一种带凸面的阵列透镜的模压方法与流程

本发明涉及阵列透镜的制造方法，尤其是涉及一种带凸面的阵列透镜的模压方法。

背景技术：

阵列透镜是指在一面或双面设置有微透镜阵列的透镜，微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。

现有的带凹面的阵列透镜通常采用模压预形体的方式制造，如：中国发明申请cn101885577a所公开的压印成型微小凹透镜阵列的模仁、模压装置及方法。然而，对于带凸面的阵列透镜来说，若采用模压的方式制造，则需要在模具的成型面设置相应的阵列式凹槽，而在模压过程中，该凹槽的空气不容易排出，预形体无法顺利进入凹槽，从而无法形成高精度的微透镜阵列。

目前，大多厂商是使用单点金刚石刀具对阵列透镜直接加工的，但是这样不仅效率较低，而且损耗较大，增加了阵列透镜的制造成本。

中国发明申请cn1708460a公开了玻璃光学组件的低温制备，其公开了使用玻璃粉受热压实制造阵列透镜的方法（说明书第11页第2段）。然而，尽管玻璃粉可以形成任意形状并且含杂质较小，但是玻璃粉的形状、尺寸是不统一的，因而玻璃粉之间难免会存在空气，导致成型后的阵列透镜中具有微小气泡，对于高精度的光学透镜来说，这种微小气泡将会严重影响成像质量。

技术实现要素：

本发明技术方案是针对上述情况的，为了解决上述问题而提供一种带凸面的阵列透镜的模压方法，模压方法所采用的模具包括：上模仁、下模仁、型套和中肉筒，上模仁、下模仁和型套都位于中肉筒的内部，上模仁从上往下插入型套中，下模仁从下往上插入型套中，下模仁的上表面具有多个凹槽，多个凹槽呈阵列式排列；所述模压方法包括以下步骤：

步骤1、分别对多个阵列预形体和一个平板预形体进行抛光，降低预形体和平板预形体的表面粗糙度；

步骤2、分别对多个阵列预形体和平板预形体进行清洗，去除抛光后的碎屑；

步骤3、将多个阵列预形体分别放置在下模仁的多个凹槽中；

步骤4、将平板预形体放置在多个阵列预形体上；

步骤5、组装模具，并将模具放入模压机进行抽真空；

步骤6、对模具进行加热，使得温度达到玻璃的退火点；

步骤7、利用上模仁和下模仁对阵列预形体和平板预形体施加压力，完成阵列预形体与平板预形体的熔接，使阵列透镜成型；

步骤8、对阵列透镜进行降温冷却；

步骤9、从模具中取出阵列透镜。

进一步，在步骤1中，阵列预形体和平板预形体抛光后表面粗糙度为10nm以内。

进一步，在步骤2中，分别对阵列预形体和平板预形体进行超声波清洗。

进一步，在步骤6中，先在玻璃的退火点以下进行预热，然后再将温度上升至玻璃的退火点。

进一步，在步骤7中，继续加热，在温度上升至玻璃的退火点以后并且在温度上升至玻璃的软化点以前，对阵列预形体和平板预形体施加逐步递增的压力，在温度达到玻璃的软化点时完成阵列预形体与平板预形体的熔接。

进一步，在步骤8中，先停止加热进行正常冷却，待温度降低至玻璃的退火点以下以后，再冲入氮气或者将模具移动到有水冷板的平台上进行快速冷却。

进一步，上模仁和下模仁都由钨钢材料形成，并且上模仁的下表面和下模仁的上表面都镀有类金刚石涂层。

进一步，上模仁和下模仁的类金刚石涂层的厚度都为1μm以内。

进一步，上模仁的下表面具有多个凸台，多个凸台呈阵列式排列。

进一步，上模仁的下表面具有多个凹槽，在步骤4中，还包括：将多个阵列预形体放置在平板预形体上。

采用上述技术方案后，本发明的效果是：通过在模压过程中设置两种不同的玻璃预形体，使得阵列透镜可以一次性模压成型，不必通过刀具进行加工，大大提高效率，并有效地降低了成本。此外，阵列预形体形状、尺寸统一，并且与平板预形体的位置相对固定，因此可以避免成型后的阵列透镜中存在气泡，提高产品成像质量的稳定性。

附图说明

图1为本发明涉及的模具的截面图；

图2为本发明涉及的下模仁的示意图；

图3为本发明涉及的模压方法的流程图；

图4为本发明涉及的放置阵列预形体的示意图；

图5为本发明涉及的放置平板预形体的示意图；

图6为本发明涉及的上模仁的示意图。

具体实施方式

特别指出的是，本发明中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

下面通过实施例对本发明技术方案作进一步的描述：

本发明提供一种带凸面的阵列透镜的模压方法，如图1所示，该模压方法所采用的模具1包括：上模仁11、下模仁12、型套13和中肉筒14，上模仁11、下模仁12和型套13都位于中肉筒14的内部，上模仁11从上往下插入型套13中，下模仁12从下往上插入型套13中，如图2所示，下模仁12的上表面具有多个凹槽120，多个凹槽120呈阵列式排列。型套13用于引导上模仁11和下模仁12的移动，并且在模压完成时，型套13与模压机的加热板接触，控制中心厚度（即上模仁11与下模仁12之间的距离）。模压的材料为多个阵列预形体2和一个平板预形体3，其中，阵列预形体2和平板预形体3都为玻璃预形体，并且阵列预形体2和平板预形体3位于上模仁11与下模仁12之间。

