專利名稱:光學(xué)元件的成形方法和光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及把玻璃作為原料將光學(xué)元件進(jìn)行成形的光學(xué)元件成形方法和由此成形的光學(xué)元件。
背景技術(shù):
在光學(xué)元件成形用中使用的玻璃,一般在約大于或等于玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg兩倍的溫度下,其成為熔化并由重力而能滴下程度的粘度。例如玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是500℃的光學(xué)用玻璃,大體在Tg×2.0,即大于或等于1000℃時(shí)能以熔化狀態(tài)從噴嘴等把玻璃滴下。在該熔化的溫度區(qū)域,玻璃能自由變形,若把其投入到成形光學(xué)元件的成形模中,則僅此就能大致復(fù)制模具形狀,例如在專利文獻(xiàn)1等中就詳細(xì)敘述了這種光學(xué)元件的液滴成形法。
專利文獻(xiàn)1特公平4-16414號(hào)公報(bào)但在專利文獻(xiàn)1公開(kāi)的液滴成形法中,成形模的特別是復(fù)制光學(xué)面的被非常高精度且光滑加工的光學(xué)復(fù)制面,由于接觸非常高溫的熔化玻璃,所以容易與大氣的氧結(jié)合而表面粗糙度惡化,有模具壽命非常短的問(wèn)題。例如,使用超硬的模具材料時(shí),由數(shù)千次的注料成形而模具的光學(xué)面變粗糙,需要更換,因此把成形機(jī)停止,為了調(diào)整新安裝的模具就需要時(shí)間等,使成形機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率明顯降低,使光學(xué)元件的生產(chǎn)性降低。而且超硬等的模具材料其硬度非常高,在此,加工高精度的光學(xué)復(fù)制面其效率非常低,且需要時(shí)間和勞力,容易消耗的利用高成本制作的成形模的該液滴成形法,對(duì)生產(chǎn)低成本玻璃光學(xué)元件來(lái)說(shuō)不能說(shuō)是最適合的。
現(xiàn)在被提案的方法是被叫做再加熱成形法的成形方法,且被實(shí)用化,其把室溫的玻璃投入到成形模的內(nèi)腔中,把成形模與玻璃同時(shí)加熱,在成形模內(nèi)的玻璃軟化的時(shí)刻進(jìn)行壓制成形,在壓制成形完了的時(shí)刻把成形模和玻璃同時(shí)冷卻,在玻璃固化了的時(shí)刻把成形了的玻璃光學(xué)元件取出來(lái)。該方式在把玻璃加熱時(shí)和冷卻固化時(shí)都占有成形模,而且需要把與玻璃相比熱容量特別大的成形模一個(gè)一個(gè)地加熱并冷卻,為了把導(dǎo)熱不好的玻璃均勻加熱,就必須以一定的加熱溫度保持成形模,這是在熱效率上和成形模的利用效率上都不利的成形法,因此,其成形生產(chǎn)節(jié)拍非常長(zhǎng),不適合大量生產(chǎn)。
因此,現(xiàn)有的再加熱成形法是采用一次成形而成形多個(gè)光學(xué)元件(也叫做多腔),或準(zhǔn)備多個(gè)成形模而一邊把其順序在加熱爐、壓制爐、冷卻爐中移動(dòng)一邊連續(xù)進(jìn)行成形的方法,但這都是把每個(gè)成形模從外部加熱玻璃,所以在原理上成形模的溫度要比玻璃的溫度高,因此,玻璃容易粘付在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,可以說(shuō)是運(yùn)轉(zhuǎn)率和可靠性低的效率不高成形處理。而且成形模的移動(dòng)方式是把具有相對(duì)光學(xué)復(fù)制面的一對(duì)模具零件一邊設(shè)置成偏心精度良好,一邊還能用于進(jìn)行壓制動(dòng)作地順利滑動(dòng)地來(lái)實(shí)現(xiàn)零件嵌合的公差,這是相互矛盾的,可以說(shuō)其結(jié)果是兼顧確保成形模的高可靠性和高精度玻璃光學(xué)元件的成形,是非常困難的。
現(xiàn)有的實(shí)際狀況是,代替這些成形方法而縮短成形模的占有時(shí)間能高速成形,且能以高可靠性和收獲率成形高精度玻璃光學(xué)元件的成形方法還沒(méi)有出現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于該現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的,其目的在于提供一種能縮短成形生產(chǎn)節(jié)拍,且能以高可靠性和收獲率成形高精度玻璃光學(xué)元件的光學(xué)元件的成形方法以及光學(xué)元件。
至少達(dá)到這些目的之一的反映本發(fā)明方面的光學(xué)元件成形方法,是通過(guò)使用成形模把玻璃的玻璃材料進(jìn)行壓制而進(jìn)行光學(xué)元件成形的成形方法,其包括在成形模的內(nèi)腔外把玻璃材料加熱軟化的工序;加熱所述成形模的工序;把所述玻璃材料投入到所述成形模內(nèi)腔中并使用所述成形模進(jìn)行壓制的工序,向所述成形模投入時(shí)的所述玻璃材料的溫度,是在對(duì)其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是Tg×1.60~Tg×1.85℃的范圍,且把所述玻璃材料投入時(shí)的所述成形模的溫度,是在所述玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg+50)~(Tg-70)℃的范圍。
圖1是表示本發(fā)明成形方法中成形溫度與現(xiàn)有成形方法中成形溫度關(guān)系的圖;圖2是把玻璃材料溫度取成縱軸、把成形生產(chǎn)節(jié)拍取成橫軸而把本發(fā)明的成形方法與現(xiàn)有技術(shù)的成形法進(jìn)行比較表示的圖;圖3是在成形模的光學(xué)復(fù)制面上附著有灰塵的狀態(tài)下實(shí)行本發(fā)明的成形方法時(shí),把成形模的光學(xué)復(fù)制面進(jìn)行放大表示的剖面圖;圖4是把利用再加熱法成形時(shí)成形模具的成形復(fù)制面進(jìn)行放大表示的剖面圖;圖5是把利用液滴成形法成形時(shí)成形模具的成形復(fù)制面進(jìn)行放大表示的剖面圖;圖6是表示由觀察光學(xué)元件表面而得到的干涉條紋的圖;圖7是表示由觀察光學(xué)元件表面而得到的干涉條紋的圖;圖8是表示由觀察光學(xué)元件表面而得到的干涉條紋的圖;圖9是實(shí)施本實(shí)施例光學(xué)元件成形方法的成形裝置的概略結(jié)構(gòu)圖;圖10(a)、圖10(b)是表示與成形模一起使用的環(huán)狀模具零件剖面的圖;圖11是表示對(duì)于形成有凸緣部的玻璃材料流動(dòng)方向,為了不妨礙玻璃材料的流動(dòng)而設(shè)置規(guī)定的空間并能夠進(jìn)行溢出成形的成形模概略結(jié)構(gòu)的圖;圖12是與成形模一起使用的環(huán)狀模具零件剖面圖;圖13是成形的光學(xué)元件一例的剖面圖;圖14(a)~圖14(d)是放大表示光學(xué)元件光學(xué)面例的立體圖。
具體實(shí)施例方式
上述本發(fā)明的課題通過(guò)以下項(xiàng)目的形態(tài)就能解決。
(1)光學(xué)元件成形方法,是通過(guò)使用成形模把玻璃的玻璃材料進(jìn)行壓制而進(jìn)行光學(xué)元件成形的成形方法,其包括在成形模的內(nèi)腔外把玻璃材料加熱軟化的工序、加熱所述成形模的工序和把所述玻璃材料投入到所述成形模內(nèi)腔中并使用所述成形模進(jìn)行壓制的工序,向所述成形模投入時(shí)的所述玻璃材料的溫度,是在對(duì)其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是Tg×1.60~Tg×1.85℃的范圍,且把所述玻璃材料投入時(shí)的所述成形模的溫度,是在所述玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg+50)~(Tg-70)℃的范圍。
溫度比所述光學(xué)元件用玻璃的熔化區(qū)域稍微低,相對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是Tg×1.85~Tg×1.95℃的溫度范圍,其熔化玻璃的粘度是10pois左右,被叫做結(jié)晶區(qū)域。該結(jié)晶區(qū)域是玻璃非常不穩(wěn)定,且組成物的一部分開(kāi)始結(jié)晶化的溫度。該結(jié)晶化是玻璃變白濁、產(chǎn)生微細(xì)的灰塵狀晶粒、組成物被氣化而在熔化的玻璃中產(chǎn)生氣泡或組成變化而折射率變化,所以有可能作為光學(xué)元件引起根本的質(zhì)量不良。因此,使玻璃不長(zhǎng)時(shí)間停留在該溫度區(qū)域,在保持光學(xué)元件用玻璃的品位上是非常重要的。
為了把光學(xué)元件用玻璃進(jìn)行加熱軟化而成形,必須使玻璃材料的溫度比玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg高,但如上所述,為了延長(zhǎng)成形模的壽命就要比熔化溫度低,而且為了使玻璃組成穩(wěn)定就要比結(jié)晶區(qū)域低,這是在高質(zhì)量穩(wěn)定的狀態(tài)下成形玻璃且高效率得到高精度玻璃光學(xué)元件上是重要的成形條件。這種玻璃材料溫度的上限與玻璃材料的種類無(wú)關(guān),本發(fā)明者導(dǎo)出其相對(duì)其玻璃材料的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是小于或等于Tg×1.85。
另一方面,在使用玻璃的光學(xué)元件成形之際,為了把加熱軟化的玻璃通過(guò)成形模加以壓力壓制成形而得到光學(xué)元件,就需要把玻璃強(qiáng)制按壓在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,所以玻璃原樣地貼附在成形模上,在壓制后把成形模打開(kāi)時(shí),在成形玻璃光學(xué)面的一部分附著在成形模上,使成形光學(xué)元件光學(xué)面的光學(xué)復(fù)制面上產(chǎn)生點(diǎn)狀的崩碎孔,而存在有所謂光學(xué)元件分型性的問(wèn)題。想使該玻璃粘付完全且在多次的成形次數(shù)中也穩(wěn)定地不產(chǎn)生,是非常困難的,這是現(xiàn)有玻璃制光學(xué)元件壓制成形中的大課題。因此,以前采用的方法是,每當(dāng)成形次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)時(shí)就把成形模從成形機(jī)上卸下來(lái),把成形模光學(xué)復(fù)制面上附著的玻璃,用氟化氫和過(guò)氧化氫水等在處理上需要小心地利用藥品把之進(jìn)行溶化清掃,并再次安裝到成形機(jī)上而反復(fù)使用成形模。因此,由于成形模的裝卸操作,而使成形處理中斷,成形機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率顯著下降。為了在清掃成形模的時(shí)間中也能繼續(xù)成形,就把應(yīng)該清掃的成形模卸下來(lái)而把替代成形模安裝在成形機(jī)上來(lái)進(jìn)行,這就需要準(zhǔn)備多余的成形模,而提高了成形模所需要的費(fèi)用。
