專利名稱：一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學元件制造領域，尤其是一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法及其裝置。
背景技術：
菲涅爾透鏡是表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓的薄片，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據相對靈敏度和接收角度要求來設計的，菲涅爾透鏡的厚度隨用途而變，多在Imm左右。菲涅爾透鏡在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多，相比傳統的球面透鏡，菲涅爾透鏡的設計容許大幅度地削減透鏡厚度(以及重量與體積)，但是付出的代價是成像質量會下降，所以它一般用在對成像質量要求不太苛刻或無法使用一般透鏡的地方，如幻燈機、薄膜放大鏡、紅外探測器和交通信號燈等。在太陽聚光領域，菲涅爾透鏡是聚光太陽能系統中重要的光學部件之一。在聚光太陽能系統中，菲涅爾透鏡的焦點剛好落在太陽能電池芯片上，因此當透鏡面垂直面向太陽時，光線將會被聚焦在電池芯片上，這樣能夠匯聚更多的能量，因而需要較小的電池芯片面積，大大節約了成本。為了進一步提高太陽能利用率并降低太陽能電池芯片的面積，最好的方法就是擴大菲涅爾透鏡的采光面積并減小太陽能電池芯片的面積，因此出現了采用菲涅爾透鏡陣列的聚光太陽能發電模組，即采用多個菲涅爾透鏡組成陣列形式以擴大菲涅爾透鏡的采光面積。對于聚光太陽能發電應用來說，一般要求系統壽命不低于20年，而目前采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料雖然能夠制作較大面積的菲涅爾透鏡，但是由于 PMMA的材料強度、硬度都不夠高，耐候性不夠好，在長時間使用后易產生變形，因此目前聚光太陽能發電模組中的菲涅爾透鏡陣列一般采用玻璃材料來制作，以滿足長時間戶外使用的高耐候性要求。但是，玻璃材料的高硬度與高成型溫度，使得大面積的玻璃材料菲涅爾透鏡制作較為困難，因此現有技術中，大型的菲涅爾透鏡陣列多采用將若干個制造好的單個菲涅爾透鏡拼接而成的方法制作，而單個的小型菲涅爾透鏡陣列多采用傳統的研磨方式或小型模制造技術制造，顯然，傳統的研磨方式制作成本高，制作周期長且制作出來的菲涅爾透鏡精度不夠高。此外，由于菲涅爾透鏡陣列中單個菲涅爾透鏡的個體差異性以及裝配精度等原因，使得多個菲涅爾透鏡拼接而成的低成本大型菲涅爾透鏡陣列的精密度降低，透光不均勻且安裝成本高，實用性不強。有鑒于此，需要一種能夠直接制造低成本大型菲涅爾透鏡陣列的方法和裝置。
發明內容
針對上述技術的不足之處，本發明提供一種采用玻璃材料制作一體化的大面積菲涅爾透鏡陣列的方法及裝置，采用該方法及裝置生產出的菲涅爾透鏡陣列具有壽命長，制作成本較低，加工簡單方便，具有很強實用性的特點，能夠滿足戶外使用菲涅爾透鏡的高耐候性要求。
為實現上述目的，本發明提供一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，包括以下步驟(1)準備一塊表面涂覆有待固化的透明可塑性材料的待成型透明平板；(2)采用壓力板對所述待成型透明平板未被壓印過的表面進行壓印以形成菲涅爾透鏡陣列；(3)判斷所述待成型透明平板的表面是否完全覆蓋有菲涅爾透鏡陣列，若判斷結果為是，則執行下一步驟，相反則返回執行步驟O)；(4)對表面全部都已壓印有菲涅爾透鏡陣列的所述待成型透明平板進行固化處理。在步驟(1)還包括以下子步驟(1. 1)將大型透明玻璃基板進行清洗；(1. 2)在大型透明玻璃基板的上表面涂一層粘結劑；(1. 