通过获得温度的标定曲线进行模压的方法

1.本发明涉及一种光学透镜的模压方法。特别是涉及一种通过获得温度的标定曲线进行模压的方法。


背景技术：

2.玻璃模压成形技术在各个领域都有着广泛的应用。玻璃材料具有较高折射率、高抗变形性、低膨胀、高成像质量等特性，在微机电系统领域备受关注。目前针对微透镜阵列的模具设计中材料单一，无法满足针对超厚微透镜阵列模压成形技术的应用需求。
3.现有技术中的解决方案是探讨模具材料的选择对微透镜阵列模压技术的影响。目前，由于一般的微透镜阵列镜片比较薄，且微结构单元深度较浅，在传统模具设计方面可以将上模芯、下模芯面积扩大，使套筒在模压成形过程中不约束镜片侧边边缘，而是只起到控制镜片厚度的作用。，模压成形结束后对镜片进行切割，获得符合要求的镜片，因此整套模具(包括上模芯、下模芯、套筒)用单一材料。目前针对薄的单面微透镜阵列采用的是模具整体用耐热不锈钢材料(仅在上模芯、下模芯表面镀特殊材料，套筒为耐热不锈钢)，或者模具整体采用硬质合金材料等。其中，硬质合金模具由于其自身材料原因，传热快、热膨胀系数小、高温服役性能良好，但受限于目前对超硬材料的加工方法限制，硬质合金模具只能用于非球面透镜等大尺度简单光学结构的加工，对微阵列等微纳光学结构尚无超精密加工手段，无法满足较为精密的微透镜阵列模具所要求的精度要求。
4.而耐热不锈钢模具虽然可以进行微纳光学结构的精密加工，但是由于其易氧化等材料特性很难用于加工超精密模具，同时针对超厚微透镜阵列，由于镜片较厚，不适合整体切割，且阵列单元较深，微透镜阵列成形难度变大，成形条件更为苛刻。要求镜片侧边必须与套筒接触，限制镜片的x，y方向上材料流动，保证x，y方向整体尺寸的同时，促使z方向填充更加完整，保证透镜阵列形貌精度。但是，在垂直压力的作用下高温软化的玻璃材料与耐热不锈钢套筒紧密贴合，由于耐热不锈钢的热膨胀系数比玻璃的大，冷却时耐热不锈钢的收缩比玻璃大，此时冷却固化成型的镜片会被耐热不锈钢套筒挤压碎裂，因此单一耐热不锈钢材质的“型芯 套筒”的模具组合无法满足要求。
5.现有技术cn111763001a中提供的方法包括利用一种高精度玻璃模压成形用多种材料组合模具。模芯，所述模芯为两个，两个所述模芯分别为上模芯和下模芯，所述模芯包括基底和镀层，所述基底材质为耐热不锈钢，所述镀层的材质为磷化镍，所述镀层涂在所述两个所述模芯相对的一侧；内套筒，所述内套筒所用材质的热膨胀系数小于被加工的玻璃材质和所述基底所用材质的热膨胀系数，所述基底包括凸起部和限位部，所述凸起部伸入所述内套筒内且与所述内套筒的内壁在常温下留有空隙、模压温度下贴合，所述限位部用以和所述内套筒的端面接触限位；外套筒，所述外套筒的材质与所述基底的材质相同，所述外套筒同时套设于所述上模芯、所述下模芯和所述内套筒外侧，所述外套筒与所述内套筒之间留有间隙，所述限位部与所述外套筒的内壁贴合。现有技术中的方法还包括下列步骤：分别对多个阵列预形体和一个平板预形体进行抛光；分别对多个阵列预形体和平板预形体
进行清洗；将多个阵列预形体分别放置在下模仁的多个凹槽中；将平板预形体放置在多个阵列预形体上；组装模具，并将模具放入模压机进行抽真空；对模具进行加热，使得温度达到玻璃的退火点；对阵列预形体和平板预形体施加压力，使阵列透镜成型；对阵列透镜进行降温冷却；从模具中取出阵列透镜。然而现有技术中的方法是从改变模具材料或者从如何避免透镜阵列微小气泡的角度所提供的方案。采用不同的模具材料从成品的角度来看是能够获得满足需求的微透镜阵列，但是多种模具材料提高了生产成本。现有技术中没有提出如何在尽量维持主流模具材料，并且在尽量保持现有模压装置的基础上获得满足需求的微透镜阵列的技术方案。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种光学透镜的模压方法，特别是在模压过程中，根据温度变化曲线利用不同的加热条件对光学透镜的模具进行加热，在维持模具寿命、获得满足工艺要求的基础上，获得具有稳定模压质量的光学透镜。
