CN102508324A - 一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法及其装置，其方法包括以下步骤：准备一块表面涂覆有待固化的透明可塑性材料的待成型透明平板；采用压力板对待成型透明平板未被压印过的表面进行压印以形成菲涅尔透镜阵列；判断待成型透明平板的表面是否完全覆盖有菲涅尔透镜阵列；对表面全部都已压印有菲涅尔透镜阵列的待成型透明平板进行固化处理。应用上述方法的加工装置包括涂覆装置、压力板、固化装置与传递工作台，还包括控制系统、机动臂与清洗装置。本发明采用玻璃材料制作一体化的大面积菲涅尔透镜阵列，满足了户外使用的高耐候性要求，生产出的菲涅尔透镜阵列具有寿命长，制作成本低，加工简单方便，实用性的特点。

Description

一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学元件制造领域，尤其是一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法及其装置。

背景技术

菲涅尔透镜是表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆的薄片，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，菲涅尔透镜的厚度随用途而变，多在1mm左右。菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多，相比传统的球面透镜，菲涅尔透镜的设计容许大幅度地削减透镜厚度(以及重量与体积)，但是付出的代价是成像质量会下降，所以它一般用在对成像质量要求不太苛刻或无法使用一般透镜的地方，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器和交通信号灯等。

在太阳聚光领域，菲涅尔透镜是聚光太阳能系统中重要的光学部件之一。在聚光太阳能系统中，菲涅尔透镜的焦点刚好落在太阳能电池芯片上，因此当透镜面垂直面向太阳时，光线将会被聚焦在电池芯片上，这样能够汇聚更多的能量，因而需要较小的电池芯片面积，大大节约了成本。为了进一步提高太阳能利用率并降低太阳能电池芯片的面积，最好的方法就是扩大菲涅尔透镜的采光面积并减小太阳能电池芯片的面积，因此出现了采用菲涅尔透镜阵列的聚光太阳能发电模组，即：采用多个菲涅尔透镜组成阵列形式以扩大菲涅尔透镜的采光面积。对于聚光太阳能发电应用来说，一般要求系统寿命不低于20年，而目前采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料虽然能够制作较大面积的菲涅尔透镜，但是由于PMMA的材料强度、硬度都不够高，耐候性不够好，在长时间使用后易产生变形，因此目前聚光太阳能发电模组中的菲涅尔透镜阵列一般采用玻璃材料来制作，以满足长时间户外使用的高耐候性要求。但是，玻璃材料的高硬度与高成型温度，使得大面积的玻璃材料菲涅尔透镜制作较为困难，因此现有技术中，大型的菲涅尔透镜阵列多采用将若干个制造好的单个菲涅尔透镜拼接而成的方法制作，而单个的小型菲涅尔透镜阵列多采用传统的研磨方式或小型模制造技术制造，显然，传统的研磨方式制作成本高，制作周期长且制作出来的菲涅尔透镜精度不够高。此外，由于菲涅尔透镜阵列中单个菲涅尔透镜的个体差异性以及装配精度等原因，使得多个菲涅尔透镜拼接而成的低成本大型菲涅尔透镜阵列的精密度降低，透光不均匀且安装成本高，实用性不强。

有鉴于此，需要一种能够直接制造低成本大型菲涅尔透镜阵列的方法和装置。

发明内容

针对上述技术的不足之处，本发明提供一种采用玻璃材料制作一体化的大面积菲涅尔透镜阵列的方法及装置，采用该方法及装置生产出的菲涅尔透镜阵列具有寿命长，制作成本较低，加工简单方便，具有很强实用性的特点，能够满足户外使用菲涅尔透镜的高耐候性要求。

为实现上述目的，本发明提供一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，包括以下步骤：

(1)准备一块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)采用压力板对所述待成型透明平板未被压印过的表面进行压印以形成菲涅尔透镜阵列；

(3)判断所述待成型透明平板的表面是否完全覆盖有菲涅尔透镜阵列，若判断结果为是，则执行下一步骤，相反则返回执行步骤(2)；

(4)对表面全部都已压印有菲涅尔透镜阵列的所述待成型透明平板进行固化处理。

在步骤(1)还包括以下子步骤：

(1.1)将大型透明玻璃基板进行清洗；

(1.2)在大型透明玻璃基板的上表面涂一层粘结剂；

(1.3)在粘结剂层的表面涂覆一层待固化的透明可塑性材料后得到所述待成型透明平板。

在步骤(2)中，首先将多块所述压力板定位于所述待成型透明平板未被压印过的局部表面正上方按同一预定高度的不同位置设置，然后将多块所述压力板按纵向垂直方向向下运动一预定距离对所述待成型透明平板的局部表面进行压印，压印完后所述压力板返回原位。