3)在粘結劑層的表面涂覆一層待固化的透明可塑性材料后得到所述待成型透明平板。在步驟O)中，首先將多塊所述壓力板定位于所述待成型透明平板未被壓印過的局部表面正上方按同一預定高度的不同位置設置，然后將多塊所述壓力板按縱向垂直方向向下運動一預定距離對所述待成型透明平板的局部表面進行壓印，壓印完后所述壓力板返回原位。所述壓力板的底面具有能夠與菲涅爾透鏡鋸齒表面咬合的形狀。所述壓力板對待成型透明平板壓印的深度不得超過透明可塑性材料層的厚度。在步驟(3)中，若判斷結果為否，則先使多塊所述壓力板在所述預定高度所處水平面內沿預定方位移動并定位于所述待成型透明平板未被壓印過的局部表面正上方，然后返回執行步驟O)。所述透明可塑性材料為硅酮或者硅膠或者紫外固化膠中的一種。本發明同時還提供一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工裝置，所述加工裝置包括涂覆裝置、至少一塊壓力板、固化裝置與傳遞工作臺；涂覆裝置用于在大型透明玻璃基板的上表面涂抹一層粘結劑，并在所述粘結劑層的上表面涂覆一層待固化的透明可塑性材料，以得到待成型透明平板；壓力板用于對所述待成型透明平板的局部表面進行壓印以形成至少一個菲涅爾透鏡，在所述每塊壓力板的底部表面具有能夠與至少一個菲涅爾透鏡鋸齒表面相咬合的形狀；固化裝置用于對表面壓印成型有菲涅爾透鏡陣列的所述待成型透明平板的表面進行固化處理；傳遞工作臺用于水平放置所述待成型透明平板，使其依次經過所述涂覆裝置、所述壓力板下方以及所述固化裝置。所述加工裝置還包括控制系統以及和所述壓力板的數量相同的機動臂，所述壓力板設置在所述機動臂的底部端面；所述控制系統用于提供人機交互界面，并根據預先設定的程序或根據操作員輸入指令控制所述機動臂的運動；所述機動臂與控制系統相連接，每個所述機動臂用于固定一塊所述壓力板，并在所述控制系統的控制下帶動所述壓力板在水平面內和豎直方向上運動。在所述加工裝置還包括用于在涂覆裝置之前清洗所述大型透明玻璃基板的清洗裝置，所述清洗裝置設置在所述傳遞工作臺上。
與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明能夠采用玻璃材料制作一體化的大面積菲涅爾透鏡陣列，滿足了戶外使用的高耐候性要求，生產出的菲涅爾透鏡陣列壽命長，制作成本較低，加工簡單方便，具有很強的實用性。此外，由于本發明采用一個或多個相同的模具生產出來的壓力板壓制菲涅爾透鏡陣列，相比于現有技術，這種方案生產出來的透鏡陣列的精密度更高。
圖1為本發明中加工方法部分的流程圖；圖2為采用兩塊下表面都為一個菲涅爾透鏡負模的壓力板制作4X4的菲涅爾透鏡陣列時每塊壓力板的移動路線示意圖；圖3為本發明中加工裝置的結構示意圖；圖4為本發明加工裝置的實施例結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，本發明提供一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，包括以下步驟(1)準備一塊表面涂覆有待固化的透明可塑性材料的待成型透明平板。其中，該待成型透明平板即為待加工成型為所需菲涅爾透鏡陣列的透明平板。此步驟具體包括(1. 1)準備一塊大型透明玻璃基板并對其進行清洗；(1. 2)在該大型透明玻璃基板的上表面涂覆一層粘結劑；(1. 粘結劑凝固后形成粘結劑層，在該粘結劑層的上表面涂覆一層待固化的透明可塑性材料，得到待成型透明平板。其中，步驟(1) 中的大型透明玻璃基板為超白玻璃材料，該透明可塑性材料為硅酮材料。由于超白玻璃材料和硅酮材料比PMMA等其他透明材料具有更好的耐候性，因此采用本發明的方法制作的大型菲涅爾透鏡陣列也具有較高的耐候性。此外，也可以采用硅膠或紫外固化膠等。