7.本发明提供一种光学透镜的模压方法，包括：预热加热步骤：电机驱动承载透镜原料的下模具上升，通过电压给上模具加热，当温度上升到目标温度时，持续加热上模具；下模具上升，通过电压给下模具加热，当温度增加到一定程度，以此传热给透镜原料，使所述透镜原料的温度上升到玻璃的转化温度(tg)及以上；保温压合步骤：下模具电机继续驱动下模具上升，同时携带所述透镜原料位移，使所述透镜原料接触上模具，完成压制过程；冷却下料步骤：进行慢速退火处理，将成型的透镜在成型模具中进行初步退火处理，以便释放内应力；将退火的成型透镜从成型模具中取出来，放在冷却盘上被单独冷却至室温；取模步骤，将冷却后的模压成型制品从上模具和下模具中脱离出来；其中所述上模具和下模具为镀有类石墨烯涂层的硅模具，使用比例微分积分(pid)控制电压使上下模分别经过上述预热加热步骤、保温压合步骤和冷却下料步骤；对上模和下模分别进行温度探测，在温度差小于1的情况下结束温度标定程序；在温度差大于等于1的情况下，通过分别调整上下模的加热参数，分别将上下模加热到预热温度，并分别控制上下模。
8.本发明的模压方法的一个方面，其中，顶座用于固定上模具，所述顶座上还包括上模架、石英隔热定位片，观察窗、定位孔或定位柱，固定设备；底座用于固定下模具，所述包括与顶座上的定位孔或定位柱相匹配的定位柱或定位孔，石英隔热定位片，电热连接器，与上模架镜像对称的下模架，固定设备；所述上下模具中心对应的位置放置硅模芯。
9.本发明的模压方法的另一个方面，模芯的电导g与温度t符合如下关系：其中e、t0为拟合参数，c为与模芯相关的标定系数；同样，在已知模芯电导时，可得到模芯温度标定时，就是根据模芯温度，标定c值，得到电导g与温度t的对应关系公式。
10.本发明的模压方法的再一个方面，采用逐级功率升高加热方式，每个步骤的持续时间用于建立稳态条件，以获得温度和电导值(i/v)之间更可靠的相关性；基于石墨烯涂层硅模的热电特性，以观察系统的温度和电气特性的变化，例如，每5分钟增加10瓦至110瓦，然后每10分钟减少20瓦至10瓦；每个步骤的持续时间用于建立稳态条件，以获得温度和电
导值(i/v)之间更可靠的相关性；电导温度的经验公式为：温度高于400k本征硅的电阻率r与exp(eg/kt)成正比，其中eg(约1.1ev)是硅带隙，k(约8.7
×
10-5
ev/
°
k)是玻尔兹曼常数。温度t的单位为k；通过添加一个比例常数kc来匹配曲线，公式为：
11.电导值＝1/(kc
·
exp(eg/kt))＝1/kc
·
exp(12,643/(t 273))曲线偏移；通过改变带隙eg和比例常数kc，当eg＝0.52和kc＝0.0003时，曲线拟合。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创新性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1为本发明的模压成型方法中压制步骤示意图。
14.图2为本发明的模压成型方法中温度变化曲线图。
15.图3(a)-3(e)为本发明的模压成型方法中的采用逐级功率升高加热方式显示不同参数之间关系的关系图。
16.图4为本发明的模压成型方法中的温度变化预热阶段步骤示意图。
17.图5为本发明的模压成型方法中的温度变化保温压合阶段步骤示意图。
18.图6为本发明的模压成型方法中的温度变化冷却阶段中保持压合位置步骤示意图。
19.图7为本发明的模压成型方法中的温度变化至冷却阶段结束的下料阶段步骤示意图。
20.图8为本发明的模压成型方法中的温度标定步骤流程图。
21.图9为本发明的模压成型方法中温度标定步骤不同c值对应的电导温度关系图。
22.图10为本发明的模压成型方法中寿命正常的模芯计算温度曲线图。
23.图11为本发明的模压成型方法中的寿命异常的模型计算温度曲线图。
24.图12为本发明的模压成型方法中加热步骤添加系数匹配数学模型与实际值曲线的关系图。
25.图13为本发明的模压成型方法中加热步骤调节参数后的拟合曲线图。
具体实施方式
26.现结合相应的附图，对本发明的具体实施例进行描述。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为局限于此处展示的实施例。提供这些实施例只是为了本发明可以详尽和全面，从而可以将本发明的范围完全地描述给本领域的技术人员。附图中说明的实施例的详细描述中使用的措辞不应对本发明造成限制。