在此,作為防止加熱軟化了的玻璃粘付在所接觸的對(duì)方(在此是成形模)上,即防止浸潤(rùn)在對(duì)方材料上的對(duì)策,考慮有兩個(gè)方法。一個(gè)是使對(duì)方成為難于浸潤(rùn)的材料,另一個(gè)是把對(duì)方的溫度設(shè)定成比玻璃的溫度低。這些對(duì)策可以分別單獨(dú)采用,但同時(shí)采取兩個(gè)對(duì)策則更理想。對(duì)前者的對(duì)策,由于已經(jīng)由多個(gè)申請(qǐng)?zhí)岢霭巡Aщy于浸潤(rùn)的材料作為成形模光學(xué)復(fù)制面的涂層的方案,所以在此不詳細(xì)敘述。而后者的對(duì)策,是若成形模的溫度低,則高溫的玻璃與模具表面接觸,就急速冷卻收縮固化地進(jìn)行動(dòng)作,其與玻璃成形模的接觸面向與界面平行的方向移動(dòng),所以,不浸潤(rùn)成形模的表面。作為該身邊的例,當(dāng)熔化的焊錫落在室溫的銅箔上時(shí),其是不浸潤(rùn)不沾地成為球狀滾動(dòng),但當(dāng)是落在加熱了的銅箔上時(shí),則是浸潤(rùn)擴(kuò)展,所以上述情況與此例是相同的。因此,為了使接觸的玻璃表面冷卻收縮動(dòng)作而把成形模的溫度設(shè)定成足夠低的溫度,這樣,能防止壓制成形中的粘付。本發(fā)明者銳意地進(jìn)行了如下的研究,所述小于或等于Tg×1.85℃溫度的玻璃材料,如果使成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度在低到何種程度也不粘付,并且得到以下的結(jié)論。
即成形模的光學(xué)復(fù)制面是比玻璃材料的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg超過(guò)高出50℃的高溫時(shí),1)玻璃材料的粘付可以說(shuō)是幾乎都產(chǎn)生,防止其是困難的,2)之后馬上原樣地進(jìn)行壓制成形時(shí),即使在壓制完了的時(shí)刻,玻璃材料也不完全固化,所以玻璃材料表面不穩(wěn)定,有光學(xué)面的復(fù)制性不好的問(wèn)題。
相反,在成形模的光學(xué)復(fù)制面是比玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg超過(guò)低于70℃溫度的低溫時(shí),1)玻璃材料的粘付能完全消失,2)但由于玻璃材料在壓制成形中急速固化而粘度變高,所以在達(dá)到規(guī)定的成形行程之前就不能進(jìn)行壓制了,有壓制不充分的問(wèn)題,因此,光學(xué)面的復(fù)制性顯著惡化。這時(shí),即使把壓制壓力設(shè)定成高達(dá)100N/mm2,勉強(qiáng)把高粘度的玻璃壓入模具并保持之,這時(shí)在成形的玻璃光學(xué)面上也會(huì)有放射狀的裂紋,不能成為作為制品的光學(xué)元件。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn),上述的這些見(jiàn)識(shí)幾乎是不依賴于成形光學(xué)元件體積而成立的。
作為其理由考慮是,被加熱軟化的玻璃比起大氣來(lái)其幾乎是僅通過(guò)與成形模的接觸才被冷卻,這是唯一的玻璃熱量釋放場(chǎng)所,并且由于玻璃的導(dǎo)熱率非常低,所以進(jìn)行壓制把玻璃與成形模的接觸面積增大的同時(shí),其界面的玻璃溫度急速下降而粘度上升,溫度梯度急劇,所以稍微一進(jìn)入內(nèi)部,玻璃的粘度就急劇降低,其結(jié)果是在表面形成硬的象橡膠膜那樣粘度高的表皮層,這樣,玻璃是粘付在成形模上,還是即使壓制,玻璃也不貼緊在成形模上的現(xiàn)象,就是成形模與該表皮層的界面現(xiàn)象,所以,與表皮層內(nèi)部的玻璃體積的大小不太有關(guān)系。而且成形復(fù)制性也考慮為在玻璃與成形模的光學(xué)復(fù)制面接觸時(shí)間不太長(zhǎng)的階段,即表皮層薄的狀態(tài)下,由該表面是以哪種程度貼緊在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,還是其如何保持不動(dòng)進(jìn)行固化來(lái)大致決定。
從以上發(fā)現(xiàn),把投入成形模時(shí)的玻璃材料溫度設(shè)定成是小于或等于其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg×1.85℃時(shí)的成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度,是在玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg+50)~(Tg-70)℃的范圍,是成形高精度高效率玻璃光學(xué)元件所必須的。只要該成形模的溫度范圍,就不管玻璃光學(xué)元件的大小都能可靠實(shí)現(xiàn)壓制成形,而且能防止玻璃粘付在成形模上。
如前所述,當(dāng)然看到了把玻璃材料的溫度設(shè)定成小于或等于Tg×1.85℃時(shí)的效果,但另一方面,留下了在低區(qū)域到哪種范圍能進(jìn)行恰當(dāng)成形的課題。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn),這能由成形模溫度和壓制時(shí)間來(lái)決定。即若把成形模溫度設(shè)定高,則減去玻璃與成形模的溫度差而由玻璃與成形模的接觸產(chǎn)生的冷卻固化的速度慢,所以能把玻璃材料溫度設(shè)定低。若是壓制時(shí)間短且以高速進(jìn)行壓制成形時(shí),則在玻璃固化之前壓制成形工序就能完成,所以能把玻璃材料溫度設(shè)定低。相反,若是緩慢壓制,則到壓制完成的時(shí)間長(zhǎng),所以若不把玻璃材料溫度設(shè)定高,則在壓制中玻璃就冷卻固化了,在沒(méi)到達(dá)規(guī)定的壓制行程前就不能壓制了。
因此了解到,玻璃材料溫度最低,是在成形模溫度是所述溫度范圍最高的Tg+50℃,且壓制成形時(shí)間盡可能短的情況下。實(shí)際上使用玻璃成形光學(xué)元件,調(diào)查玻璃材料溫度的最低條件時(shí),直到Tg×1.60℃都能進(jìn)行壓制成形,從這時(shí)壓制開(kāi)始到規(guī)定行程的壓制成形時(shí)間,是5秒這非常短的時(shí)間。該成形的光學(xué)元件的光學(xué)面是兩凹面,光學(xué)面的形狀精度與壓制成形時(shí)間更長(zhǎng)的其他成形條件的情況相比毫不遜色。
即了解到,通過(guò)把玻璃材料溫度對(duì)于其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg設(shè)定成大于或等于Tg×1.60℃且小于或等于Tg×1.85℃,把成形模的光學(xué)復(fù)制面溫度設(shè)定成(Tg+50)~(Tg-70)℃,就能抑制玻璃粘付模具,能實(shí)現(xiàn)以非常高速進(jìn)行高精度玻璃制光學(xué)元件的成形。而且投入所述成形模時(shí)的玻璃材料溫度,對(duì)于其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是在Tg×1.70~Tg×1.85℃的范圍,且投入所述玻璃材料時(shí)的成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度,是在所述玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg~(Tg-30)℃的范圍,則更理想。
(2)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)項(xiàng)中,把加熱軟化的所述玻璃材料向所述成形模的內(nèi)腔投入配置之后,在3秒以內(nèi)開(kāi)始進(jìn)行壓制。
本成形方法,是把加熱軟化的玻璃投入到比它溫度低的成形模后,使其一邊被壓制成形一邊冷卻固化,而高速高穩(wěn)定成形高精度光學(xué)元件的方法,如前所述,在把加熱軟化的玻璃投入到成形模的同時(shí),冷卻固化就開(kāi)始了,所以,馬上開(kāi)始?jí)褐剖侵匾摹,F(xiàn)有的液滴成形法等若不把滴下投入到成形模中的玻璃放置5秒左右時(shí)間冷卻而使表皮層的厚度充分成長(zhǎng),則就是由于處理空氣和灰塵的混入而變粗糙的成形模的光學(xué)復(fù)制面原樣通過(guò)壓制壓力進(jìn)行成形復(fù)制,所以不能開(kāi)始?jí)褐?。因此成形時(shí)間是接近20秒,不能實(shí)現(xiàn)小于或等于15秒的成形生產(chǎn)節(jié)拍。
相反,根據(jù)本成形方法,是把光學(xué)復(fù)制面的光學(xué)面形狀和表面粗糙度忠實(shí)地進(jìn)行成形復(fù)制,所以可以說(shuō)最好莫如把玻璃投入到成形模后,在粘度低時(shí)就馬上開(kāi)始?jí)褐?。而且本發(fā)明成形方法的玻璃材料溫度條件,由于比熔化溫度低得多,所以玻璃材料與成形模接觸的部分是急速冷卻而用約5秒固化,所以,為了把壓制成形可靠完成,也是最好把加熱軟化的玻璃投入成形模后,至少在3秒以內(nèi)開(kāi)始?jí)褐啤Kf(shuō)的“壓制開(kāi)始”,是指投入到內(nèi)腔內(nèi)的玻璃材料通過(guò)成形模而開(kāi)始按壓的時(shí)刻。
(3)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)項(xiàng)中,所述成形模具有壓制所述玻璃材料的一對(duì)模具部件,從壓制開(kāi)始到規(guī)定行程這完成壓制的時(shí)間(壓制時(shí)間),是在15秒以內(nèi)。
根據(jù)本成形方法,通過(guò)把壓制時(shí)間設(shè)定在小于或等于15秒,能把高精度的玻璃制光學(xué)元件穩(wěn)定成形。
(4)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(3)任一項(xiàng)成形方法中,在從壓制開(kāi)始至少3秒后,把所述成形模的平均壓制壓力調(diào)整到小于或等于80N/mm2。
為了在壓制工序中成形的光學(xué)元件的光學(xué)面上沒(méi)有裂紋,在玻璃被冷卻固化而粘度急劇變高的壓制工序的后一半,最好把平均壓制壓力(用透鏡面積除壓制壓力)設(shè)定成小于或等于80N/mm2。通過(guò)把平均壓制壓力設(shè)定成小于或等于80N/mm2,就能抑制壓縮應(yīng)力殘留在玻璃中保持不變固化,能防止把成形的光學(xué)元件從成形模取出時(shí),玻璃內(nèi)部的壓縮應(yīng)力成為膨脹力,而使拉伸應(yīng)力在玻璃表面起作用以產(chǎn)生所述的裂紋。該壓縮應(yīng)力的程度更加厲害時(shí),有時(shí)還產(chǎn)生成形的光學(xué)元件突然破損而粉碎的現(xiàn)象。
(5)光學(xué)元件的成形方法,是在(4)項(xiàng)所述的成形方法中,把壓制工序終了時(shí)刻所述成形模的平均壓制壓力調(diào)整到大于或等于10N/mm2。
為了實(shí)現(xiàn)高精度光學(xué)面的復(fù)制精度,在壓制工序終了的時(shí)刻最低也要保持10N/mm2的平均壓制壓力,最好把玻璃貼緊在成形模的光學(xué)復(fù)制面上。若在比其小的壓力下終了壓制工序時(shí),則由于成形模與玻璃不均勻貼緊,所以,在壓制工序?qū)⒁K了之前,玻璃是還具有能稍微流動(dòng)的粘度的階段,產(chǎn)生收縮變形偏斜,就有可能光學(xué)面形狀的復(fù)制不正確。把該現(xiàn)象叫做收縮,但本發(fā)明的成形方法是把平均壓制壓力維持在大于或等于10N/mm2,能防止該收縮的產(chǎn)生。
