一种大直径非球面透镜制备方法与流程

本发明属于光学部件
技术领域：
，涉及一种大直径非球面透镜制备方法。
背景技术：
：大直径高精度非球面透镜由于尺寸与体积巨大，不适合使用小直径透镜多工位高温模压工艺。大直径透镜模压时在巨大的模压力和转变点温度下玻璃结构松弛的作用下，透镜内部的残余应力巨大，很容易导致大直径透镜在冷却后碎裂，或者在使用过程中受到极限环境影响，导致大直径透镜开裂，这在军工、航天系统中的是非常致命的缺陷，因此必须在模压成型阶段,将大直径透镜内部残余应力降至最低，能够保证大直径透镜满足军工、航天系统的各种极限环境测试。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种大直径非球面透镜制备方法，通过相对缓慢的降温过程来完成透镜内部结构的调整，减小玻璃各部之间的结构差，释放透镜内部残余应力，使成型体非球面轮廓固定在模压阶段已完成的现状，将透镜内部的残余应力减至合理的范围，防止成型透镜在后续急冷工序因温度分布不均出现破裂。本发明的通过如下技术方案实现。一种大直径非球面透镜制备方法，包括如下步骤：（1）、制作模仁和玻璃硝材：制作大直径非球面透镜模压用模仁和玻璃硝材，模仁的模压腔内径为40～150mm，玻璃硝材的直径为30～140mm；（2）、玻璃硝材装入模仁：将玻璃硝材装入模仁，玻璃硝材的球面与模仁的非球面对应；（3）、模仁放入模压工位：将装入玻璃硝材的模仁放入模压工位的下工作面上；（4）、工位抽真空：将模压工位密闭并抽真空，真空度到6×10-1pa以下时停止抽真空，优选2×10-1～6×10-1pa时停止抽真空；（5）、工位注入氮气：向模压工位内注入氮气，气压保持在不小于0.4mpa，优选0.4～0.8mpa；（6）、升温：采用加热装置将玻璃硝材、模具、模压工位一起从常温升温到玻璃硝材屈服点温度at处，时间3～30分钟；（7）、温度均热：控制加热装置升温到玻璃硝材屈服点温度at以上20℃～50℃，且不能达到玻璃硝材的软化点温度sp，将玻璃硝材、模具、模压工位均匀加热，保持at以上20℃～50℃恒温，时间5～30分钟；（8）、模压成型：控制模压工位的上工作面下降，接触模仁，施加压力，将玻璃硝材压制成型，中心厚度至合格尺寸；（9）、退火：控制模压上工作面继续对模仁施加压力，温降至转变点温度tg以下15～35℃，压力1～30kn，保压保温10～60分钟；（10）降温：退火结束，控制模压上工作面继续对模仁施加压力，温度缓慢下降至应变点温度，应变点温度继续缓慢下降至常温，降温速率每分钟5～50℃，压力1～30kn；（11）、排出氮气：降温结束，排出模压工位内的氮气；（12）、取出模仁：打开模压工位，取出模仁；（13）、取出产品：从模仁中取出成型的非球面透镜。优选的，所述步骤（8）模压成型包括两次加压，第一次加压，采用屈服点温度at以上20℃～50℃初步成型，压力1～50kn，保持压力；二次加压，降温至转变点温度tg，压力1～50kn,保持压力，二次保压所用压力低于一次压力；时间5～30分钟。优选的，所述模仁包括上模仁、套筒、下模仁，所述上模仁和下模仁与所述套筒配合在所述套筒内形成模压腔，所述上模仁、下模仁和套筒轴线重合，所述套筒的壁厚为10～25mm，所述套筒的内径为40～150mm，所述上模仁和下模仁设有环形凸缘台阶，所述环形凸缘台阶的厚度与所述套筒的壁厚相等，所述套筒的筒壁上设有上导气孔组和下导气孔组，所述上导气孔组位于所述模压腔上方，所述下导气孔组位于所述模压腔下方，所述上模仁和下模仁上设有导气通道使所述上导气孔组和下导气孔组与所述模压腔相通。优选的，所述上导气孔组和下导气孔组各包含2～4个导气孔，所述导气孔均匀分布在所述套筒的筒壁上，所述导气孔的孔径为2～5mm。