27.图1为本发明的模压成型方法中压制步骤示意图。加热步骤，在下模具102上放置待压玻璃制品，例如玻璃球103，能够使用的玻璃的种类没有特别的限制，能够与用途对应地选择来使用公知的玻璃。例如，举出硼硅酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸玻璃、镧系玻璃等光学玻璃。
28.电机(未示出)驱动下模具102上升，通过电压给上模具101加热，当温度上升到目标温度时，持续加热上模具101；随着上模具101和下模具102之间距离的缩小，距离的变化
会带来温度的用电压给上模具101加热，当温度上升到目标温度时，下模具102上升，用电压给下模具102加热，当温度增加到一定程度，以此传热给玻璃球103，使玻璃球103的温度上升到玻璃的转化温度(tg)及以上；压制步骤，下模具102电机继续驱动下模具102上升，同时携带玻璃球103位移，使玻璃球103接触上模具101，完成压制过程；退火冷却步骤，进行慢速退火处理，将成型的透镜在成型模具中进行初步退火处理，以便释放内应力；将退火的成型透镜从成型模具中取出来，放在冷却盘上被单独冷却至室温；取模步骤，将冷却后的模压成型制品从上模具101和下模具102中脱离出来。
29.顶座用于固定上模具(图中未示出)，顶座上还包括上模架、石英隔热定位片，观察窗、定位孔或定位柱，固定设备，例如固定螺丝等。底座用于固定下模具(图中未示出)，包括与顶座上的定位孔或定位柱相匹配的定位柱或定位孔，石英隔热定位片，电热连接器，与上模架镜像对称的下模架，固定设备，例如固定螺丝等。上下模具中心对应的位置放置硅模芯。
30.这里所述的上模具101和下模具102均为市面上普遍的单晶硅材料，当外部受到的力大于所述单晶硅材料在该温度下能承受的力，即屈服应力。屈服强度或屈服应力是材料的一种属性，是对应于材料开始塑性变形的屈服点的应力。
31.利用该制造方法制造的玻璃成形体，能够作为数码相机等摄像镜头、dvd等光拾取器透镜、光通信用的耦合透镜等各种光学元件而使用。另外，还能够作为基于再加热冲压法的各种光学元件的制造所使用的玻璃预成型件而使用。
32.图2为本发明的模压成型方法中温度变化曲线图。在本模压成型方法中，上下模的温度变化如图2所示，整体上分为三部分：预热阶段、保温压合阶段、冷却阶段。其中预热阶段是指从加温开始到温度达到预定温度，并稳定一段时间(如：40s)之后，进而进入保温压合阶段；在保温压合阶段，温度稳定保持不变，下模上升，压合原料，生成产品；冷却阶段，也可以再分为两阶段，保持压合位置阶段和下料阶段。保持压合位置阶段，保持上下模位置不变，控制上下模温度下降。下料阶段，充氮气，迅速降温，同时下模与产品下降到下料位置，准备下料及下一次上料。
33.由于基于各种测量方法，都存在某个程度的不稳定性。因此从多个途径获取温度读数是有必要的。通过加热类石墨烯镀层硅模具收集不同输入功率的温度与加热元件的电阻数据，同时获取热电偶的温度读数，以分析镀石墨烯模具的导电特性。为了获得更准确的温度读数，每个功率设置将维持300秒，希望能够在加热单元上建立等温状态，从而消除热电偶的热损失和热传导问题。
34.本发明的模压方法中的类石墨烯涂层硅模加热方法，采用逐级功率升高加热方式以观察系统的温度和电气特性的变化，例如，每5分钟增加10瓦至110瓦，然后每10分钟减少20瓦至10瓦；每个步骤的持续时间用于建立稳态条件，以获得温度和电导值(i/v)之间更可靠的相关性；最后，基于石墨烯涂层硅模的热电特性，证明了高温下本征硅电阻率特性的理论数学模型与实际值相吻合，建立了电导温度的经验公式。
35.图3(a)-3(e)为本发明的模压成型方法中的采用逐级功率升高加热方式显示不同参数之间关系的关系图。其中图3(a)为功率设置图；图3(b)为电压电流输出图；图3(c)为电压电流iv曲线图；
36.图3(d)为温度曲线的相关性图；图3(e)为通过热电偶校准的电导转换器温度曲
线。温度高于400k本征硅的电阻率r与exp(eg/kt)成正比，其中eg(约1.1ev)是硅带隙，k(约8.7
×
10-5
ev/
°
k)是玻尔兹曼常数。温度t的单位为k。通过添加一个比例常数kc来匹配曲线，公式为：
37.电导值＝1/(kc
·
exp(eg/kt))＝1/kc
·