(6)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(5)任一項(xiàng)所述的成形方法中,在從壓制開(kāi)始到3秒之間,把所述成形模的平均壓制壓力一下子調(diào)整到50N/mm2~250N/mm2的范圍。
在玻璃溫度高而粘度低的壓制工序初期階段,若加以高的壓制壓力,則能不產(chǎn)生裂紋而玻璃在瞬間貼緊在成形模的復(fù)制面上,提高成形復(fù)制性。由于整個(gè)復(fù)制面是在瞬間接觸到成形模并進(jìn)行冷卻固化的,所以如果是相同的成形復(fù)制性則能更縮短成形時(shí)間。但若玻璃的冷卻固化進(jìn)行相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,則殘留壓縮應(yīng)力,成為裂紋等的原因,所以最好把50N/mm2~250N/mm2的高壓壓制時(shí)間限定在從壓制開(kāi)始的3秒以內(nèi)。
(7)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(6)任一項(xiàng)所述的成形方法中,在從壓制開(kāi)始到3秒之間,把所述成形模的平均壓制壓力一下子調(diào)整到壓制工序的最高值,然后在進(jìn)行壓制的同時(shí)把其連續(xù)或不連續(xù)地切換成低壓力。
通過(guò)在從壓制開(kāi)始到3秒之間的合適時(shí)間內(nèi),使用最高的平均壓制壓力來(lái)壓制玻璃,能在玻璃溫度高而粘度還小的成形初期給予其大的壓制變形量,這樣,能不產(chǎn)生裂紋和雙折射等而使玻璃可靠地貼緊在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,提高復(fù)制性,然后通過(guò)設(shè)定成更低的平均壓制壓力,使玻璃固化粘度上升,能防止產(chǎn)生裂紋和內(nèi)部應(yīng)力變大,實(shí)現(xiàn)安全且成形復(fù)制性良好的壓制成形。從最高壓力向更低壓力的變換方法,即可以是階段性不連續(xù)的,也可以是連續(xù)的。
(8)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(7)任一項(xiàng)所述的成形方法中,把所述玻璃材料和所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)在進(jìn)行壓制工序時(shí)形成能遮蔽的成形室,在壓制工序中把所達(dá)成形室內(nèi)減壓到小于大氣壓。
由于本方法能把玻璃光學(xué)元件非常高精度且高速地成形,所以例如成形的光學(xué)元件光學(xué)面形狀是凸時(shí),在進(jìn)行高速壓制時(shí),在玻璃材料,即玻璃與成形模的內(nèi)腔之間,有可能大氣和氮?dú)獾瘸尚螝怏w介質(zhì)沒(méi)被排出而殘留,成為存留氣體而得到間隙,這樣,光學(xué)面的成形復(fù)制性顯著惡化。因此,將在壓制開(kāi)始之前把玻璃與成形模的內(nèi)腔氣體介質(zhì)進(jìn)行減壓,通過(guò)減少氣體介質(zhì)氣體使在壓制時(shí)間短的高速成形中也抑制存留氣體的產(chǎn)生,能確保高精度光學(xué)面形狀的復(fù)制性。
根據(jù)該本方法,由于成形模的光學(xué)復(fù)制面與玻璃材料牢固地貼緊,所以即使在存留氣體不發(fā)生的成形條件下,成形復(fù)制性也良好。因此,成形的高精度光學(xué)元件的性能偏差少,能維持高的成形收獲率。
近年來(lái),在光學(xué)面上施加環(huán)帶狀的衍射槽(衍射環(huán)帶)而高效校正色差的光學(xué)元件,在光信息記錄領(lǐng)域等被實(shí)用化并在大量生產(chǎn)。作為其光學(xué)材料在使用塑料和玻璃,而在紅外光學(xué)系統(tǒng)等中ZnSe等結(jié)晶材料也在使用。這種光學(xué)元件,通過(guò)成形能大量且高效地生產(chǎn),但在成形時(shí),如何把光學(xué)元件光學(xué)面上微細(xì)的衍射槽高精度且高效地制作在光學(xué)元件用的成形模上,就成為非常重要的課題。
再加上近年來(lái),在試驗(yàn)把從使用的光源波長(zhǎng)數(shù)倍到比其小的微細(xì)結(jié)構(gòu)施加在光學(xué)面上來(lái)把新的光學(xué)功能附加在光學(xué)元件上。例如,把成形透鏡折射的一般聚光功能和同時(shí)作為副作用產(chǎn)生的正分散,利用通過(guò)在其非球面光學(xué)面的表面上實(shí)施衍射槽而得到的衍射而引起的大的負(fù)分散而把其消除,把本來(lái)僅是折射不可能的消色功能附加在單片透鏡光學(xué)元件上,就在DVD/CD互換的光盤用拾取裝置物鏡中被實(shí)用化。這由于是利用了透射光學(xué)元件的光波長(zhǎng)數(shù)十倍大小的衍射槽的衍射作用,所以把這樣處理比波長(zhǎng)足夠大結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的衍射作用的區(qū)域叫做標(biāo)量區(qū)域。
另一方面了解到,以透射光學(xué)元件的光的波長(zhǎng)數(shù)分之一的微細(xì)間隔把圓錐狀的突起密集形成在光學(xué)面的表面上,這樣,能發(fā)揮光的反射抑制功能。即,使光波射入光學(xué)元件時(shí)在與空氣分界面處的折射率變化,不象現(xiàn)有光學(xué)元件那樣從1到介質(zhì)折射率的瞬間變化,而是使其通過(guò)以微細(xì)間隔并列突起的圓錐狀而緩慢地變化,這樣就能抑制光的反射。形成有這種突起的光學(xué)面,是被叫做所謂蛾眼(moth eye)的微細(xì)結(jié)構(gòu),比光的波長(zhǎng)還微細(xì)的結(jié)構(gòu)體通過(guò)以比波長(zhǎng)短的周期并列,已經(jīng)是各個(gè)結(jié)構(gòu)不衍射而對(duì)于光波作為平均折射率在起作用。一般把這種區(qū)域叫做等價(jià)折射率區(qū)域。關(guān)于這種等價(jià)折射率區(qū)域例如在電子信息通信學(xué)會(huì)論文雜志C Vol J83-CNo 3pp173-1812000年3月中有敘述。
根據(jù)等價(jià)折射率區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu),與現(xiàn)有的防止反射涂層相比,其在減少防止反射效果的角度依賴性和波長(zhǎng)依賴性的同時(shí),能得到大的防止反射效果,根據(jù)塑料成形等,由于能同時(shí)制造出光學(xué)面和微細(xì)結(jié)構(gòu),所以能同時(shí)得到透鏡功能和防止反射功能,不需要象現(xiàn)有那樣在成形后進(jìn)行防止反射涂層處理的后加工等,考慮其在生產(chǎn)上也有大的益處而被關(guān)注。若把這種等價(jià)折射率區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu)配置成對(duì)于光學(xué)面具有方向性,則還能使光學(xué)面具有強(qiáng)的光學(xué)各向異性,通過(guò)成形能得到現(xiàn)有由切削水晶等結(jié)晶制作的雙折射光學(xué)元件,而且與折射和反射光學(xué)元件組合就能附加新的光學(xué)功能。把這時(shí)的光學(xué)各向異性叫做結(jié)構(gòu)雙折射。
在上述標(biāo)量區(qū)域和等價(jià)折射率區(qū)域之間,有衍射效率僅由射入條件的稍微不同就急劇變化的共鳴區(qū)域。例如,若把衍射環(huán)帶的槽寬度變窄,則有衍射效率以波長(zhǎng)數(shù)倍程度地急劇減少或增加的現(xiàn)象(異常)產(chǎn)生。利用該區(qū)域的性質(zhì),使用微細(xì)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)僅反射特定波長(zhǎng)的波導(dǎo)模式共振晶格濾光器,在與一般的干涉濾光器同等效果下還能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減少角度依賴性。
在利用標(biāo)量區(qū)域和等價(jià)折射率區(qū)域和共振區(qū)域來(lái)形成光學(xué)元件的情況下,需要在其光學(xué)面上形成微小的突起(或凹坑,總稱叫做微細(xì)結(jié)構(gòu))。但即使在成形模的光學(xué)復(fù)制面上形成了對(duì)應(yīng)這種微細(xì)結(jié)構(gòu)的凹坑(或突起),使用現(xiàn)有的成形方法把玻璃作為玻璃材料來(lái)復(fù)制形成這種微細(xì)結(jié)構(gòu)也是困難的。
其理由是,在把光學(xué)面上具有衍射槽等微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件使用玻璃成形時(shí),在成形模光學(xué)復(fù)制面上形成的微小凹坑處殘留有成形氣體介質(zhì)的中大氣和氮?dú)獾榷璧K玻璃進(jìn)入,這樣,微細(xì)結(jié)構(gòu)的復(fù)制性顯著惡化。
相反,根據(jù)本成形方法,能把該不好的情況通過(guò)減壓成形氣體介質(zhì)而消除。即,只要把成形氣體介質(zhì)進(jìn)行減壓,就能把成形氣體介質(zhì)的大氣和氮?dú)獾葟男纬稍诔尚文9鈱W(xué)復(fù)制面上的微小凹坑處除去,所以玻璃制的衍射光學(xué)元件和具有有防止反射結(jié)構(gòu)光學(xué)面的玻璃光學(xué)元件等,就能使玻璃不粘付在成形模上地可靠地進(jìn)行復(fù)制成形,能高精度且高速地進(jìn)行成形。
(9)光學(xué)元件的成形方法,是在(8)項(xiàng)所述的成形方法中,使用容器罐、把所述容器罐內(nèi)進(jìn)行減壓的機(jī)構(gòu)和能選擇使所述成形室與所述容器罐內(nèi)連通狀態(tài)或不連通狀態(tài)的閥,在壓制工序前把所述成形室內(nèi)減壓到小于大氣壓。
根據(jù)本成形方法,由于成形生產(chǎn)節(jié)拍非常短,而在減壓成形氣體介質(zhì)時(shí)又需要時(shí)間,所以不能最大限度地發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。于是,不用真空泵直接進(jìn)行成形室內(nèi)的減壓,而是將在壓制開(kāi)始前先把容器罐減壓,在壓制開(kāi)始時(shí)使所述閥動(dòng)作,通過(guò)把容器罐內(nèi)與成形室內(nèi)連通而能使成形室內(nèi)瞬間排氣,所以能不影響成形生產(chǎn)節(jié)拍地進(jìn)行減壓成形。
(10)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(9)任一項(xiàng)所述的成形方法中,對(duì)于所述成形模的內(nèi)腔,其復(fù)制光學(xué)元件光學(xué)面的光學(xué)復(fù)制面的表面粗糙度Ra是大于或等于0.3nm且小于或等于30nm。