粘結劑用于使透明可塑性材料牢固地粘接于大型透明玻璃基板上表面。其中，壓力板對待成型透明平板的壓印深度不超過透明可塑性材料層的厚度。(2)采用壓力板對待成型透明平板未被壓印過的表面進行壓印以形成菲涅爾透鏡陣列。此處的每塊壓力板底面都具有能夠和至少一個單塊菲涅爾透鏡鋸齒表面咬合的形狀，即每塊壓力板的底面可以為一個菲涅爾透鏡的鋸齒面的負模，或者每塊壓力板的底面可以為多個排列為陣列形式(如4X4陣列形式)的菲涅爾透鏡的鋸齒面的負模。為提高菲涅爾透鏡陣列的制造速度，可以設置多塊壓力板同時加工，具體加工時首先將多塊壓力板定位于待成型透明平板未被壓印過的局部表面正上方按同一預定高度的不同位置設置，然后將多塊壓力板按縱向垂直方向向下運動一預定距離對待成型透明平板的局部表面進行壓印。顯然，由于每塊壓力板的下表面上有若干個與單塊菲涅爾透鏡鋸齒表面咬合的形狀，且透明可塑性材料較軟(處于待固化狀態)，因此壓力板壓印待成型透明平板后大型透明平板的表面就會形成多個菲涅爾透鏡的鋸齒面，最后在壓印完后將所有壓力板恢復至原位。
(3)判斷所述待成型透明平板的表面是否完全覆蓋有菲涅爾透鏡陣列，若判斷結果為是，則執行下一步驟，相反則返回執行步驟(2)。當采用的壓力板數目大于1時，若此步驟的判斷結果為“否”，則先在的預定高度所處水平面內將多塊壓力板沿預定方向移動并定位于待成型透明平板的未被壓印過的局部表面正上方，再返回執行步驟2。(4)對表面全部都已壓印有菲涅爾透鏡陣列的待成型透明平板進行固化處理。上述方法在具體實施時，步驟( 至步驟(3)中可以為每塊壓力板預先設定其每次壓印操作后的移動路線，為方便說明，以下采用兩塊下表面都為一個菲涅爾透鏡負模的壓力板同時壓印操作以制作4X4的菲涅爾透鏡陣列進行說明。如圖2所示，其中，實心圓圈al至a8表示第一壓力板在第一至第八次壓印時的中心定位點，實線箭頭方向表示第一壓力板在工作過程中中心定位點的移動路線，空心圓圈 bl至b8表示第二壓力板第一至第八次壓印時的中心定位點，虛線箭頭方向表示第二壓力板在工作過程中中心定位點的移動路線。在圖2中，預先將第一壓力板的起始位置定位于需要制作的4X4的菲涅爾透鏡陣列的第一行第一列位置，同時設定第二壓力板的起始位置為需要制作的4X4的菲涅爾透鏡陣列的第四行第四列位置；在進行第一次壓印結束后，使第一壓力板移動到需要制作的 4X4的菲涅爾透鏡陣列的第一行第二列正上方位置(即使第一壓力板在每次壓印后沿菲涅爾透鏡陣列的行方向右移一個菲涅爾透鏡的位置)再進行第二次壓印，同時使第二壓力板移動到需要制作的4X4的菲涅爾透鏡陣列的第四行第三列正上方位置(即使第二壓力板在每次壓印后沿菲涅爾透鏡陣列的行方向左移一個菲涅爾透鏡的位置)再進行第二次壓印；依照上述方式進行第三和第四次壓印后，第一壓力板無法再繼續沿菲涅爾透鏡陣列的行方向右移，第二壓力板無法再沿菲涅爾透鏡陣列的行方向左移，此時使第一壓力板沿菲涅爾透鏡陣列的列方向下移一個菲涅爾透鏡的位置后進行第五次壓印，同時使第二壓力板沿菲涅爾透鏡陣列的列方向上移一個菲涅爾透鏡的位置后進行第五次壓印；隨后使第一壓力板在沿菲涅爾透鏡陣列的行方向依次左移一個菲涅爾透鏡的位置進行第六、七、八次壓印，同樣地，使第二壓力板在沿菲涅爾透鏡陣列的行方向依次右移一個菲涅爾透鏡的位置進行第六、七、八次壓印，最終得到了 4X4的菲涅爾透鏡陣列。圖2所述的壓印過程只是示意性的說明使每塊壓力板按照預先設定的移動路線以制作菲涅爾透鏡陣列的方法，顯然，壓力板的預定移動路線并不僅限于圖2所示路線，還可以根據需要任意設定，只要能夠實現本發明的目的并不脫離本發明的主旨的方法都屬于本發明意圖保護的范圍。如圖3所示，本發明的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工裝置，包括涂覆裝置1、至少一塊壓力板3、固化裝置4與傳遞工作臺2。