exp(12,643/(t 273))
38.但是曲线有偏移，如图12所示。图12为本发明的模压成型方法中加热步骤添加系数匹配数学模型与实际值曲线的关系图。
39.假设硅不是本征硅或处理过程中受到污染，则带隙可能会更低。通过改变带隙eg和比例常数kc，当eg＝0.52和kc＝0.0003时，曲线拟合，如图13所示。图13为本发明的模压成型方法中加热步骤调节参数后的拟合曲线图。
40.图4为本发明的模压成型方法中的温度变化预热阶段步骤示意图。其中分别使用比例微分积分(pid)控制电压使上下模分别加热到预热温度。
41.图5为本发明的模压成型方法中的温度变化保温压合阶段步骤示意图。其中，承载原料玻璃球的下模被底座带动上升，逐渐与顶座上的上模接触。分别使用比例微分积分(pid)控制电压使上下模分别加热到预热温度。
42.图6为本发明的模压成型方法中的温度变化冷却阶段中保持压合位置步骤示意图。其中，底座上升到一定高度后保持位置不变，上下模分别压合原料玻璃球；分别使用比例微分积分(pid)控制电压使上下模降温。
43.图7为本发明的模压成型方法中的温度变化至冷却阶段结束的下料阶段步骤示意图。其中，底座带动下模以及产品下降到下料位置，通过填充氮气的方式降温，并给上模和下模断电。
44.图8为本发明的模压成型方法中的温度标定步骤流程图。对上模和下模分别进行温度探测，在温度差小于1的情况下结束温度标定程序；在温度差大于等于1的情况下，通过分别调整上下模的加热参数，分别将上下模加热到预热温度，并分别控制上下模。
45.根据实验数据拟合可得，模芯的电导g与温度t符合如下关系：其中e、t0为拟合参数，c为与模芯相关的标定系数。
46.同样，在已知模芯电导时，可得到模芯温度
47.标定时，就是根据模芯温度，标定c值，得到电导g与温度t的对应关系公式，流程如图8所示。
48.图9为本发明的模压成型方法中温度标定步骤不同c值对应的电导温度关系图。
49.在模芯稳定工作时，电导是较为稳定的。原因是模芯的温度变化相对较为缓慢，电导也随着温度缓慢渐变，而不会出现抖动。当模芯的电导g出现抖动时，就是寿命将尽的信号。本质时模芯表面的薄膜出现磨损、破损、剥落，或表面有杂质、异物、氧化等。
50.图10为本发明的模压成型方法中寿命正常的模芯计算温度曲线图，所述模芯计算温度非检测温度，而是根据电导g计算得到的温度t。温度是缓慢变化的，且相对稳定。
51.图11为本发明的模压成型方法中的寿命异常的模型计算温度曲线图，所述寿命异常的模芯计算温度曲线同样是根据电导g计算得到的温度t。如图11所示，温度会出现抖动，本例是比较严重的示例，初期只会有个别一两个、三四个抖动，还可以继续工作一段时间，
出现如图这种频繁抖动的，就已经无法使用了。
52.本发明提供的模压方法，是通过对温度变化曲线的观察发现当温度上升到标定温度，单独加热上模、下模；再同时加热上模、下模，至例如500摄氏度；通过温度的变化曲线得到温度曲线的标定方法；此外，调节模具和模芯之间的距离，随着距离的变化会带来温度变化，通过算法拟定温度变化曲线，结合前后两项温度的变化，获得整体温度变化曲线；以便优化模压方法的工艺参数。通过模的温度控制曲线，判断模的寿命，一般能够在90％；并通过温度和温控算法对模本身进行标定，从而获得对模具、特别是硅模具的寿命进行标定。实验过程一致，获得的数据反向拟合。通过控制模的温度，获得温控最终的温度；并通过控制模的实际温度，获得稳定的模压质量和玻璃质量，从而解决现有技术的问题，即温度不稳定的情况下，模压质量不稳定，从而导致玻璃质量不稳定的问题。
53.本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。
54.以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。本发明已结合例子在上面进行了阐述。然而，在本发明公开范围以内的上述实施例以外的其它实施例也同样可行。本发明的不同的特点和步骤可以以不同于所描述的其它方法进行组合。本发明的范围仅受限于所附的权利要求书。更一般地，本领域普通技术人员可以轻易地理解此处描述的所有的参数，尺寸，材料和配置是为示范目的而实际的参数，尺寸，材料和/或配置将取决于特定应用或本发明教导所用于的应用。