所述压力板的底面具有能够与菲涅尔透镜锯齿表面咬合的形状。

所述压力板对待成型透明平板压印的深度不得超过透明可塑性材料层的厚度。

在步骤(3)中，若判断结果为否，则先使多块所述压力板在所述预定高度所处水平面内沿预定方位移动并定位于所述待成型透明平板未被压印过的局部表面正上方，然后返回执行步骤(2)。

所述透明可塑性材料为硅酮或者硅胶或者紫外固化胶中的一种。

本发明同时还提供一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工装置，所述加工装置包括涂覆装置、至少一块压力板、固化装置与传递工作台；涂覆装置用于在大型透明玻璃基板的上表面涂抹一层粘结剂，并在所述粘结剂层的上表面涂覆一层待固化的透明可塑性材料，以得到待成型透明平板；压力板用于对所述待成型透明平板的局部表面进行压印以形成至少一个菲涅尔透镜，在所述每块压力板的底部表面具有能够与至少一个菲涅尔透镜锯齿表面相咬合的形状；固化装置用于对表面压印成型有菲涅尔透镜阵列的所述待成型透明平板的表面进行固化处理；传递工作台用于水平放置所述待成型透明平板，使其依次经过所述涂覆装置、所述压力板下方以及所述固化装置。

所述加工装置还包括控制系统以及和所述压力板的数量相同的机动臂，所述压力板设置在所述机动臂的底部端面；所述控制系统用于提供人机交互界面，并根据预先设定的程序或根据操作员输入指令控制所述机动臂的运动；所述机动臂与控制系统相连接，每个所述机动臂用于固定一块所述压力板，并在所述控制系统的控制下带动所述压力板在水平面内和竖直方向上运动。

在所述加工装置还包括用于在涂覆装置之前清洗所述大型透明玻璃基板的清洗装置，所述清洗装置设置在所述传递工作台上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明能够采用玻璃材料制作一体化的大面积菲涅尔透镜阵列，满足了户外使用的高耐候性要求，生产出的菲涅尔透镜阵列寿命长，制作成本较低，加工简单方便，具有很强的实用性。此外，由于本发明采用一个或多个相同的模具生产出来的压力板压制菲涅尔透镜阵列，相比于现有技术，这种方案生产出来的透镜阵列的精密度更高。

附图说明

图1为本发明中加工方法部分的流程图；

图2为采用两块下表面都为一个菲涅尔透镜负模的压力板制作4×4的菲涅尔透镜阵列时每块压力板的移动路线示意图；

图3为本发明中加工装置的结构示意图；

图4为本发明加工装置的实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，包括以下步骤：

(1)准备一块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，该待成型透明平板即为待加工成型为所需菲涅尔透镜阵列的透明平板。

此步骤具体包括：(1.1)准备一块大型透明玻璃基板并对其进行清洗；(1.2)在该大型透明玻璃基板的上表面涂覆一层粘结剂；(1.3)粘结剂凝固后形成粘结剂层，在该粘结剂层的上表面涂覆一层待固化的透明可塑性材料，得到待成型透明平板。其中，步骤(1)中的大型透明玻璃基板为超白玻璃材料，该透明可塑性材料为硅酮材料。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，因此采用本发明的方法制作的大型菲涅尔透镜阵列也具有较高的耐候性。此外，也可以采用硅胶或紫外固化胶等。粘结剂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，压力板对待成型透明平板的压印深度不超过透明可塑性材料层的厚度。

(2)采用压力板对待成型透明平板未被压印过的表面进行压印以形成菲涅尔透镜阵列。

此处的每块压力板底面都具有能够和至少一个单块菲涅尔透镜锯齿表面咬合的形状，即：每块压力板的底面可以为一个菲涅尔透镜的锯齿面的负模，或者每块压力板的底面可以为多个排列为阵列形式(如4×4阵列形式)的菲涅尔透镜的锯齿面的负模。为提高菲涅尔透镜阵列的制造速度，可以设置多块压力板同时加工，具体加工时：首先将多块压力板定位于待成型透明平板未被压印过的局部表面正上方按同一预定高度的不同位置设置，然后将多块压力板按纵向垂直方向向下运动一预定距离对待成型透明平板的局部表面进行压印。显然，由于每块压力板的下表面上有若干个与单块菲涅尔透镜锯齿表面咬合的形状，且透明可塑性材料较软(处于待固化状态)，因此压力板压印待成型透明平板后大型透明平板的表面就会形成多个菲涅尔透镜的锯齿面，最后在压印完后将所有压力板恢复至原位。