如图3所示，本发明涉及的模压方法包括以下步骤：

步骤1（s1）、预形体抛光，分别对多个阵列预形体2和一个平板预形体3进行抛光，降低预形体2和平板预形体3的表面粗糙度；

步骤2（s2）、预形体清洗，分别对多个阵列预形体2和平板预形体3进行清洗，去除抛光后的碎屑；

步骤3（s3）、放置阵列预形体2，如图4所示，将多个阵列预形体2分别放置在下模仁12的多个凹槽120中，其中，阵列预形体2与凹槽120的数量相等；

步骤4（s4）、放置平板预形体3，如图5所示，将平板预形体3放置在多个阵列预形体2上；

步骤5（s5）、抽真空，请继续参考图1，组装模具1，并将模具1放入模压机进行抽真空；

步骤6（s6）、加热，对模具1进行加热，使得温度达到玻璃的退火点（tg点）；

步骤7（s7）、施压，利用上模仁11和下模仁12对阵列预形体2和平板预形体3施加压力，完成阵列预形体2与平板预形体3的熔接，使阵列透镜成型；

步骤8（s8）、冷却，对阵列透镜进行降温冷却；

步骤9（s9）、卸料，从模具1中取出阵列透镜。

本发明通过在模压过程中设置两种不同的玻璃预形体（阵列预形体和平板预形体），使得阵列透镜可以一次性模压成型，不必通过刀具进行加工，大大提高效率，并有效地降低了成本。此外，阵列预形体形状、尺寸统一，并且与平板预形体的位置相对固定，因此可以避免成型后的阵列透镜中存在气泡，提高产品成像质量的稳定性。

在传统的阵列透镜模压方法中，由于只需要形成凹面，模仁上设置的是凸台（非凹槽），不存在排出空气的问题，因此对模仁与预形体之间的贴合程度要求不高；而在本发明中，为了避免凹槽中的空气无法排出，因而需要保证阵列预形体与凹槽之间具有较好的贴合程度。

在本发明中，通过步骤1的抛光工艺，可以降低预形体的表面粗糙度，使其与模仁之间的贴合度更好，从而避免空气的残留，提高产品质量。此外，步骤2中的清洗工艺则是与抛光工艺配合，取出其产生的碎屑，以免影响后续的操作。

具体地，在步骤1中，阵列预形体2和平板预形体3抛光后表面粗糙度为10nm以内。上述表面粗糙度可以满足预形体与模仁之间的贴合度要求，从而满足阵列透镜的成像质量要求。

具体地，在步骤2中，分别对阵列预形体2和平板预形体3进行超声波清洗。利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用能够对预形体表面的碎屑进行彻底的清洗。

具体地，在步骤6中，先在玻璃的退火点以下进行预热，然后再将温度上升至玻璃的退火点。上述加热方式为阶段式上升，与直接加热到位对比，阶段式上升的压强可以阵列透镜的受热更加平缓，温度梯度少，由温度产生的应力小。其中，在预热过程中，预形体只受到自重或者轻微的压力。更具体地，预热温度为玻璃的退火点的0.6~0.8倍，预热时间为180~220s，优选为200s。如：若退火点（退火温度）为500℃，则预热温度为300℃-400℃。

具体地，在步骤7中，继续加热，在温度上升至玻璃的退火点以后并且在温度上升至玻璃的软化点（ts点）以前，对阵列预形体2和平板预形体3施加逐步递增的压力，在温度达到玻璃的软化点时完成阵列预形体2与平板预形体3的熔接。与瞬间加压的方式相比，逐步加压的方式可以使阵列预形体2与平板预形体3的熔接程度更好，提高产品质量。更具体地，压力逐步递增的时间为10s，从压力为0mpa开始增压，压力每0.2s增加0.010~0.014mpa（阶梯式递增），压力的峰值为0.5~0.7mpa。

具体地，在步骤8中，先停止加热进行正常冷却（即自然冷却），待温度降低至玻璃的退火点以下以后，再冲入氮气或者将模具1移动到有水冷板的平台上进行快速冷却。在温度降低至玻璃的退火点以下以后再进行快速冷却，可以避免阵列透镜的应力过大而造成产品尺寸和形状的改变，保证产品的成型质量。其中，正常冷却是指机器关闭加热，或者移动到没有加热功能的平台上自动降温。更具体地，正常冷却的时间为350~450s，优选为400s以上。冲入氮气进行快速冷却的时间为180~220s，优选为200s以上；将模具1移动到有水冷板的平台上进行快速冷却的时间为80~120s，优选为100s以上。

具体地，上模仁11和下模仁12都由钨钢材料形成，并且上模仁11的下表面和下模仁12的上表面都镀有类金刚石涂层（dlc涂层）。其中，类金刚石涂层的厚度为1μm以内。钨钢材料的硬度较大，可以承受较大的压力，不易变形，保证阵列透镜成型的形状和尺寸符合要求。类金刚石涂层可以避免模仁与阵列透镜之间因为温度过高而产生粘结的情况，二者更容易分离。

具体地，如图6所示，在本实施例中，上模仁11的下表面具有多个凸台110，多个凸台110呈阵列式排列。阵列透镜成型后，一面为阵列式的凹面，另一面为阵列式的凸面。

在其他实施方式中，上模仁11的下表面也可以具有多个凹槽，在步骤4中，还包括：将多个阵列预形体2放置在平板预形体3上。其中，阵列预形体2的数量等于上模仁11与下模仁12的凹槽数量之和。阵列透镜成型后，两面都为阵列式的凸面，即双凸的阵列透镜。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

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