其中，涂覆裝置1用于在大型透明玻璃基板的上表面涂抹一層粘結劑，當粘結劑凝固后形成粘結劑層后，在粘結劑層的上表面涂覆一層待固化的透明可塑性材料，以得到待成型透明平板。壓力板3用于對待成型透明平板5的局部表面進行壓印以形成至少一個菲涅爾透鏡，在每塊壓力板的底部表面具有能夠與菲涅爾透鏡的鋸齒表面相咬合的鋸齒部9。壓力板3的數量N為大于等于1的正整數， 每塊壓力板3的底面具有能夠和至少一個單塊菲涅爾透鏡鋸齒表面咬合的形狀，每塊壓力板3用于對待成型透明平板5的局部表面進行壓印以形成至少一個菲涅爾透鏡；壓力板對所述待成型透明平板的壓印深度不超過其透明可塑性材料層的厚度。固化裝置4用于對表面壓印成型有菲涅爾透鏡陣列的待成型透明平板5的表面進行固化處理。傳遞工作臺2用于水平放置待成型透明平板5，使待成型透明平板5依次經過涂覆裝置1、壓力板3下方以及固化裝置4。在本發明提供的加工裝置中還包括控制系統6以及和壓力板3的數量相等的機動臂7，其中，機動臂7與控制系統6連接。控制系統6用于提供人機交互界面，并根據預先設定的程序或根據操作員輸入指令控制機動臂7的運動。每個機動臂7用于固定一塊壓力板3，并在控制系統6的控制下帶動壓力板3在水平面和豎直方向運動。為提高菲涅爾透鏡陣列的制造速度，可以設置多塊壓力板3同時加工，具體加工時多個機動臂7在控制系統 6的控制下先將多塊壓力板3分別定位于待成型透明平板5正上方同一預定高度的不同位置，隨后使所有機動臂7帶動壓力板3豎直向下運動一預定距離以對待成型透明平板的表面進行壓印，壓印完后控制所有機動臂7帶動所有壓力板3恢復至原位。圖3所示的加工裝置可以組成一條流水線生產線，有利于大批量自動化生產。較佳地，采用的多塊壓力板的外形參數完全一致，即可以采用同一模具制造這些壓力板，這樣不僅節省了單個壓力板的制模成本，而且采用本發明實施例提供的方案也無需直接制造能夠加工大面積菲涅爾透鏡陣列的大面積壓力板，進一步降低了生產成本。如圖4所示，在本發明提供的加工裝置中還包括用于在涂覆裝置1之前清洗大型透明玻璃基板的清洗裝置8，該清洗裝置8設置在涂覆裝置1后側。該清洗裝置8可以為玻璃清洗機或玻璃清洗臺等儀器設備。本發明采用玻璃材料直接制作一體化的大面積菲涅爾透鏡陣列，滿足了戶外使用的高耐候性要求，生產出的菲涅爾透鏡陣列壽命長，制作成本較低，加工簡單方便，具有很強的實用性。此外，由于本發明提供的方案中采用一個或多個相同的模具生產出來的壓力板壓制菲涅爾透鏡陣列，相比于現有技術，這種方案生產出來的透鏡陣列的精密度更高。以上僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，包括以下步驟(1)準備一塊表面涂覆有待固化的透明可塑性材料的待成型透明平板；(2)采用壓力板對所述待成型透明平板未被壓印過的表面進行壓印以形成菲涅爾透鏡陣列；(3)判斷所述待成型透明平板的表面是否完全覆蓋有菲涅爾透鏡陣列，若判斷結果為是，則執行下一步驟，相反則返回執行步驟O)；(4)對表面全部都已壓印有菲涅爾透鏡陣列的所述待成型透明平板進行固化處理。
2.根據權利要求1所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，其特征在于， 在步驟(1)還包括以下子步驟(1. 1)將大型透明玻璃基板進行清洗；(1. 2)在大型透明玻璃基板的上表面涂一層粘結劑；(1. 3)在粘結劑層的表面涂覆一層待固化的透明可塑性材料后得到所述待成型透明平板。
3.根據權利要求2所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，其特征在于， 在步驟O)中，首先將多塊所述壓力板定位于所述待成型透明平板未被壓印過的局部表面正上方按同一預定高度的不同位置設置，然后將多塊所述壓力板按縱向垂直方向向下運動一預定距離對所述待成型透明平板的局部表面進行壓印，壓印完后所述壓力板返回原位。