根據(jù)把加熱軟化的玻璃向成形下模滴下投入并一邊冷卻玻璃一邊進(jìn)行壓制成形的現(xiàn)有液滴成形法,在滴下投入時(shí)由于把大氣和氮?dú)獾葰怏w介質(zhì)氣體卷入而產(chǎn)生存留氣體,所以預(yù)先把下模的光學(xué)復(fù)制面用腐蝕性溶液進(jìn)行粗糙處理而使表面粗糙度Ra為100nm左右。因此,把玻璃利用壓制壓力向下模的光學(xué)復(fù)制面上按壓時(shí)并不能把光學(xué)面形狀高精度地復(fù)制到玻璃上,而是把下模光學(xué)復(fù)制面的溫度設(shè)定得非常低,在滴下的玻璃上迅速形成表皮層,把粗糙的下模光學(xué)面形狀的包絡(luò)表面復(fù)制在玻璃上的成形處理。即現(xiàn)有的液滴成形法并不是把下模的光學(xué)復(fù)制面的形狀和表面粗糙度高精度復(fù)制到玻璃上,說(shuō)是大致復(fù)制包絡(luò)形狀,還不如說(shuō)是不復(fù)制表面粗糙度的成形。玻璃表面與成形模接觸的粘度高的表皮層,是玻璃少量進(jìn)入到粗糙的下模光學(xué)復(fù)制面凸凹中而平緩復(fù)制其凹凸的狀態(tài)下進(jìn)行固化的,所以在成形的光學(xué)元件的光學(xué)面上存在有微小而平緩的凹凸。圖5是把液滴成形法成形時(shí)其成形模光學(xué)復(fù)制面進(jìn)行放大表示的剖面圖,玻璃材料,即玻璃G的表面上形成的表皮層S進(jìn)行延伸以連接粗糙的成形模具的光學(xué)復(fù)制面M頂點(diǎn)。
因此,現(xiàn)有的這種液滴成形法,本來(lái)就沒(méi)有高精度復(fù)制下模光學(xué)復(fù)制面形狀的成形條件,由于需要選擇不摹寫粗糙成形模光學(xué)復(fù)制面的成形條件,所以成形的光學(xué)元件的復(fù)制性不一定好,在是高精度光學(xué)元件的情況下就招致收獲率降低。而且若使用干涉條紋觀察成形的光學(xué)元件的波陣面性能時(shí),由光學(xué)面表面上微小的凹凸而干涉條紋濃度有微觀上的偏差,所以產(chǎn)生干涉條紋對(duì)比度低的問(wèn)題。圖6是觀察由液滴成形法成形的光學(xué)元件表面而得到的干涉條紋,了解到其相對(duì)后述圖7、圖8所示由本發(fā)明成形方法成形的光學(xué)元件干涉條紋來(lái)說(shuō),其明顯地不清晰,且光學(xué)特性不好。這種具有不好光學(xué)特性的光學(xué)元件,是不適合例如在進(jìn)行高密度信息記錄和/或再現(xiàn)的光拾取裝置中使用的。
相反,根據(jù)本成形方法,把加熱軟化的玻璃一邊進(jìn)行冷卻一邊進(jìn)行成形雖然是相同的,但成形模的光學(xué)復(fù)制面是光滑的,在玻璃與成形模接觸表面的表皮層盡可能薄的階段,就利用壓制成形把玻璃強(qiáng)制地按壓在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,所以作為光滑的光學(xué)面原樣地就復(fù)制在光學(xué)元件上,也沒(méi)有微小而平緩的凹凸,即使光透射也不發(fā)生光散亂。使用干涉條紋等觀察光學(xué)元件的透射波陣面時(shí),也能得到清晰且對(duì)比度高的干涉條紋同時(shí)提高了光學(xué)性能。
即不需要為了防止存留氣體等而把成形模的光學(xué)復(fù)制面制成粗糙,沒(méi)有由該粗糙加工工序引起的光學(xué)面形狀誤差,所以模具加工工序簡(jiǎn)單且能可靠地得到高精度的光學(xué)復(fù)制面形狀。而且把成形條件調(diào)整到把表面粗糙度地可靠復(fù)制地進(jìn)行成形模的光學(xué)復(fù)制面的復(fù)制,所以,成形形狀的偏差少,能進(jìn)行穩(wěn)定的高精度光學(xué)元件的成形。
(11)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(10)任一項(xiàng)所述的成形方法中,把所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)設(shè)定成小于或等于1000級(jí)別。
本成形方法中,由于玻璃與成形模接觸的表面冷卻而粘度上升的表皮層,可以說(shuō)是薄并且是存在的,所以,若在玻璃表面和成形模的光學(xué)復(fù)制面上有小的灰塵時(shí),則即使壓制壓力高,也有可能由其夾在玻璃表面與成形模之間的狀態(tài),而使灰塵周圍的玻璃從成形模的光學(xué)復(fù)制面離開(kāi),成為圓狀的凹坑而產(chǎn)生成形不良。圖3是在成形模的光學(xué)復(fù)制面上附著有灰塵的狀態(tài)下實(shí)行本發(fā)明成形方法時(shí),把成形模的光學(xué)復(fù)制面進(jìn)行放大所示的剖面圖,了解到由于在成形模的光學(xué)復(fù)制面M上附著有灰塵DT,所以,在玻璃材料,即玻璃G的表面上形成的表皮層S就不能貼緊在光學(xué)復(fù)制面M上,而在灰塵DT的周邊產(chǎn)生擴(kuò)展范圍的凹坑C。
該現(xiàn)象相對(duì)灰塵的大小是在非常廣的范圍發(fā)生,根據(jù)本發(fā)明者們的研究了解到,有時(shí)即使是僅數(shù)μm的灰塵,而圓狀凹坑的范圍也在大于或等于數(shù)10μm。在所述現(xiàn)有的液滴成形法中其把成形模的光學(xué)復(fù)制面制成粗糙就也具有避免灰塵影響的效果,但在用于成形高精度光學(xué)面的本發(fā)明的成形方法中,不能利用這點(diǎn)。特別是若在灰塵多的氣體介質(zhì)中實(shí)行本發(fā)明的成形方法時(shí),則在成形光學(xué)面上無(wú)數(shù)的凹坑產(chǎn)生麻點(diǎn)狀,甚至完全不能作為光學(xué)面使用(參照?qǐng)D6)。
而提高玻璃材料溫度的同時(shí)提高成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度,使玻璃被加上壓制壓力而緩慢流動(dòng),一邊使凹坑崩潰一邊侵入到灰塵的周圍,最終把灰塵納入玻璃中,而這種程度小的灰塵能成為對(duì)光學(xué)完全沒(méi)有實(shí)際損害的狀態(tài)。圖4是把由再加熱法成形時(shí)的成形模光學(xué)復(fù)制面進(jìn)行放大表示的剖面圖,表示附著在成形模光學(xué)復(fù)制面上的灰塵DT,完全納入到了玻璃G的內(nèi)部。
把成形模和玻璃同時(shí)加熱到高溫的現(xiàn)有的再加熱成形法,確實(shí)是利用該現(xiàn)象來(lái)避免由灰塵引起的光學(xué)面復(fù)制不良的。但該成形條件同樣發(fā)生是再加熱成形法重大課題的玻璃向成形模的粘付,所以若把它在本發(fā)明的成形方法中進(jìn)行時(shí),則特意具有的無(wú)玻璃粘付且高效率·高可靠性的優(yōu)點(diǎn)就失去了。
通過(guò)提高壓制壓力雖然能降低由灰塵引起凹坑的產(chǎn)生,但如前所述,在壓制工序的后半部使光學(xué)面不產(chǎn)生裂紋的壓制壓力的最高值是小于或等于80N/mm2,所以其降低效果也是有限的。
本發(fā)明者們?yōu)榱顺浞职l(fā)揮本發(fā)明制造方法的高精度·高效率·高可靠性的優(yōu)點(diǎn),其不是改變這種成形條件的方法,而是發(fā)現(xiàn)防止成為其原因的灰塵的混入是最有效的并且是根本的。即了解到若把它們所接觸的氣體介質(zhì)維持在小于或等于1000級(jí)別,以使在投入到成形模上被加熱軟化的玻璃表面和成形模的光學(xué)復(fù)制面上沒(méi)有灰塵混入,則能抑制產(chǎn)生所述凹坑,能不犧牲其生產(chǎn)效率地實(shí)現(xiàn)外觀品質(zhì)、光學(xué)性能都優(yōu)良的高精度光學(xué)元件。這是在實(shí)現(xiàn)本成形方法上非常有效的手段。
(12)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(11)任一項(xiàng)所述的成形方法中,其包圍至少包含把所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)進(jìn)行遮蔽的成形室的空間。
小于或等于1000級(jí)別的成形氣體介質(zhì),是只要把成形室周圍的零件很好地洗凈并除去灰塵,在成形室上設(shè)置罩,通過(guò)過(guò)濾器對(duì)外部大氣連通,這是容易實(shí)現(xiàn)的。而且,成形室具備所述成形時(shí)減壓的機(jī)構(gòu)(例如容器罐、泵、閥等)時(shí),由于成形室的氣密性開(kāi)始就非常高,所以,在破壞減壓狀態(tài)時(shí),只要在導(dǎo)入的大氣和氮?dú)獾葰怏w介質(zhì)的流路上設(shè)置過(guò)濾器把灰塵除去便可,所以能非常簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)小于或等于1000級(jí)別的成形氣體介質(zhì)。
(13)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(12)任一項(xiàng)所述的成形方法中,對(duì)所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)進(jìn)行遮蔽的成形室的周圍進(jìn)行除電。
為了使灰塵不由靜電等而被吸近并附著在成形室的周圍,使用除電噴嘴等進(jìn)行除電,作為由灰塵引起的成形光學(xué)面的凹坑對(duì)策是理想的。在此所說(shuō)的成形室的周圍,是指構(gòu)成成形機(jī)構(gòu)和成形模、模具零件等成形室的零件,和其接觸的氣體介質(zhì)、玻璃的加熱機(jī)構(gòu)、玻璃的運(yùn)送機(jī)構(gòu)等。
(14)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(13)任一項(xiàng)所述的成形方法中,所述成形模具有一對(duì)模具部件,其分別具備復(fù)制光學(xué)元件光學(xué)面的光學(xué)復(fù)制面,在把所述玻璃材料向所述成形模投入時(shí),所述模具部件一側(cè)所具有的光學(xué)復(fù)制面的溫度被設(shè)定成比另一側(cè)模具部件所具有的光學(xué)復(fù)制面的溫度高出大于或等于5℃。這樣,能把玻璃材料擠入一側(cè)模具部件所具有的光學(xué)復(fù)制面。
(15)光學(xué)元件的成形方法,是在(14)項(xiàng)所述的成形方法中,所述一側(cè)模具部件的光學(xué)復(fù)制面,具有深度與其有效徑的比是大于或等于0.4的凹面。
本成形方法的特點(diǎn)在于一邊實(shí)現(xiàn)高速度·高效率·高可靠性,一邊還能正確復(fù)制成形模光學(xué)復(fù)制面的形狀和表面粗糙度,能成形高精度的玻璃光學(xué)元件。在使用玻璃的光學(xué)元件成形中,作為高精度·高效率成形非常困難的光學(xué)元件形狀,相對(duì)凸光學(xué)面的有效徑來(lái)說(shuō)其在光學(xué)面中心和有效徑的光軸上的深度是非常大的,換言之,能舉出在成形模的光學(xué)復(fù)制面上成為非常深凹面的光學(xué)面形狀。在這種情況下進(jìn)行壓制成形時(shí),由于必須把玻璃向成形模深的光學(xué)復(fù)制面擠入并使其貼緊在整個(gè)光學(xué)復(fù)制面上,所以需要把壓制壓力可靠地向玻璃成形面上傳遞。特別是要把成形模光學(xué)復(fù)制面的形狀和表面粗糙度忠實(shí)地復(fù)制在玻璃上的情況下,這點(diǎn)是重要的。在此,“光學(xué)復(fù)制面的有效徑”是指與成形的光學(xué)元件光學(xué)面的有效徑對(duì)應(yīng)的徑,“光學(xué)復(fù)制面的深度”是指從光學(xué)復(fù)制面的有效徑位置到光學(xué)復(fù)制面最深部的光軸方向的距離,其與從成形的光學(xué)元件光學(xué)面的有效徑位置到光學(xué)面頂點(diǎn)的光軸方向的距離(圖13所示的Δ1、Δ2)是同義的。