优选的，所述上模仁、下模仁和套筒采用碳化钨、碳化硅或氮化硅材料制成，所述上模仁和下模仁的模压面上镀有贵金属膜层或金刚石膜层。优选的，所述导气通道为环形凹槽台阶，所述环形凹槽台阶的厚度为0.25～1.15mm。优选的，所述玻璃硝材包括玻璃硝材本体，所述玻璃硝材本体为柱状体，该柱状体的顶面和底面的其中一个面为凸球面或凹球面，其中另一个面为凸球面、凹球面或平面，该柱状体的顶面或底面若为凸球面，则其半径r1与该凸球面模压成型后形成的非球面s1的曲率半径rs1的关系为0.98*rs1<=r1<=rs1，该柱状体的顶面或底面若为凹球面，则其半径r2与该凹球面模压成型后形成的非球面s2的曲率半径rs2的关系为rs2<=r2<=1.02*rs2，所述柱状体的直径od1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的直径od2，所述柱状体的高度h1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的高度h2，所述柱状体的直径od1的范围为30～140mm。优选的，该柱状体的顶面或底面若为凸球面，则其半径r1小于并无限接近于该凸球面模压成型后形成的非球面s1的曲率半径rs1。优选的，该柱状体的顶面或底面若为凹球面，则其半径r2大于并无限接近于该凹球面模压成型后形成的非球面s2的曲率半径rs2。优选的，所述玻璃硝材本体的体积与模压成型后的非球面透镜的体积相等。优选的，该柱状体的顶面或底面若为凸球面，则其半径r1与该凸球面模压成型后形成的非球面s1的曲率半径rs1的关系为0.99*rs1<=r1<=rs1。优选的，该柱状体的顶面或底面若为凹球面，则其半径r2与该凹球面模压成型后形成的非球面s2的曲率半径rs2的关系为rs2<=r2<=1.01*rs2。优选的，所述模压工位包括下工作面、上工作面、两端开口的石英罩，所述石英罩的底部开口与所述下工作面的顶部配合连接，所述石英罩的顶部开口于所述上工作面配合滑动连接，所述上工作面、石英罩、下工作面形成密闭的模压空间，所述模压空间用于放置模压用模仁，所述模压空间内设有加热系统。优选的，所述下工作面内设有惰性气体注入孔、抽真空孔，所述惰性气体注入孔、抽真空孔与所述模压空间相通，所述上工作面和下工作面内均设有冷却水系统和测温仪。与现有技术相比，本发明的优点是：本发明大直径透镜模压阶段结束后，玻璃硝材已经完成预定的变形，但透镜内部应力巨大，在保持一定的压力下，通过相对缓慢的降温过程来完成透镜内部结构的调整，减小玻璃各部之间的结构差，释放透镜内部残余应力，使成型体非球面轮廓固定在模压阶段已完成的现状，将透镜内部的残余应力减至合理的范围，防止成型透镜在后续急冷工序因温度分布不均出现破裂；本发明模仁，抽真空时，导气孔能够保证模腔内部空气排出顺畅，上模仁和下模仁的模压面上镀有贵金属膜层或金刚石膜层,在450～800摄氏度高温状态下不与玻璃起反应，不会发生黏连现象；本发明玻璃硝材凸球面0.98*rs1<=r1<=rs1，凹球面rs2<=r2<=1.02*rs2，使得凸球面或凹球面的顶点与上下模仁非球面的顶点接触，凸球面或凹球面的球面离顶点越远，与模仁的非球面间隙越大，模压成型过程中利于排出气体，将玻璃硝材凸面球面半径值定位为小于并无限接近于上下模仁非球面曲率半径值，玻璃硝材凹面半径值大于并无限接近于上下模仁非球面曲率半径值，贴合面更大，热传递距离最短，这样才能够热传导更快，同时玻璃硝材热模压变形量最小，将因结构的原因引起的内部应力降至最低。