4.根據權利要求3所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，其特征在于， 所述壓力板的底面具有能夠與菲涅爾透鏡鋸齒表面咬合的形狀。
5.根據權利要求4所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，其特征在于， 所述壓力板對待成型透明平板壓印的深度不得超過透明可塑性材料層的厚度。
6.根據權利要求1所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，其特征在于， 在步驟(3)中，若判斷結果為否，則先使多塊所述壓力板在所述預定高度所處水平面內沿預定方位移動并定位于所述待成型透明平板未被壓印過的局部表面正上方，然后返回執行步驟(2)。
7.根據權利要求1、2或4所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法，其特征在于，所述透明可塑性材料為硅酮或者硅膠或者紫外固化膠中的一種。
8.一種應用權利要求1所述的方法，制造低成本大型菲涅爾透鏡陣列的裝置，其特征在于，所述加工裝置包括涂覆裝置、至少一塊壓力板、固化裝置與傳遞工作臺；涂覆裝置用于在大型透明玻璃基板的上表面涂抹一層粘結劑，并在所述粘結劑層的上表面涂覆一層待固化的透明可塑性材料，以得到待成型透明平板；壓力板用于對所述待成型透明平板的局部表面進行壓印以形成至少一個菲涅爾透鏡， 在所述每塊壓力板的底部表面具有能夠與至少一個菲涅爾透鏡鋸齒表面相咬合的形狀；固化裝置用于對表面壓印成型有菲涅爾透鏡陣列的所述待成型透明平板的表面進行固化處理；傳遞工作臺用于水平放置所述待成型透明平板，使其依次經過所述涂覆裝置、所述壓力板下方以及所述固化裝置。
9.根據權利要求8所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工裝置，其特征在于， 所述加工裝置還包括控制系統以及和所述壓力板的數量相同的機動臂，所述壓力板設置在所述機動臂的底部端面；所述控制系統用于提供人機交互界面，并根據預先設定的程序或根據操作員輸入指令控制所述機動臂的運動；所述機動臂與控制系統相連接，每個所述機動臂用于固定一塊所述壓力板，并在所述控制系統的控制下帶動所述壓力板在水平面內和豎直方向上運動。
10.根據權利要求8或9所述的一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工裝置，其特征在于，在所述加工裝置還包括用于在涂覆裝置之前清洗所述大型透明玻璃基板的清洗裝置， 所述清洗裝置設置在所述傳遞工作臺上。
全文摘要
本發明提供一種低成本大型菲涅爾透鏡陣列的加工方法及其裝置，其方法包括以下步驟準備一塊表面涂覆有待固化的透明可塑性材料的待成型透明平板；采用壓力板對待成型透明平板未被壓印過的表面進行壓印以形成菲涅爾透鏡陣列；判斷待成型透明平板的表面是否完全覆蓋有菲涅爾透鏡陣列；對表面全部都已壓印有菲涅爾透鏡陣列的待成型透明平板進行固化處理。應用上述方法的加工裝置包括涂覆裝置、壓力板、固化裝置與傳遞工作臺，還包括控制系統、機動臂與清洗裝置。本發明采用玻璃材料制作一體化的大面積菲涅爾透鏡陣列，滿足了戶外使用的高耐候性要求，生產出的菲涅爾透鏡陣列具有壽命長，制作成本低，加工簡單方便，實用性的特點。
文檔編號B29C35/02GK102508324SQ20111045658
公開日2012年6月20日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者衛明, 曹銀花, 王智勇 申請人:北京工業大學