實(shí)際上,本發(fā)明者們通過(guò)本成形處理而成形深凹面的結(jié)果是把球狀的玻璃以Tg×1.80℃的溫度進(jìn)行加熱軟化,投入到Tg℃的成形模中并馬上開(kāi)始?jí)褐茣r(shí),深凹面光學(xué)面的深度相對(duì)其光學(xué)有效徑來(lái)說(shuō)是大于或等于0.4時(shí),僅是上面敘述的玻璃材料溫度和模具溫度范圍的成形條件設(shè)定,則在深凹面的中心部(=最深部)附近發(fā)生收縮。具體說(shuō)就是,僅成形光學(xué)面形狀中心部分的曲率比成形模光學(xué)復(fù)制面的形狀平緩。若觀察由該收縮部分成形的光學(xué)面(深凸面),由于其復(fù)制了成形模微細(xì)的加工痕跡和損傷等,所以了解到該收縮部分的玻璃是一次就接觸了成形模的光學(xué)復(fù)制面。但認(rèn)為這是由在壓制工序中其他部分的玻璃變形而壓制壓力沒(méi)傳遞到該最深部,因此玻璃沒(méi)被強(qiáng)制按壓在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,所以在玻璃冷卻收縮的過(guò)程中僅該部分從成形模的光學(xué)復(fù)制面離開(kāi)而成為收縮。一般來(lái)說(shuō),壓制成形時(shí)在玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近把玻璃按壓在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,對(duì)于提高復(fù)制性是重要的。
本成形方法為了在上述成形模上把深的凹光學(xué)面高精度且高效率地進(jìn)行成形復(fù)制,而把成形模一側(cè)模具部件的光學(xué)復(fù)制面溫度設(shè)定成相對(duì)地高于與之相對(duì)的模具部件光學(xué)復(fù)制面的溫度。這樣,在壓制開(kāi)始時(shí),若玻璃與兩側(cè)的模具部件接觸,則由于與深凹面相對(duì)側(cè)的光學(xué)復(fù)制面其溫度更低,所以玻璃的冷卻固化進(jìn)行快而粘度上升,所以該部分由壓制而引起的玻璃變形量少而接近于剛體狀態(tài),產(chǎn)生把玻璃向深凹面?zhèn)葦D入的作用,使壓制壓力也容易向深凹面?zhèn)葌鬟f。這時(shí),通過(guò)把深凹面?zhèn)裙鈱W(xué)復(fù)制面的溫度與相對(duì)的成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度差設(shè)定成大于或等于5℃,在使把玻璃向深凹面擠入的作用發(fā)揮效力之前抑制深凹面?zhèn)鹊牟Aё冃?,能得到壓制壓力傳遞到深凹面前端而通過(guò)玻璃粘度高的部分?jǐn)D入的效果。
本發(fā)明者們把具有深凹面光學(xué)面的深度相對(duì)其光學(xué)有效徑來(lái)說(shuō)是0.7的非常深的非球面形狀光學(xué)面的玻璃光學(xué)元件,利用本發(fā)明成形方法實(shí)際進(jìn)行了成形。玻璃材料溫度是Tg×1.75℃,投入到成形模中,把深凹面?zhèn)鹊某尚文囟仍O(shè)定成是Tg+5℃,把相對(duì)側(cè)成形模的溫度設(shè)定成是Tg-5℃,投入玻璃后馬上開(kāi)始?jí)褐?。其結(jié)果是,能把沒(méi)有收縮的光學(xué)面形狀能夠成形到深面前端,對(duì)于成形模光學(xué)復(fù)制面的形狀進(jìn)行了比例收縮率校正,測(cè)量成形形狀誤差的結(jié)果是小于或等于50nm PV。而把兩成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度設(shè)定成Tg℃而沒(méi)有設(shè)置溫度差進(jìn)行成形時(shí),僅光學(xué)面中心部分的曲率變平緩,相對(duì)光學(xué)面成形模具形狀的誤差是350nm PV。
(16)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(15)任一項(xiàng)所述的成形方法中,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,壓制工序中在形成所述凸緣部的玻璃材料流動(dòng)方向上,設(shè)置規(guī)定空間以不妨礙所述玻璃材料的流動(dòng)。
(17)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(15)任一項(xiàng)所述的成形方法中,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,在壓制工序中,把形成所述凸緣部的玻璃材料流動(dòng)進(jìn)行限制的環(huán)狀模具部件的導(dǎo)熱率設(shè)定成小于或等于25W/mK,且設(shè)定線膨脹系數(shù)比所述玻璃材料小。
(18)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(15)任一項(xiàng)所述的成形方法中,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,在壓制工序中,把形成所述凸緣部的玻璃材料流動(dòng)進(jìn)行限制的環(huán)狀模具部件進(jìn)行加熱。
(19)光學(xué)元件的成形方法,是在(1)~(18)任一項(xiàng)所述的成形方法中,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,把所述凸緣部的直徑尺寸設(shè)定成小于或等于所述光學(xué)元件光學(xué)面最大有效徑的1.2倍,把其厚度設(shè)定成大于或等于光學(xué)面最大有效徑的0.2倍。
根據(jù)本成形方法,把加熱軟化的玻璃投入到比其溫度低的成形模中后,一邊迅速進(jìn)行壓制成形一邊使其冷卻固化,就能高速并高穩(wěn)定地成形高精度的玻璃光學(xué)元件,但實(shí)際上如上所述,玻璃溫度在到Tg附近把其按壓在成形模的光學(xué)復(fù)制面上,對(duì)于提高成形復(fù)制性是重要的。通過(guò)滿足這點(diǎn)就能有效抑制發(fā)生收縮等光學(xué)面形狀容易惡化的現(xiàn)象。
玻璃制的光學(xué)元件通常具有被叫做凸緣部,其用于相對(duì)光軸方向而固定光學(xué)元件,并具有在光學(xué)有效徑的外側(cè)與光軸垂直的面的薄的突出部分。由該凸緣部成形時(shí)處理的不同而能分類成兩種成形方法,一種是壓制時(shí)把該凸緣部的側(cè)面(是與光軸并行的平面或曲面)與光學(xué)面同時(shí)成形,是所謂的填充成形,還有一種是把凸緣部的側(cè)面進(jìn)行壓制時(shí)使玻璃自由流動(dòng)而不限制,成形成比需要的凸緣徑大,通過(guò)后加工切除去外周而得到希望的凸緣徑,是所謂的溢出成形。
本成形方法原則上是把成形模的光學(xué)面形狀和表面粗糙度正確并高精度進(jìn)行復(fù)制的方法,所以基本是填充成形,但對(duì)于凸緣徑比光學(xué)面的有效徑大很多的光學(xué)元件形狀來(lái)說(shuō),填充成形有時(shí)產(chǎn)生以下的不好情況。
若看一下凸緣部在壓制成形時(shí)與成形模的關(guān)系,則是與光軸垂直安裝的基準(zhǔn)面和其里面,一般是用具有相對(duì)光學(xué)復(fù)制面的成形模零件進(jìn)行壓制成形的。因此,在比玻璃溫度低的成形模中從薄且體積不那樣大的凸緣部的正反面開(kāi)始被冷卻,該部分即使在溢出成形中也是被急速進(jìn)行冷卻固化。在填充成形的情況下,凸緣部的側(cè)面也是與環(huán)狀模具零件接觸而被冷卻的,所以凸緣部是通過(guò)成形模和環(huán)狀模具零件而從3面進(jìn)行冷卻的,其比其他部分的玻璃以更快的時(shí)間冷卻固化。在此,若凸緣部的徑大,則與成形模的接觸面在正反面上擴(kuò)展,所以更容易急速冷卻固化。
若凸緣部的玻璃溫度降低而粘度急速上升,則壓制力在該凸緣部受阻擋,產(chǎn)生壓制行程幾乎不進(jìn)行的狀態(tài)。若成為該狀態(tài),則壓制力完全傳遞不到玻璃的光學(xué)復(fù)制面上,別說(shuō)是收縮,連玻璃接觸不到成形模光學(xué)復(fù)制面上的現(xiàn)象也發(fā)生,成形復(fù)制性急劇惡化。
在此,重要的點(diǎn)是想使被加熱軟化玻璃的凸緣部的冷卻固化不比其他的部分非??斓剡M(jìn)展。這樣,就能使足夠的壓制力也傳遞到光學(xué)復(fù)制面的玻璃上,以按壓在成形模上的狀態(tài)保持到玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg,能使成形復(fù)制性不惡化。下述的這些方法,可以分別單獨(dú)進(jìn)行,但通過(guò)把它們組合就能得到更大的效果。
1)在形成凸緣部的玻璃材料流動(dòng)方向上設(shè)置不妨礙所述玻璃材料流動(dòng)的規(guī)定的空間,進(jìn)行溢出成形。如前所述,在溢出成形中凸緣部的側(cè)面是自由流動(dòng)的,所以不與成形模零件接觸而保持成形氣體介質(zhì)的氣體和減壓狀態(tài)的隔熱性高的狀態(tài),所以比填充成形有降低凸緣部冷卻速度的效果。圖11表示了在形成凸緣部的玻璃材料流動(dòng)方向上設(shè)置不妨礙玻璃材料流動(dòng)的規(guī)定的空間,能進(jìn)行溢出成形的成形模的概略結(jié)構(gòu)。圖11中,模具部件上模1具有光學(xué)復(fù)制面1a和其周圍的周圍面部1b,模具部件下模3具有光學(xué)復(fù)制面3a和其周圍的周圍面部3b。成形時(shí),玻璃材料即玻璃G的被周圍面部1b、3b夾住的部分,在半徑方向外側(cè)無(wú)接觸,不阻礙流動(dòng),所以冷卻速度降低。
2)填充成形時(shí)把成形凸緣部側(cè)面的環(huán)狀模具部件用導(dǎo)熱率小且線膨脹系數(shù)比玻璃材料小的材料制作。這樣,在壓制成形中向徑方向擴(kuò)展的玻璃即使接觸到環(huán)狀模具部件,也由于其比一般的零件材料導(dǎo)熱率差而冷卻難于進(jìn)行,在該部分就能抑制玻璃的冷卻固化。一般的成形模材料是超硬(導(dǎo)熱率70W/mK)和炭化硅(導(dǎo)熱率90W/mK)的,所以與這些材料相比為了發(fā)揮大的隔熱效果,最好是其該數(shù)分之一到十分之一左右的導(dǎo)熱率,最好是小于或等于25w/mK。圖10是表示與成形模一起使用的環(huán)狀模具零件剖面的圖。圖10(a)所示的例是為了嵌合模具部件上模1和下模3的外周而配置小于或等于25W/mK的環(huán)狀模具零件RG,圖10(b)所示的例是在與模具部件上模1和下模3的周圍面部1b、3b接觸的位置上,配置環(huán)狀模具零件RG的例。
環(huán)狀模具零件材料的線膨脹系數(shù)若不比玻璃材料的線膨脹系數(shù)小,則其由冷卻收縮而過(guò)于夾緊特意成形的玻璃制光學(xué)元件的凸緣,使光學(xué)元件破損或環(huán)狀模具零件不能脫離。因此,最好環(huán)狀模具零件的導(dǎo)熱率是小于或等于25W/mK,且線膨脹系數(shù)比玻璃材料小。
3)加熱環(huán)狀模具零件。通過(guò)該加熱,能提高成形模凸緣部的溫度,并降低凸緣部玻璃的冷卻速度。這在溢出成形時(shí)、填充成形時(shí)都可。溢出成形中凸緣部的玻璃由壓制成形而自由流動(dòng),即使設(shè)置了環(huán)狀模具零件也達(dá)不到該處而不接觸。在填充成形中,流動(dòng)的玻璃達(dá)到環(huán)狀模具零件而被限制,并因此成形為凸緣部的側(cè)面。在玻璃直接接觸環(huán)狀模具零件的填充成形中,通過(guò)加熱環(huán)狀模具零件能降低凸緣部玻璃的冷卻速度。作為加熱這些環(huán)狀模具零件的溫度,最好是比其溫度過(guò)高而玻璃材料固化不能進(jìn)行的溫度低的溫度,是比成形模溫度稍微高出5~20℃程度的溫度。圖12表示了與成形模一起使用的環(huán)狀模具零件的剖面。在環(huán)狀模具零件RG的外周上配置有能加熱的加熱器H。也可以如圖10(b)所示,在與上模1和下模3的周圍面部1b、3b接觸的位置上,配置環(huán)狀模具零件RG。