(3)判断所述待成型透明平板的表面是否完全覆盖有菲涅尔透镜阵列，若判断结果为是，则执行下一步骤，相反则返回执行步骤(2)。

当采用的压力板数目大于1时，若此步骤的判断结果为“否”，则先在的预定高度所处水平面内将多块压力板沿预定方向移动并定位于待成型透明平板的未被压印过的局部表面正上方，再返回执行步骤2。

(4)对表面全部都已压印有菲涅尔透镜阵列的待成型透明平板进行固化处理。

上述方法在具体实施时，步骤(2)至步骤(3)中可以为每块压力板预先设定其每次压印操作后的移动路线，为方便说明，以下采用两块下表面都为一个菲涅尔透镜负模的压力板同时压印操作以制作4×4的菲涅尔透镜阵列进行说明。

如图2所示，其中，实心圆圈a1至a8表示第一压力板在第一至第八次压印时的中心定位点，实线箭头方向表示第一压力板在工作过程中中心定位点的移动路线，空心圆圈b1至b8表示第二压力板第一至第八次压印时的中心定位点，虚线箭头方向表示第二压力板在工作过程中中心定位点的移动路线。

在图2中，预先将第一压力板的起始位置定位于需要制作的4×4的菲涅尔透镜阵列的第一行第一列位置，同时设定第二压力板的起始位置为需要制作的4×4的菲涅尔透镜阵列的第四行第四列位置；在进行第一次压印结束后，使第一压力板移动到需要制作的4×4的菲涅尔透镜阵列的第一行第二列正上方位置(即：使第一压力板在每次压印后沿菲涅尔透镜阵列的行方向右移一个菲涅尔透镜的位置)再进行第二次压印，同时使第二压力板移动到需要制作的4×4的菲涅尔透镜阵列的第四行第三列正上方位置(即：使第二压力板在每次压印后沿菲涅尔透镜阵列的行方向左移一个菲涅尔透镜的位置)再进行第二次压印；依照上述方式进行第三和第四次压印后，第一压力板无法再继续沿菲涅尔透镜阵列的行方向右移，第二压力板无法再沿菲涅尔透镜阵列的行方向左移，此时使第一压力板沿菲涅尔透镜阵列的列方向下移一个菲涅尔透镜的位置后进行第五次压印，同时使第二压力板沿菲涅尔透镜阵列的列方向上移一个菲涅尔透镜的位置后进行第五次压印；随后使第一压力板在沿菲涅尔透镜阵列的行方向依次左移一个菲涅尔透镜的位置进行第六、七、八次压印，同样地，使第二压力板在沿菲涅尔透镜阵列的行方向依次右移一个菲涅尔透镜的位置进行第六、七、八次压印，最终得到了4×4的菲涅尔透镜阵列。

图2所述的压印过程只是示意性的说明使每块压力板按照预先设定的移动路线以制作菲涅尔透镜阵列的方法，显然，压力板的预定移动路线并不仅限于图2所示路线，还可以根据需要任意设定，只要能够实现本发明的目的并不脱离本发明的主旨的方法都属于本发明意图保护的范围。

如图3所示，本发明的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工装置，包括涂覆装置1、至少一块压力板3、固化装置4与传递工作台2。其中，涂覆装置1用于在大型透明玻璃基板的上表面涂抹一层粘结剂，当粘结剂凝固后形成粘结剂层后，在粘结剂层的上表面涂覆一层待固化的透明可塑性材料，以得到待成型透明平板。压力板3用于对待成型透明平板5的局部表面进行压印以形成至少一个菲涅尔透镜，在每块压力板的底部表面具有能够与菲涅尔透镜的锯齿表面相咬合的锯齿部9。压力板3的数量N为大于等于1的正整数，每块压力板3的底面具有能够和至少一个单块菲涅尔透镜锯齿表面咬合的形状，每块压力板3用于对待成型透明平板5的局部表面进行压印以形成至少一个菲涅尔透镜；压力板对所述待成型透明平板的压印深度不超过其透明可塑性材料层的厚度。固化装置4用于对表面压印成型有菲涅尔透镜阵列的待成型透明平板5的表面进行固化处理。传递工作台2用于水平放置待成型透明平板5，使待成型透明平板5依次经过涂覆装置1、压力板3下方以及固化装置4。

在本发明提供的加工装置中还包括控制系统6以及和压力板3的数量相等的机动臂7，其中，机动臂7与控制系统6连接。控制系统6用于提供人机交互界面，并根据预先设定的程序或根据操作员输入指令控制机动臂7的运动。每个机动臂7用于固定一块压力板3，并在控制系统6的控制下带动压力板3在水平面和竖直方向运动。为提高菲涅尔透镜阵列的制造速度，可以设置多块压力板3同时加工，具体加工时：多个机动臂7在控制系统6的控制下先将多块压力板3分别定位于待成型透明平板5正上方同一预定高度的不同位置，随后使所有机动臂7带动压力板3竖直向下运动一预定距离以对待成型透明平板的表面进行压印，压印完后控制所有机动臂7带动所有压力板3恢复至原位。

