流体透镜及其制造方法

在球形玻璃容器中盛上透明液体，该球体可以放大、聚光。经发明人对这一现象进一步观察研究与试验应用，得出：在除平面以外的、凡具有任意曲率半径的几何体内（如球表面和椭球面、抛物面、双曲面、圆柱面、复曲面等非球表面，或其截得部分，或其截得部分的组合体），充入无或有，并具有一定折射率、光学均匀性等光学性能的透明的各种液体、溶液、胶体、以及某些具有相当密度等性能的气（汽）体等流体，那么当光线通过该几何体时都可获得成象、放大、聚光等效果。在一定条件下，都能显示出现有正负透镜所具有的一切功能。

本发明，作为上述这一现象的应用之一，它提出了一种以流体为折光材料制造透镜的新工艺、新方法，即：根据生产使用的需要所提出的技术要求，用具有一定光学要求的透明材料制成具有符合技术要求的不同曲率半径的透镜壳体，将具有一定光学要求的流体充入其中，制造成符合各种技术要求的、各种规格的凸凹透镜。该发明的显著特点是：工艺大大减化、易于制造、成本经济、避免了使用大量的价格昂贵的光学玻璃等材料。特别是在生产制造大直径和特大直径的透镜和非球面透镜以及阵列式透镜等时，该特点得到了充分体现。目前国内外用现有生产材料、设备和工艺来制造大直径、特大直径透镜被认为是具有相当难度的。而应用本发明则较易获得。例如用本发明提出的制造方法制造的一个φ2700mm的双凸球面透镜，尽管其直径相当大，但还是比较容易地制成了，尽管其精度要求尚欠理想，但在其焦点（焦平面）上获得了1700度左右的温度，其放大等效果也令人相当满意。这就说明，流体透镜有着广阔的应用前景，它将为太阳能利用、 太空天体观察、熔化、焊接、高温精密冶炼以及各种以透镜为光学元器件的各种仪器、装置的应用，提供了一条新的途径。同时，该发明还较好克服了当前在生产透镜中工艺繁多、生产成本高、大直径透镜以及非球面透镜制造不易等诸多不足。

下面，以具有不同曲率r1、r2的双凸透镜为例，结合图1与图2，说明本发明的构造及其主要制造方法。透镜的主要结构是：由具有一定厚度H的外表壳体1、9、10（见图1、图2），与充入其中的具有一定光学要求的流体2构成。在壳体的外缘部有一注入孔3、8以及其上的密封塞4。透镜的主要制造方法与工艺流程是：第一步是模具制作。它根据使用需要所提出的技术要求，设计制作符合该技术要求的具有不同曲率r1r2等参数的模具，然后对模具进行检验、精细修磨使其达到一定精度的技术要求;第二步是壳体成型。根据透镜的用途、技术要求、几何形状及尺寸大小和壳体所用材料的性质，透镜的壳体可采取吹制、浇铸、模压、注射等不同方法制造。然后根据技术参数进行检测、精细修磨，使其达到技术要求的精度;第三步是充入流体组合成品。根据壳体材料光学特性及其厚度H等因素，注入与之光学特性相匹配的流体。然后进行密封组合紧固，最后根据技术要求经各种光学特性测试、检验合格，完成成品。

以上是对流体透镜构造与主要制造方法总体性的说明。由于壳体构造的不同，具体分以下三种情况：

1、整体式壳体透镜（见图1）：该透镜主要构造特征是壳体为一具有一定壁厚H的密闭整体（见图1中的壳体1），其外缘部有注入孔3，它具有一定的孔径d，以及装置在其上的起密封作用的密封塞4。壳体1的曲率r1、r2可相同亦可不同，可为球面亦可为非球表面等。设定该壳体是以硅酸盐类透明玻璃为材料，主要制造方法是：首先根据透镜的技术要求及有关参数，设计制出模具，并对模具进行检验、精细修磨使其达到一定工艺要求。第二步将熔化状的玻璃在模具中吹制并退火成型，对成型壳体进行校验、精细修磨，使其符合技术要求。吹制中，要保持其厚度H有一定均匀性等。该壳体的厚度H与壳体的制造材料、几何形状与尺寸、以及与充入其中流体的光学特性相匹配等有关。第三步将流体由注入孔3充满壳体并密封，再进行一系列的各种光学性能等检测，合格完成成品。整体式壳体透镜显著的特点是制造方法简单、 经济，特别是直径不大的透镜，若采用一定的光学塑料来制壳体，并应用注射、模压代替现行传统工艺的研磨抛光等，更显其工艺简便、成本低廉。