4)減小成形的光學(xué)元件凸緣部的直徑尺寸,把從更大側(cè)的光學(xué)面有效徑設(shè)定成不大溢出。通過(guò)該尺寸調(diào)整能減少凸緣部正反面的面積,所以能減少模具接觸面積。而且通過(guò)加厚凸緣部的厚度而增加熱容量,使其與熱容量大的透鏡本體接近于一體,所以容易從這里供給熱。通過(guò)采取這些結(jié)構(gòu)就能降低壓制中凸緣部的冷卻固化速度。因此,提高了成形復(fù)制性。圖13表示了光學(xué)元件一例的剖面圖。光學(xué)元件OE具有光學(xué)面S1、S2和凸緣部FL。凸緣部FL的外周徑是f,凸緣部的厚度是Δf,光學(xué)面S1的有效徑是1,光學(xué)面S2的有效徑是2。在此,所說(shuō)的“光學(xué)面有效徑”是指在光學(xué)面上具有實(shí)際透射、反射和衍射光的光學(xué)效果,對(duì)光學(xué)元件本來(lái)目的起作用的區(qū)域。
把凸緣部的直徑尺寸和厚度設(shè)定成何種程度才好,本發(fā)明者們把光學(xué)面有效徑大的光學(xué)面有效徑(光學(xué)面的最大有效徑)是2.4mm的雙凸光學(xué)元件,把凸緣部的厚度設(shè)定為0.4mm并且是一定的,改變直徑尺寸而用本發(fā)明的成形方法進(jìn)行成形的結(jié)果是,有時(shí)在凸緣徑3.6~3.1mm處壓制行程沒(méi)達(dá)到最終值,而由凸緣部的固化使壓制力被阻擋。把凸緣徑設(shè)定成小于或等于3.0mm的結(jié)果是,能容易達(dá)到規(guī)定的壓制行程。但考慮到成形的穩(wěn)定性而再稍微取些余量,把凸緣徑設(shè)定成2.9mm左右便可。考慮到隨成形的玻璃制光學(xué)元件的大小和形態(tài)不同,該數(shù)字也變化,但從以上推測(cè),凸緣部的徑相對(duì)光學(xué)面有效徑來(lái)說(shuō)大概是小于或等于1.2倍時(shí),則凸緣部的冷卻固化速度不過(guò)快。且凸緣厚度在這時(shí)也是0.4mm,考慮到隨玻璃制光學(xué)元件的大小和形態(tài)不同而變化,只要相對(duì)光學(xué)面的有效徑來(lái)說(shuō)大概是大于或等于0.2倍便可。
如上,通過(guò)限制玻璃光學(xué)元件凸緣部的尺寸,能降低壓制成形中凸緣部的冷卻速度,容易高精度實(shí)現(xiàn)玻璃光學(xué)元件的成形。若是填充成形,作為后加工不需要找外周心加工,更理想。
(20)光學(xué)元件,是通過(guò)(1)~(19)任一項(xiàng)所述的成形方法而成形的光學(xué)元件,在所述光學(xué)元件的光學(xué)面上形成有以光軸為中心的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。
(21)光學(xué)元件,是在(20)項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)是給予光程差結(jié)構(gòu)。
(22)光學(xué)元件,是在(21)項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)是光軸方向斷面是鋸齒狀的炫耀型衍射結(jié)構(gòu)。
(23)光學(xué)元件,是在(21)項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)是光軸方向斷面是臺(tái)階狀的衍射結(jié)構(gòu)。
(24)光學(xué)元件,是在(21)~(23)任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)具有校正由對(duì)所述光學(xué)元件照射光的光源波長(zhǎng)變化而引起的所述光學(xué)元件像差變化的功能。
(25)光學(xué)元件,是在(21)~(24)任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)具有校正由所述光學(xué)元件溫度變化而引起的像差變化的功能。
(26)光學(xué)元件,是通過(guò)(1)~(19)任一項(xiàng)所述的成形方法而成形的光學(xué)元件,為了所述光學(xué)元件的光學(xué)面上復(fù)制成形多個(gè)突起或凹坑,而在所述光學(xué)元件用成形模具成形復(fù)制面上形成對(duì)應(yīng)的凹坑或突起。
(27)光學(xué)元件,是在(26)項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成等價(jià)折射率區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
(28)光學(xué)元件,是在(26)或(27)項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成產(chǎn)生防止反射效果的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
(29)光學(xué)元件,是在(26)~(28)任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成產(chǎn)生結(jié)構(gòu)雙折射的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
(30)光學(xué)元件,是在(26)~(29)任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成共鳴區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
(31)光學(xué)元件,是在(26)~(30)任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,存在于該光學(xué)面的一部分上,為了復(fù)制形成該光學(xué)面而在所述成形復(fù)制面的一部分上存在有對(duì)應(yīng)的凹坑或突起。
(32)光學(xué)元件,是在(26)~(31)任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件中,在所述光學(xué)元件光學(xué)面的一部分上,至少存在有具有多個(gè)形狀或配置圖形的突起或凹坑,為了復(fù)制形成該光學(xué)面,而在所述光學(xué)面復(fù)制面的一部分上至少存在有對(duì)應(yīng)的多個(gè)形狀或配置圖形的凹坑或突起。
圖14是把光學(xué)元件的光學(xué)面例放大表示的立體圖。圖14(a)是在透鏡的光學(xué)面上作為多個(gè)突起的例而把微細(xì)的圓筒C以矩陣狀形成多個(gè)的結(jié)構(gòu)(等價(jià)折射率區(qū)域微細(xì)結(jié)構(gòu)的例)。例如把該物鏡作為DVD記錄/再現(xiàn)用光拾取裝置的物鏡使用時(shí),透射透鏡的光是接近650nm。若把微細(xì)的圓筒C的間隔Δ設(shè)定為是160nm時(shí),則向該物鏡射入的光幾乎不反射,能提供光透射率非常高的物鏡。
圖14(b)是在透鏡的光學(xué)面上作為多個(gè)突起的例而以間隔Δ形成隔離的多個(gè)微細(xì)的三角錐T,能起到與圖14(a)同樣的效果。作為該間隔Δ理想的是,若小于或等于0.1~0.2μm,則降低散射。圖14(c)是在透鏡的光學(xué)面上作為多個(gè)突起的例而以間隔Δ形成隔離的多個(gè)凸片F(xiàn)(結(jié)構(gòu)雙折射微細(xì)結(jié)構(gòu)的例)。凸片F(xiàn)的長(zhǎng)度比透射光的波長(zhǎng)長(zhǎng)(在上述例中是大于或等于650nm)。具備該結(jié)構(gòu)的透鏡有使沿凸片F(xiàn)方向具有振動(dòng)面的光透射,而使與凸片F(xiàn)交叉方向的光不透射的所謂偏振光效果。圖14(d)是在透鏡的光學(xué)面上作為以光軸為中心的環(huán)帶結(jié)構(gòu)的例,而光軸方向斷面形成鋸齒狀的炫耀型衍射環(huán)帶D。關(guān)于衍射環(huán)帶D,例如在特開(kāi)2001-195769號(hào)公報(bào)中對(duì)根據(jù)其形狀的效果,即色差校正和溫度校正,有詳細(xì)的敘述,所以以下省略說(shuō)明。作為其之外的環(huán)帶結(jié)構(gòu),也可形成NPS(具有給予相位差功能的結(jié)構(gòu))、DOE(具有選擇波長(zhǎng)衍射功能的結(jié)構(gòu))等。圖14(a)~圖14(c)是為了簡(jiǎn)單而把在平面上設(shè)置這些突起的例進(jìn)行了表示,但也可以把其底面作為球面和非球面等具有適當(dāng)曲率的曲面,而在其曲面上設(shè)置。
作為本說(shuō)明書中使用的光學(xué)元件,例如有透鏡、棱鏡、衍射光柵光學(xué)零件(衍射透鏡、衍射棱鏡、衍射板)、光學(xué)濾波器(空間低通濾波器、波長(zhǎng)帶通濾波器、波長(zhǎng)低通濾波器、波長(zhǎng)高通濾波器等等)、偏振光濾波器(檢偏振器,旋光子、偏振光分離棱鏡等等)、相位濾波器(相位板、全息照相等等)等,但并不限定于以上這些。
本說(shuō)明書中使用的衍射結(jié)構(gòu)(衍射環(huán)帶),是指在光學(xué)元件(例如透鏡)的光學(xué)面表面上,設(shè)置作為以光軸為中心的大致同心圓狀的環(huán)帶而形成的起伏,具有利用衍射而使光束聚光或發(fā)散作用的衍射面。例如知道有在包含光軸的平面上看其斷面時(shí)各環(huán)帶是鋸齒形狀的,這種形狀包含在內(nèi)。衍射環(huán)帶也叫做衍射槽。
最佳實(shí)施例以下使用附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。圖9是實(shí)施本實(shí)施例光學(xué)元件成形方法的成形裝置概略結(jié)構(gòu)圖。內(nèi)藏有加熱器H的上模1在其下面具有光學(xué)復(fù)制面1a和其周圍的周圍面部1b,其安裝在筐體2的上部。同樣地,內(nèi)藏有加熱器H的下模3在其上面具有光學(xué)復(fù)制面3a和其周圍的周圍面部3b,其與上模1相對(duì)配置。光學(xué)復(fù)制面1a、3a的表面粗糙度Ra是大于或等于0.3nm小于或等于30nm。
下模3安裝在驅(qū)動(dòng)部4上,保持能在接近上模1的方向上移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)部4與筐體2由波紋管5連接。由一對(duì)模具部件,即上模1和下模3來(lái)構(gòu)成成形模。上模1和下模3的表面溫度能由未圖示的溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。也可以如圖10、圖12所示那樣在上模1和下模3的周圍設(shè)置環(huán)狀模具零件。
筐體2具有能自由開(kāi)閉的運(yùn)入門2a和運(yùn)出門2b,筐體2的內(nèi)部成為成形室。筐體2通過(guò)配管C和閥V與容器罐T連接。容器罐T由真空泵P進(jìn)行減壓。閥V是三通的,移動(dòng)到第一位置時(shí),使筐體2內(nèi)與容器罐T連通,移動(dòng)到第二位置時(shí),使筐體2內(nèi)與大氣通過(guò)0.5微米網(wǎng)眼的濾清器F連通。成形裝置整體也可以收容在由裝有玻璃的框架覆蓋的無(wú)塵室R內(nèi),但若把成形裝置整體用無(wú)塵室R覆蓋,則灰塵的發(fā)生源增加而除塵的效果降低。至少把筐體2(或再加上未圖示的運(yùn)送裝置)用遮蔽體R′包圍,則能容易把其內(nèi)部變成小于或等于級(jí)別1000。而且成形裝置的周圍最好是進(jìn)行除電。