附图说明图1为本发明模仁的爆炸图；图2为本发明模仁的模压前状态图；图3为本发明模仁的模压后状态图；图4为本发明的实施例1的硝材球面截面结构示意图与模压成型后非球面透镜截面结构示意图；图5为本发明的实施例2的硝材球面截面结构示意图与模压成型后非球面透镜截面结构示意图；图6为本发明的实施例3的硝材球面截面结构示意图与模压成型后非球面透镜截面结构示意图；图7为本发明模压工位结构示意图；图中：1、上模仁，2、套筒，3、下模仁，4、模压腔，5、待模压硝材，6、环形凸缘台阶，7、上导气孔组，8、下导气孔组，9、导气通道，10、成型的非球面透镜，11、下工作面，12、上工作面，13、石英罩，14、模压空间，15、惰性气体注入孔，16、抽真空孔，17、冷却水系统，18、测温仪，19、红外加热系统。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。实施例1玻璃硝材的玻璃材质为k～vc89，玻璃硝材直径120mm，模压后非球面透镜直径150mm：（1）、制作模仁和玻璃硝材：制作大直径非球面透镜模压用模仁和玻璃硝材，模仁的模压腔内径为150mm，玻璃硝材直径120mm；（2）、玻璃硝材装入模仁：将玻璃硝材装入模仁，玻璃硝材的球面与模仁的非球面对应；（3）、模仁放入模压工位：将装入玻璃硝材的模仁放入模压工位的下工作面上；（4）、工位抽真空：将模压工位密闭并抽真空，真空度到真空度5×10-1pa时停止抽真空；（5）、工位注入氮气：向模压工位内注入氮气，气压保持在0.45mpa；（6）、升温：采用加热装置将玻璃硝材、模具、模压工位一起从常温升温到玻璃硝材屈服点温度at559℃处，时间30分钟；（7）、温度均热：控制加热装置升温到599℃，将玻璃硝材、模具、模压工位均匀加热，保持599℃，时间25分钟；（8）、模压成型：控制模压工位的上工作面下降，接触模仁，第一次加压，施加压力49kn，将玻璃硝材压制成型，中心厚度至合格尺寸,599℃初步成型；第二次加压，降温至tg528℃，压力30kn,保持压力，时间20±2分钟；（9）、退火：控制模压上工作面继续对模仁施加压力，温降至508℃，压力10kn，保压保温60分钟；（10）、降温：退火结束，控制模压上工作面继续对模仁施加压力5kn，温度由退火点缓慢下降至常温，降温速率每分钟10℃；（11）、排出氮气：降温结束，排出模压工位内的氮气；（12）、取出模仁：打开模压工位，取出模仁；（13）、取出产品：从模仁中取出成型的非球面透镜。如图1至图3所示，上述模仁包括上模仁（1）、套筒（2）、下模仁（3），所述上模仁（1）和下模仁（3）与所述套筒（2）配合在所述套筒（2）内形成模压腔（4），所述上模仁（1）、下模仁（3）和套筒（2）轴线重合，所述套筒（2）的壁厚为25mm，所述套筒（2）的内径为150mm，所述上模仁（1）和下模仁（3）设有环形凸缘台阶（6），所述环形凸缘台阶（6）的厚度与所述套筒（2）的壁厚相等，所述套筒（2）的筒壁上设有上导气孔组（7）和下导气孔组（8），所述上导气孔组（7）位于所述模压腔（4）上方，所述下导气孔组（8）位于所述模压腔（4）下方，所述上导气孔组（7）和下导气孔组（8）各包含4个导气孔，所述导气孔均匀分布在所述套筒（2）的筒壁上，所述导气孔的孔径为5mm，所述上模仁（1）和下模仁（3）上设有导气通道（9）使所述上导气孔组（7）和下导气孔组（8）与所述模压腔（4）相通，所述导气通道（9）为环形凹槽台阶，所述环形凹槽台阶的厚度为1mm，所述上模仁（1）、下模仁（3）和套筒（2）采用碳化钨材料制成，所述上模仁（1）和下模仁（3）的模压面上镀有金刚石膜层。