方法是利用上述透鏡陣列坯進行拋光工序制成。本發明的方法尤其適合生產長度為300～1200mm，寬度為300～600mm的大型透鏡陣列。生產出的大型透鏡陣列的輪廓度在0.015mm以下，光學透過率達到90％以上。
文檔編號C03B11/00GK102603161SQ20121008351
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月27日 優先權日2012年3月27日
發明者黃忠 申請人:四川鐘順太陽能開發有限公司