下面說(shuō)明使用本實(shí)施例的成形裝置進(jìn)行的光學(xué)元件的成形方法。首先準(zhǔn)備100公升的容器罐T,把其內(nèi)部用真空泵P減壓到經(jīng)常是0.01氣壓左右。然后在成形室的外側(cè)加熱玻璃材料G。在此,說(shuō)明的是把玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg=390℃的磷酸系玻璃作為玻璃材料G使用的例。若使用特開(kāi)2004-51291號(hào)公報(bào)中所述的運(yùn)送裝置,則能把加熱和運(yùn)送并行進(jìn)行,所以是方便的。與之并行,通過(guò)加熱器H把上模1和下模3進(jìn)行加熱。
利用未圖示的運(yùn)送裝置把玻璃材料G的溫度加熱軟化到對(duì)于其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是相當(dāng)于Tg×1.79的700℃(加熱玻璃材料工序)。另一方面,由加熱器H把上模1的表面溫度加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg+20℃(即410℃),且由加熱器H把下模3的表面溫度加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg(即390℃)(成形模加熱工序)。對(duì)于玻璃材料G和上模1和下模3的溫度,能在發(fā)明方案的范圍選擇任意的值。
在各部分成為上述溫度時(shí),打開(kāi)筐體2的運(yùn)入門2a,把玻璃材料G從運(yùn)送裝置(未圖示)投入到下模3的光學(xué)復(fù)制面(內(nèi)腔)3a上。
投入后,馬上把運(yùn)送裝置從成形室退出,關(guān)閉運(yùn)入門2a,把閥V移動(dòng)到第一位置。這樣,筐體2成形室內(nèi)的氣體介質(zhì)瞬時(shí)就被向容器罐T吸引,而成為接近真空的狀態(tài)。從本發(fā)明者們的實(shí)驗(yàn)了解到,在約0.2秒內(nèi)就能把成形氣體介質(zhì)減壓到0.05氣壓程度,并能維持其不變。
從該狀態(tài)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部4,使下模3接近上模1,進(jìn)行壓制(壓制工序)。從把玻璃材料G投入到成形模的內(nèi)腔到開(kāi)始?jí)褐疲@時(shí)間是0.5秒。作為施加壓制力的一例,在壓制開(kāi)始后0.5秒以內(nèi)一下子加上400N(57.5N/mm2),把軟化的玻璃材料G一下子按壓在光學(xué)復(fù)制面1a、3a上,從壓制開(kāi)始,1秒后是250N(32.5N/mm2)、2秒后是200N(26N/mm2)、3秒后是150N(21N/mm2),直到壓制完了的10秒后,能維持該壓制力。壓制力和壓制時(shí)間,能在發(fā)明方案的范圍選擇任意的值。
然后,驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部4,把下模3從上模1拉開(kāi)。在該時(shí)刻把閥V移動(dòng)到第二位置,通過(guò)濾清器F把大氣導(dǎo)入到筐體2內(nèi)。從本發(fā)明者們的實(shí)驗(yàn)了解到,導(dǎo)入大氣所需要的時(shí)間是1秒左右。接著打開(kāi)運(yùn)出門2b,通過(guò)未圖示的運(yùn)出裝置把成形的光學(xué)元件取出。以上就完成了成形的一個(gè)循環(huán)。
本發(fā)明者們以上述例的壓制力和壓制時(shí)間,實(shí)際進(jìn)行了光學(xué)元件的成形并得到光學(xué)元件。該光學(xué)元件是NA0.85次世代光盤用物鏡,其外周直徑是3.0mm,向壓制軸方向投影的面積是7.07mm2,下模光學(xué)復(fù)制面的有效徑比上模光學(xué)復(fù)制面的有效徑大,成形模上模側(cè)光學(xué)復(fù)制面的最大法線角是10°左右的較淺,而下模的光學(xué)復(fù)制面是66°非常深,該面的有效徑(最大有效徑)是2.5mm,其與從光學(xué)面中心到有效徑的深度的比是0.44。凸緣部的直徑尺寸(=外徑)是3.0mm,所以其對(duì)光學(xué)面有效徑的比是1.2。凸緣部的厚度是0.57mm,其對(duì)光學(xué)面有效徑的比是約0.23。根據(jù)該形狀,其是縮小凸緣部的體積而放慢固化速度的光學(xué)元件形狀。光學(xué)復(fù)制面的形狀精度是小于或等于50mmPV,被精加工成表面粗糙度Ra是2nm,并進(jìn)行了防止超硬氧化的保護(hù)涂層。在填充成形中使用的形成凸緣部側(cè)面的環(huán)狀模具零件,是使用比玻璃的線膨脹系數(shù)130×10-7小,且導(dǎo)熱率也比模具材料,即超硬(70W/mK)小很多的氮化硅(線膨脹系數(shù)35×10-7,導(dǎo)熱率22w/mK),利用凸緣部的隔熱來(lái)降低固化速度。
以407.5nm的光源波長(zhǎng)觀察了成形的光學(xué)元件的波像差。其干涉條紋表示在圖7。作為波像差,其整體是38.4mλrms、球差成分是32.5mλ、彗差成分是1.7mλ、像散成分是10.5mλ。在外周部干涉條紋彎曲是由成形模加工誤差所致,由灰塵引起的凹坑也完全沒(méi)發(fā)現(xiàn),了解到通過(guò)本發(fā)明,能把模具的形狀和表面粗糙度忠實(shí)地,且高速地進(jìn)行復(fù)制成形。
而且本發(fā)明者們把成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)設(shè)定為是100000級(jí)別的成形氣體介質(zhì),實(shí)施與上述相同的成形方法,得到光學(xué)元件。以407.5nm的光源波長(zhǎng)利用干涉觀察了其波像差。其干涉條紋表示在圖8。與圖7所示的干涉條紋進(jìn)行比較,則了解到在光學(xué)元件的表面上有灰塵影響的多個(gè)凹坑。
表1表示了本發(fā)明者變更向成形模投入時(shí)的玻璃材料溫度與當(dāng)時(shí)成形模溫度(成形模光學(xué)復(fù)制面的表面溫度)的組合,而進(jìn)行壓制成形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
表1中,“光學(xué)元件的質(zhì)量”是用目測(cè)評(píng)價(jià)成形的光學(xué)元件的外觀質(zhì)量,是若沒(méi)確認(rèn)產(chǎn)生了玻璃材料的白濁、灰塵狀的結(jié)晶粒、氣泡,則是B,若確認(rèn)了,則是D的兩級(jí)評(píng)價(jià)。
“光學(xué)元件的分型性”表示的是成形的光學(xué)元件是否容易從成形模的光學(xué)復(fù)制面上分開(kāi)。壓制成形后,光學(xué)元件與成形模能有以下的四種狀態(tài)。(1)熔接(光學(xué)元件貼緊在光學(xué)復(fù)制面上而不能剝離的狀態(tài))(2)強(qiáng)貼緊(光學(xué)元件貼緊在光學(xué)復(fù)制面上,但使用真空吸附夾具等能把其從光學(xué)復(fù)制面上強(qiáng)制地剝離的狀態(tài),但強(qiáng)制地把光學(xué)元件剝離后,其有微小的一部分殘留在光學(xué)復(fù)制面上)(3)弱貼緊(開(kāi)模后光學(xué)元件貼在光學(xué)復(fù)制面上,但在10秒以內(nèi)能從光學(xué)復(fù)制面上自然剝離的狀態(tài)。光學(xué)元件剝離后,其也有微小的一部分殘留在光學(xué)復(fù)制面上)(4)不貼緊(開(kāi)模后,光學(xué)元件馬上就從光學(xué)復(fù)制面上自然地剝離的狀態(tài))。表1中,是用D表示的“熔接”情況時(shí),則需要把成形模卸下來(lái),洗凈光學(xué)復(fù)制面,把殘留的光學(xué)元件除掉,同表中是用C表示的“強(qiáng)貼緊”和用B表示的“弱貼緊”和用A表示的“不貼緊”的情況時(shí),則能暫且不進(jìn)行洗凈等的維修保養(yǎng)而繼續(xù)進(jìn)行壓制工序。
“光學(xué)面的復(fù)制性”是表示復(fù)制的光學(xué)面的形狀是否正確,把成形的光學(xué)元件的光學(xué)面使用太拉霍布松(テ一ラ一ホブソン)社制的佛姆特利薩福(フオ一ムタリサ一フ)(商品名)等形狀檢測(cè)器檢測(cè)了形狀精度。在表1中,把與光學(xué)復(fù)制面的誤差小于或等于100nmPV的情況設(shè)定為是B、把誤差超過(guò)100nmPV而小于或等于300nmPV的情況設(shè)定為是C、把誤差超過(guò)300nmPV的情況設(shè)定為是D。為了成形高精度的光學(xué)元件,就需要把其光學(xué)面對(duì)光學(xué)復(fù)制面的誤差抑制到小于或等于100nmPV。
考察表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在向成形模投入時(shí)的玻璃材料的溫度,對(duì)于其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是Tg×1.60~Tg×1.85℃的范圍,且把玻璃材料投入時(shí)的成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度,是在所述玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg+50)~(Tg-70)℃的范圍時(shí),“光學(xué)元件的質(zhì)量”、“光學(xué)元件的分型性”、“光學(xué)面的復(fù)制性”都能得到大于或等于B的高的評(píng)價(jià)。
在向成形模投入時(shí)的玻璃材料的溫度,對(duì)于其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是Tg×1.70~Tg×1.85℃的范圍,且把玻璃材料投入時(shí)的成形模光學(xué)復(fù)制面的溫度,是在所述玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg~(Tg-30)℃的范圍時(shí),“光學(xué)元件的分型性”能得到A的最高評(píng)價(jià)。圖1中僅“光學(xué)元件的分型性”的評(píng)價(jià)結(jié)果是在把成形模溫度取成縱軸,把玻璃材料溫度取成橫軸表示的圖上進(jìn)行繪圖的。圖2把本發(fā)明光學(xué)元件成形方法的實(shí)際時(shí)間與其他成形方法的實(shí)際時(shí)間進(jìn)行了比較表示。