如图4所示，上述玻璃硝材包括玻璃硝材本体，所述玻璃硝材本体为柱状体，该柱状体的顶面和底面都为凸球面，其半径r1与该凸球面模压成型后形成的非球面s1的曲率半径rs1的关系为0.98*rs1<=r1<=rs1，优选0.99*rs1=r1，所述柱状体的直径od1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的直径od2，所述柱状体的高度h1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的高度h2，所述柱状体的直径od1为120mm，所述玻璃硝材本体的体积与模压成型后的非球面透镜的体积相等。如图7所述，上述模压工位包括下工作面（11）、上工作面（12）、两端开口的石英罩（13），所述石英罩（13）的底部开口与所述下工作面（11）的顶部配合连接，所述石英罩（13）的顶部开口于所述上工作面（12）配合滑动连接，所述上工作面（12）、石英罩（13）、下工作面（11）形成密闭的模压空间（14），所述模压空间（14）用于放置模压用模仁，所述模压空间（14）内设有加热系统，所述加热系统为红外加热系统（19），所述下工作面（11）内设有惰性气体注入孔（15）、抽真空孔（16），所述惰性气体注入孔（15）、抽真空孔（16）与所述模压空间（14）相通，所述上工作面（12）和下工作面（11）内均设有冷却水系统（17）和测温仪（18）。实施例2玻璃硝材的玻璃材质为k～pbk40，玻璃硝材直径40mm，模压后非球面透镜直径50mm；（1）、制作模仁和玻璃硝材：制作大直径非球面透镜模压用模仁和玻璃硝材，模仁的模压腔内径为50mm，玻璃硝材直径40mm；（2）、玻璃硝材装入模仁：将玻璃硝材装入模仁，玻璃硝材的球面与模仁的非球面对应；（3）、模仁放入模压工位：将装入玻璃硝材的模仁放入模压工位的下工作面上；（4）、工位抽真空：将模压工位密闭并抽真空，真空度到真空度6×10-1pa时停止抽真空；（5）、工位注入氮气：向模压工位内注入氮气，气压保持在0.5mpa；（6）、升温：采用加热装置将玻璃硝材、模具、模压工位一起从常温升温到玻璃硝材屈服点温度at549℃处，时间10分钟；（7）、温度均热：控制加热装置升温到579℃，将玻璃硝材、模具、模压工位均匀加热，保持579℃，时间10分钟；（8）、模压成型：控制模压工位的上工作面下降，接触模仁，第一次加压，施加压力15kn，将玻璃硝材压制成型，中心厚度至合格尺寸,579℃,初步成型；第二次加压，降温至tg501℃，压力5kn,保持压力，时间10±2分钟；（9）、退火：控制模压上工作面继续对模仁施加压力，温降至481℃，压力3kn，保压保温30分钟；（10）、降温：退火结束，控制模压上工作面继续对模仁施加压力3kn，温度由退火点缓慢下降至常温，降温速率每分钟30℃；（11）、排出氮气：降温结束，排出模压工位内的氮气；（12）、取出模仁：打开模压工位，取出模仁；（13）、取出产品：从模仁中取出成型的非球面透镜。如图1至图3所示，上述模仁包括上模仁（1）、套筒（2）、下模仁（3），所述上模仁（1）和下模仁（3）与所述套筒（2）配合在所述套筒（2）内形成模压腔（4），所述上模仁（1）、下模仁（3）和套筒（2）轴线重合，所述套筒（2）的壁厚为11mm，所述套筒（2）的内径为50mm，所述上模仁（1）和下模仁（3）设有环形凸缘台阶（6），所述环形凸缘台阶（6）的厚度与所述套筒（2）的壁厚相等，所述套筒（2）的筒壁上设有上导气孔组（7）和下导气孔组（8），所述上导气孔组（7）位于所述模压腔（4）上方，所述下导气孔组（8）位于所述模压腔（4）下方，所述上导气孔组（7）和下导气孔组（8）各包含4个导气孔，所述导气孔均匀分布在所述套筒（2）的筒壁上，所述导气孔的孔径为2.2mm，所述上模仁（1）和下模仁（3）上设有导气通道（9）使所述上导气孔组（7）和下导气孔组（8）与所述模压腔（4）相通，所述导气通道（9）为环形凹槽台阶，所述环形凹槽台阶的厚度为1mm，所述上模仁（1）、下模仁（3）和套筒（2）采用碳化钨材料制成，所述上模仁（1）和下模仁（3）的模压面上镀有贵金属膜层。