图3所示的加工装置可以组成一条流水线生产线，有利于大批量自动化生产。较佳地，采用的多块压力板的外形参数完全一致，即：可以采用同一模具制造这些压力板，这样不仅节省了单个压力板的制模成本，而且采用本发明实施例提供的方案也无需直接制造能够加工大面积菲涅尔透镜阵列的大面积压力板，进一步降低了生产成本。

如图4所示，在本发明提供的加工装置中还包括用于在涂覆装置1之前清洗大型透明玻璃基板的清洗装置8，该清洗装置8设置在涂覆装置1后侧。该清洗装置8可以为玻璃清洗机或玻璃清洗台等仪器设备。

本发明采用玻璃材料直接制作一体化的大面积菲涅尔透镜阵列，满足了户外使用的高耐候性要求，生产出的菲涅尔透镜阵列寿命长，制作成本较低，加工简单方便，具有很强的实用性。此外，由于本发明提供的方案中采用一个或多个相同的模具生产出来的压力板压制菲涅尔透镜阵列，相比于现有技术，这种方案生产出来的透镜阵列的精密度更高。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，包括以下步骤：

(1)准备一块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)采用压力板对所述待成型透明平板未被压印过的表面进行压印以形成菲涅尔透镜阵列；

(3)判断所述待成型透明平板的表面是否完全覆盖有菲涅尔透镜阵列，若判断结果为是，则执行下一步骤，相反则返回执行步骤(2)；

(4)对表面全部都已压印有菲涅尔透镜阵列的所述待成型透明平板进行固化处理。

2.根据权利要求1所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，其特征在于，在步骤(1)还包括以下子步骤：

(1.1)将大型透明玻璃基板进行清洗；

(1.2)在大型透明玻璃基板的上表面涂一层粘结剂；

(1.3)在粘结剂层的表面涂覆一层待固化的透明可塑性材料后得到所述待成型透明平板。

3.根据权利要求2所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，其特征在于，在步骤(2)中，首先将多块所述压力板定位于所述待成型透明平板未被压印过的局部表面正上方按同一预定高度的不同位置设置，然后将多块所述压力板按纵向垂直方向向下运动一预定距离对所述待成型透明平板的局部表面进行压印，压印完后所述压力板返回原位。

4.根据权利要求3所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，其特征在于，所述压力板的底面具有能够与菲涅尔透镜锯齿表面咬合的形状。

5.根据权利要求4所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，其特征在于，所述压力板对待成型透明平板压印的深度不得超过透明可塑性材料层的厚度。

6.根据权利要求1所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，其特征在于，在步骤(3)中，若判断结果为否，则先使多块所述压力板在所述预定高度所处水平面内沿预定方位移动并定位于所述待成型透明平板未被压印过的局部表面正上方，然后返回执行步骤(2)。

7.根据权利要求1、2或4所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工方法，其特征在于，所述透明可塑性材料为硅酮或者硅胶或者紫外固化胶中的一种。

8.一种应用权利要求1所述的方法，制造低成本大型菲涅尔透镜阵列的装置，其特征在于，所述加工装置包括涂覆装置、至少一块压力板、固化装置与传递工作台；

涂覆装置用于在大型透明玻璃基板的上表面涂抹一层粘结剂，并在所述粘结剂层的上表面涂覆一层待固化的透明可塑性材料，以得到待成型透明平板；

压力板用于对所述待成型透明平板的局部表面进行压印以形成至少一个菲涅尔透镜，在所述每块压力板的底部表面具有能够与至少一个菲涅尔透镜锯齿表面相咬合的形状；

固化装置用于对表面压印成型有菲涅尔透镜阵列的所述待成型透明平板的表面进行固化处理；

传递工作台用于水平放置所述待成型透明平板，使其依次经过所述涂覆装置、所述压力板下方以及所述固化装置。

9.根据权利要求8所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工装置，其特征在于，所述加工装置还包括控制系统以及和所述压力板的数量相同的机动臂，所述压力板设置在所述机动臂的底部端面；

所述控制系统用于提供人机交互界面，并根据预先设定的程序或根据操作员输入指令控制所述机动臂的运动；

所述机动臂与控制系统相连接，每个所述机动臂用于固定一块所述压力板，并在所述控制系统的控制下带动所述压力板在水平面内和竖直方向上运动。

10.根据权利要求8或9所述的一种低成本大型菲涅尔透镜阵列的加工装置，其特征在于，在所述加工装置还包括用于在涂覆装置之前清洗所述大型透明玻璃基板的清洗装置，所述清洗装置设置在所述传递工作台上。

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