根據(jù)本發(fā)明,能縮短成形生產(chǎn)節(jié)拍,可提供把高精度玻璃光學(xué)元件能以高可靠性和收獲率進(jìn)行成形的光學(xué)元件的成形方法以及光學(xué)元件。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件成形方法,其特征在于,是通過(guò)使用成形模把玻璃的玻璃材料進(jìn)行壓制而進(jìn)行光學(xué)元件成形,其包括在成形模的內(nèi)腔外把玻璃材料加熱軟化的工序;加熱所述成形模的工序;把所述玻璃材料投入到所述成形模內(nèi)腔中并使用所述成形模進(jìn)行壓制的工序,向所述成形模投入時(shí)的所述玻璃材料的溫度,是在對(duì)其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是Tg×1.60~Tg×1.85℃的范圍,且把所述玻璃材料投入時(shí)的所述成形模的光學(xué)復(fù)制面溫度,是在所述玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg+50)~(Tg-70)℃的范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,把加熱軟化的所述玻璃材料向所述成形模的內(nèi)腔投入配置之后,在3秒以內(nèi)開(kāi)始進(jìn)行壓制。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,所述成形模具有壓制所述玻璃材料的一對(duì)模具部件,從壓制開(kāi)始到規(guī)定行程這完成壓制的時(shí)間是在15秒以內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1~3任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,在從壓制開(kāi)始至少3秒后,把所述成形模的平均壓制壓力調(diào)整到小于或等于80N/mm2的范圍。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,把壓制工序終了時(shí)刻的所述成形模的平均壓制壓力調(diào)整到大于或等于10N/mm2。
6.如權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,在從壓制開(kāi)始到3秒之間,把所述成形模的平均壓制壓力一下子調(diào)整到50N/mm2~250N/mm2的范圍。
7.如權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,在從壓制開(kāi)始到3秒之間,把所述成形模的平均壓制壓力一下子調(diào)整到壓制工序的最高值,然后在進(jìn)行壓制的同時(shí)把其連續(xù)或不連續(xù)地切換成低壓力。
8.如權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,把所述玻璃材料和所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)在進(jìn)行壓制工序時(shí)形成能遮蔽的成形室,在壓制工序中把所述成形室內(nèi)減壓到小于大氣壓。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,使用容器罐、把所述容器罐內(nèi)進(jìn)行減壓的機(jī)構(gòu)和能選擇使所述成形室與所述容器罐內(nèi)連通狀態(tài)或不連通狀態(tài)的閥,在壓制工序前把所述成形室內(nèi)減壓到小于大氣壓。
10.如權(quán)利要求1~9任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,對(duì)于所述成形模的內(nèi)腔,其復(fù)制光學(xué)元件光學(xué)面的光學(xué)復(fù)制面的表面粗糙度Ra是大于或等于0.3nm且小于或等于30nm。
11.如權(quán)利要求1~10任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,把所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)設(shè)定成小于或等于1000級(jí)別。
12.如權(quán)利要求1~11任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,其包圍至少包含把所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)進(jìn)行遮蔽的成形室的空間。
13.如權(quán)利要求1~12任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,把所述成形模內(nèi)腔接觸的氣體介質(zhì)進(jìn)行遮蔽的成形室的周圍進(jìn)行除電。
14.如權(quán)利要求1~13任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,所述成形模具有一對(duì)模具部件,其分別具備復(fù)制光學(xué)元件光學(xué)面的光學(xué)復(fù)制面,在把所述玻璃材料向所述成形模投入時(shí),所述模具部件一側(cè)所具有的光學(xué)復(fù)制面的溫度被設(shè)定成比另一側(cè)模具部件所具有的光學(xué)復(fù)制面的溫度高大于或等于5℃。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,所述一側(cè)模具部件的光學(xué)復(fù)制面具有深度與其有效徑的比是大于或等于0.4的凹面。16、如權(quán)利要求1~15任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,在壓制工序中在形成所述凸緣部的玻璃材料流動(dòng)方向上,設(shè)置規(guī)定空間以不妨礙所述玻璃材料的流動(dòng)。
17.如權(quán)利要求1~15任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,壓制工序中把形成所述凸緣部的所述玻璃材料流動(dòng)進(jìn)行限制的環(huán)狀模具部件的導(dǎo)熱率設(shè)定成小于或等于25W/mK,且設(shè)定線膨脹系數(shù)比所述玻璃材料小。
18.如權(quán)利要求1~15任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,在壓制工序中把形成所述凸緣部的玻璃材料流動(dòng)進(jìn)行限制的環(huán)狀模具部件進(jìn)行加熱。
19.如權(quán)利要求1~18任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件成形方法,其特征在于,應(yīng)成形的光學(xué)元件具有凸緣部,把所述凸緣部的直徑尺寸設(shè)定成小于或等于所述光學(xué)元件光學(xué)面最大有效徑的1.2倍,把其厚度設(shè)定成大于或等于光學(xué)面最大有效徑的0.2倍。
20.一種光學(xué)元件,其特征在于,其是通過(guò)權(quán)利要求1~19任一項(xiàng)所述的成形方法而成形的光學(xué)元件,在所述光學(xué)元件的光學(xué)面上形成有以光軸為中心的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求20所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)是給予光程差結(jié)構(gòu)。
22.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)是光軸方向斷面是鋸齒狀的炫耀型衍射結(jié)構(gòu)。
23.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)是光軸方向斷面是臺(tái)階狀的衍射結(jié)構(gòu)。
24.如權(quán)利要求21~23任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)具有校正由對(duì)所述光學(xué)元件照射光的光源波長(zhǎng)變化而引起的所述光學(xué)元件像差變化的功能。
25.如權(quán)利要求21~24任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述環(huán)帶結(jié)構(gòu)具有校正由所述光學(xué)元件溫度變化而引起的像差變化的功能。
26.一種光學(xué)元件,其特征在于,其是通過(guò)權(quán)利要求1~19任一項(xiàng)所述的成形方法而成形的光學(xué)元件,為了在所述光學(xué)元件的光學(xué)面上復(fù)制成形多個(gè)突起或凹坑,而在所述光學(xué)元件用成形模具成形復(fù)制面上形成對(duì)應(yīng)的凹坑或突起。
27.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成等價(jià)折射率區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
28.如權(quán)利要求26或27所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成產(chǎn)生防止反射效果的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
29.如權(quán)利要求26~28任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成產(chǎn)生結(jié)構(gòu)雙折射的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
30.如權(quán)利要求26~29任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,形成共鳴區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
31.如權(quán)利要求26~30任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件,其特征在于,所述光學(xué)元件光學(xué)面上的突起或凹坑,存在于該光學(xué)面的一部分上,為了復(fù)制形成該光學(xué)面而在所述成形復(fù)制面的一部分上存在有對(duì)應(yīng)的凹坑或突起。
32.如權(quán)利要求26~31任一項(xiàng)所述的光學(xué)元件,其特征在于,在所述光學(xué)元件光學(xué)面的一部分上,至少存在有具有多個(gè)形狀或配置圖形的突起或凹坑,為了復(fù)制形成該光學(xué)面,而在所述光學(xué)面復(fù)制面的一部分上至少存在有對(duì)應(yīng)的多個(gè)形狀或配置圖形的凹坑或突起。
全文摘要
一種光學(xué)元件成形方法,其是通過(guò)使用成形模把玻璃的玻璃材料進(jìn)行壓制而形成光學(xué)元件,其包括在成形模的內(nèi)腔外把玻璃材料加熱軟化的工序、加熱所述成形模的工序和把所述玻璃材料投入到所述成形模的內(nèi)腔中并使用所述成形模進(jìn)行壓制的工序,向所述成形模投入時(shí)的所述玻璃材料的溫度,是在對(duì)其玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)Tg是Tg×1.60~Tg×1.85℃的范圍,且把所述玻璃材料投入時(shí)的所述成形模的光學(xué)復(fù)制面溫度,是在所述玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)(Tg+50)~(Tg-70)℃的范圍。
文檔編號(hào)C03B21/00GK1769223SQ20051007269
公開(kāi)日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者細(xì)江秀, 名古屋浩 申請(qǐng)人:柯尼卡美能達(dá)精密光學(xué)株式會(huì)社