如图5所示，上述玻璃硝材包括玻璃硝材本体，所述玻璃硝材本体为柱状体，该柱状体的顶面和底面都为凹球面，其半径r2与该凹球面模压成型后形成的非球面s2的曲率半径rs2的关系为rs2<=r2<=1.02*rs2，优选0.99*rs2=r2，所述柱状体的直径od1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的直径od2，所述柱状体的高度h1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的高度h2，所述柱状体的直径od1为40mm，所述玻璃硝材本体的体积与模压成型后的非球面透镜的体积相等。如图7所述，上述模压工位包括下工作面（11）、上工作面（12）、两端开口的石英罩（13），所述石英罩（13）的底部开口与所述下工作面（11）的顶部配合连接，所述石英罩（13）的顶部开口于所述上工作面（12）配合滑动连接，所述上工作面（12）、石英罩（13）、下工作面（11）形成密闭的模压空间（14），所述模压空间（14）用于放置模压用模仁，所述模压空间（14）内设有加热系统，所述加热系统为红外加热系统（19），所述下工作面（11）内设有惰性气体注入孔（15）、抽真空孔（16），所述惰性气体注入孔（15）、抽真空孔（16）与所述模压空间（14）相通，所述上工作面（12）和下工作面（11）内均设有冷却水系统（17）和测温仪（18）。实施例3玻璃硝材的玻璃材质为d～zk3，玻璃硝材直径70mm，模压后非球面透镜直径80mm：（1）、制作模仁和玻璃硝材：制作大直径非球面透镜模压用模仁和玻璃硝材，模仁的模压腔内径为80mm，玻璃硝材直径70mm；（2）、玻璃硝材装入模仁：将玻璃硝材装入模仁，玻璃硝材的球面与模仁的非球面对应；（3）、模仁放入模压工位：将装入玻璃硝材的模仁放入模压工位的下工作面上；（4）、工位抽真空：将模压工位密闭并抽真空，真空度到真空度6×10-1pa时停止抽真空；（5）、工位注入氮气：向模压工位内注入氮气，气压保持在0.5mpa；（6）、升温：采用加热装置将玻璃硝材、模具、模压工位一起从常温升温到玻璃硝材屈服点温度at546℃处，时间20分钟；（7）、温度均热：控制加热装置升温到576℃，将玻璃硝材、模具、模压工位均匀加热，保持576℃，时间30分钟；（8）、模压成型：控制模压工位的上工作面下降，接触模仁，第一次加压，施加压力25kn，将玻璃硝材压制成型，中心厚度至合格尺寸,576℃,初步成型,时间20分钟；第二次加压，降温至tg511℃，压力20kn,保持压力，时间15±2分钟；（9）、退火：控制模压上工作面继续对模仁施加压力，温降至491℃，压力10kn，保压保温40分钟；（10）、降温：退火结束，控制模压上工作面继续对模仁施加压力5kn，温度由退火点缓慢下降至常温，降温速率每分钟20℃；（11）、排出氮气：降温结束，排出模压工位内的氮气；（12）、取出模仁：打开模压工位，取出模仁；（13）、取出产品：从模仁中取出成型的非球面透镜。