2、分体式壳体透镜（见图2）：该透镜主要构造特征是壳体分为两半个，这两半个壳体9、10，它们具有相同或不同的曲率半径r1、r2，它们可以是球表面或非球表面，也可以是由它们的截得体组合而成，见图2。为防止流体外漏，其间有胶性密闭圈5填充，该圈根据充入流体方式的不同，其上可设注入孔8，也可不设。为使两半个壳体有效紧密结合为一体，其周边设有紧固环6。当分体式壳体透镜的直径较大或曲率较小时，为便于两半个壳体的紧固组合，宜分别在两半个壳体的周边设置凸缘部分7。当分体式壳体透镜的直径不大或使用另有要求时，该两半个壳体双方接触部分磨平后也可经粘合而成。其间设有注入孔与密封装置。设定该两半个壳体是以硅酸盐类透明玻璃为材料，主要制造方法是：首先根据透镜的用途和技术要求，制作模具。模子分成两半个，分别按照技术要求所提供的各自的曲率r1、r2等参数分别制作。制成后对该两半个模具按照技术要求先分别进行校验后再进行整体检验、精修，使其符合一定技术要求。第二步是将熔化状态的玻璃在模子中浇铸成型并退火定型，或者预加热玻璃材料至一定温度时在模中压制成型并进行退火处理。然后对两半个成型壳体分别按照各自的曲率等技术要求进行检验、整体检验、精修，使其达到技术要求。该两半个壳体各自的厚度H1、H2，与壳体所选用的折光材料、几何尺寸、曲率大小、以及与充入其中流体的光学特性相匹配等因素有关。两半个壳体应尽量选取相同的折光材料和相同的厚度。第三步是将两半个壳体用紧固环6组合紧固。为防止流体外漏，两者间有胶性密闭圈5填充。若采用无注入孔的密闭圈5时，将流体用注射器以一定的倾斜角度穿刺过密闭圈5，充满已紧固的壳体。若采用设有孔径为d的注入孔8的密闭圈5时，将流体经注入孔8充满壳体后，用密封塞4（见图1）旋紧。最后经进行各种测试检验合格，完成成品。分体式壳体透镜与现有透镜相比，显著的特点是可以相当便宜地生产大直径或特大直径透镜，其工艺及生产设备等均相当简化。特别是用来制造以聚焦获取太阳能以及放大作用等精度等级要求并不十分高的特大直 径的透镜，更显相当便宜。

3、软体式壳体透镜：该透镜主要构造特征是既可以采用前述与整体式壳体透镜相同或相似的构造，也可以采用与分体式壳体透镜相同或相似的构造。其共同突出特点是：软体式壳体透镜的壳体柔软可弯曲卷折，用时注入流体，不用时排出流体，不占空间，简化包装，运输方便;其另外一个突出特点是可以十分便宜经济地大量生产大直径、特大直径的透镜，某些功能可与菲涅耳透镜媲美;它的第三个突出特点是当制造直径为几米甚至更大的透镜时，它可采取整体设计，分段、分块或分片制造，最后拼装组合使用。它可广泛应用于军事、野外作业等方面，以方便获取太阳能等。软体式壳体透镜主要制造方法是：首先根据使用需要所提出的技术要求，制作模具，并对其进行校验修磨使其达到一定的工艺技术要求;第二步是将具有一定光学要求的透明柔软塑料或其它光学塑料在模型中经模压、注射等方法成型，并进一步检验;第三步是注入流体、检验合格成品。下面，简要提出两种软体式壳体透镜的制造方法。A、医用人造晶状体（亦即透镜直径极小为几个毫米）：采取与前述整体式壳体透镜相似的结构，选用适合人体生理功能的无毒、无副作用，并具有相当强度的透明柔软薄膜经特制成型后，注入具有一定性能的胶体，即可成为人造晶状体。这一过程是在施行眼科手术过程中完成的。B、特大直径太阳光聚焦集热透镜（亦即透镜直径特大为几米甚至更大）：采用相同或类似前述的整体式壳体透镜或分体式壳体透镜的结构，选用高强度高张力的透明柔软塑料，结粘合、模压定型、检验等工序，注入与其相匹配的透明液体或某些气（汽）体，即可成为技术所要求的聚光透镜。当该透镜直径相当大，给粘合、模压定型等造成一定难度时，则可将整体设计的透镜采用化大为小的方法，将其分割成若干片、块，应用单元积木式的方法来分别制造。最后经拼装、组合、固定以及校验、检测等工序，相当容易地获得特大直径的透镜。它的突出特点是可十分便宜地获得特大直径的透镜，工艺相当简单，但由于精度上受到一定的局限，因此对用于光学精度要求不十分高的太阳能聚焦集热等方面，不失为一种经济的选择。