如图1至图3所示，上述模仁包括上模仁（1）、套筒（2）、下模仁（3），所述上模仁（1）和下模仁（3）与所述套筒（2）配合在所述套筒（2）内形成模压腔（4），所述上模仁（1）、下模仁（3）和套筒（2）轴线重合，所述套筒（2）的壁厚为16mm，所述套筒（2）的内径为80mm，所述上模仁（1）和下模仁（3）设有环形凸缘台阶（6），所述环形凸缘台阶（6）的厚度与所述套筒（2）的壁厚相等，所述套筒（2）的筒壁上设有上导气孔组（7）和下导气孔组（8），所述上导气孔组（7）位于所述模压腔（4）上方，所述下导气孔组（8）位于所述模压腔（4）下方，所述上导气孔组（7）和下导气孔组（8）各包含4个导气孔，所述导气孔均匀分布在所述套筒（2）的筒壁上，所述导气孔的孔径为3.5mm，所述上模仁（1）和下模仁（3）上设有导气通道（9）使所述上导气孔组（7）和下导气孔组（8）与所述模压腔（4）相通，所述导气通道（9）为环形凹槽台阶，所述环形凹槽台阶的厚度为1mm，所述上模仁（1）、下模仁（3）和套筒（2）采用碳化钨材料制成，所述上模仁（1）和下模仁（3）的模压面上镀有贵金属膜层。如图6所示，上述玻璃硝材包括玻璃硝材本体，所述玻璃硝材本体为柱状体，该柱状体的顶面为凹球面，其半径r2与该凹球面模压成型后形成的非球面s2的曲率半径rs2的关系为rs2<=r2<=1.02*rs2，优选0.99*rs2=r2，该柱状体的底面为凸球面，其半径r1与该凸球面模压成型后形成的非球面s1的曲率半径rs1的关系为0.98*rs1<=r1<=rs1，优选0.99*rs1=r1,所述柱状体的直径od1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的直径od2，所述柱状体的高度h1小于该柱状体成型后形成的非球面透镜的高度h2，所述柱状体的直径od1为70mm，所述玻璃硝材本体的体积与模压成型后的非球面透镜的体积相等。如图7所述，上述模压工位包括下工作面（11）、上工作面（12）、两端开口的石英罩（13），所述石英罩（13）的底部开口与所述下工作面（11）的顶部配合连接，所述石英罩（13）的顶部开口于所述上工作面（12）配合滑动连接，所述上工作面（12）、石英罩（13）、下工作面（11）形成密闭的模压空间（14），所述模压空间（14）用于放置模压用模仁，所述模压空间（14）内设有加热系统，所述加热系统为红外加热系统（19），所述下工作面（11）内设有惰性气体注入孔（15）、抽真空孔（16），所述惰性气体注入孔（15）、抽真空孔（16）与所述模压空间（14）相通，所述上工作面（12）和下工作面（11）内均设有冷却水系统（17）和测温仪（18）。申请人统计了不同材质大直径非球面透镜使用普通的透镜研磨抛光冷加工工艺制成的尺寸精度范围及合格率，如下：范例材质加工工艺外径面形合格率od80mm非球面透镜h～zk3研磨抛光冷加工φ80±0.05≤1μm≤60%od50mm非球面透镜h～zf6研磨抛光冷加工φ50±0.03≤0.5μm≤70%od150mm非球面透镜h～k9l研磨抛光冷加工φ150±0.10≤1.5μm≤50%申请人对实施例1-3每组10只不同材质大直径非球面透镜模压成型加工，并使用游标卡尺及英国泰勒霍普生轮廓测量仪对外径及面形进行检查,尺寸精度范围及合格率，如下：范例材质加工工艺外径面形合格率od80mm非球面透镜d～zk3高温模压成型φ80±0.03≤0.5μm100%od50mm非球面透镜k～pbk40高温模压成型φ50±0.01≤0.3μm100%od150mm非球面透镜k～vc89高温模压成型φ150±0.03≤0.8μm99%根据尺寸参数对比可知，大直径非球面透镜高温模压成型加工工艺，尺寸精度高，合格率高，可有效地提高产品品质，大幅地降低生产成本，且工艺过程不污染环境，对作业人员无任何危害，是大直径非球面透镜最佳生产方式。以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。当前第1页12