專利名稱：生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，其中，透明的熱塑性樹脂材料與透明玻璃材料的一個表面合成為一體；且更特別地，涉及一種用于在去除了冷卻處理中因樹脂材料和玻璃材料之間收縮差異而產(chǎn)生的冷卻應(yīng)變的同時生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
實踐中已經(jīng)生產(chǎn)了一種復(fù)合光學(xué)元件，其中，透明的熱塑性樹脂材料與透明玻璃材料的一個表面合成為一體。復(fù)合光學(xué)元件的實例包括通過模制作為兩個玻璃透鏡之間的分隔物的樹脂材料而生產(chǎn)的光學(xué)元件，以及通過在玻璃板的一個表面上將賦予了特殊光學(xué)性能的樹脂材料模制到光學(xué)波導(dǎo)或棱鏡中而生產(chǎn)的光學(xué)元件。PLTl公開了一種用于通過在放置有玻璃基片的模具中執(zhí)行熱塑性樹脂材料的注射模塑而模制復(fù)合光學(xué)元件的技術(shù)。此外，PTL2公開了一種用于生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的技術(shù)，其中，通過在玻璃基片上執(zhí)行樹脂材料的注射模塑而形成樹脂層，且之后切割樹脂層的輪廓以使該輪廓具有理想的非球面表面，隨后進行拋光。PTL3公開了一種用于通過壓縮來模制復(fù)合光學(xué)元件的技術(shù)，其中，通過從上方把由上模支承的玻璃基片壓到放置在下模中的熔化樹脂材料上，隨后在壓力下加熱。引用列表專利文獻PTLl:N0.H03-133611號日本專利申請?zhí)亻_。PTL2:N0.H05-254862號日本專利申請?zhí)亻_。PTL3:N0.2005-305938號日本專利申請?zhí)亻_。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題然而，當(dāng)采用上述任何一種生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法時，在加熱狀態(tài)下把樹脂材料和玻璃材料合成為一體，隨后冷卻至室溫，且因此，在冷卻處理中，玻璃材料和樹脂材料中都產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。通常，與玻璃材料相比樹脂材料具有更高的熱膨脹系數(shù)，并且在其固化時收縮，因此，在由玻璃材料約束的樹脂材料中產(chǎn)生復(fù)雜的冷卻應(yīng)變。當(dāng)在較厚的樹脂層中發(fā)生應(yīng)變時，樹脂材料的折射率局部地改變，導(dǎo)致生成的光學(xué)元件性能下降。此處，為了在冷卻之后減小殘余應(yīng)力(或冷卻應(yīng)變)，選擇熱膨脹系數(shù)接近于玻璃材料熱膨脹系數(shù)的樹脂材料可以是一種辦法。然而，可用作復(fù)合光學(xué)材料的樹脂材料的種類是有限的，因此，選擇這種材料比較困難。此外，混入添加劑以降低樹脂材料在其固化時的收縮程度也是一種辦法。然而，該添加劑會削弱樹脂材料的關(guān)鍵光學(xué)特性。因此，通過在加熱狀態(tài)下將樹脂材料和玻璃材料合成為一體所生產(chǎn)的復(fù)合光學(xué)元件具有低光學(xué)性能且在品質(zhì)上具有較大的變化，因此，該復(fù)合光學(xué)元件不能夠用作高等級光學(xué)元件或大尺寸光學(xué)元件。
問題解決方案本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，該方法能夠通過在加熱狀態(tài)下把樹脂材料和玻璃材料合成為一體而生產(chǎn)出復(fù)合光學(xué)元件并減小該復(fù)合光學(xué)元件的殘余應(yīng)變，而不會削弱樹脂材料光學(xué)特性，從而提供具有高質(zhì)量和高功能性的光學(xué)元件。本發(fā)明的生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法是一種生產(chǎn)通過加熱將透明熱塑性樹脂材料與透明玻璃材料的一個表面合成為一體的所謂復(fù)合光學(xué)元件的方法。此外，該方法包括:模制步驟，通過在加熱狀態(tài)中將樹脂材料與玻璃材料的一個表面合成為一體而模制復(fù)合光學(xué)元件；冷卻步驟，將模制步驟中制備的復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)變溫度的第一冷卻溫度；加熱步驟，通過使紅外光從玻璃材料的另一表面進入，將樹脂材料的界面層的溫度加熱至等于或高于樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，其中，該界面層接觸玻璃材料，該紅外光的波長范圍是使得樹脂材料的紅外吸收率高于玻璃材料的紅外吸收率；以及應(yīng)力去除步驟，將復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于第一冷卻溫度的第二冷卻溫度。在本發(fā)明的生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法中，通過選擇紅外光波長范圍，在不會過度加熱玻璃材料的情況下，集中地加熱樹脂材料的接觸玻璃材料的界面層，從而根據(jù)應(yīng)力來轉(zhuǎn)移界面層的組織。在整個生成的復(fù)合光學(xué)元件的溫升被抑制為較低的同時，僅僅是界面層軟化了，并且通過使玻璃材料和界面層外部的樹脂材料好像是在界面層處相對彼此滑移，玻璃材料和樹脂材料的殘余應(yīng)力被釋放。之后，玻璃材料和界面層外部的樹脂材料的溫升被抑制為較低，這樣導(dǎo)致了在隨后的冷卻處理中僅有非常少量的冷卻應(yīng)力產(chǎn)生。因此，通過在加熱狀態(tài)下將樹脂材料和玻璃材料合成為一體而生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件并減小該復(fù)合光學(xué)元件的殘余應(yīng)變，而不會削弱樹脂材料光學(xué)特性，從而能夠提供具有高質(zhì)量和高功能性的光學(xué)元件。另外，也能夠生產(chǎn)用于高等級用途的復(fù)合光學(xué)元件或大尺寸的光學(xué)兀件。參考附圖，本發(fā)明的其它特征將從隨后的示范性實施例的說明中變得明顯。


圖1A和IB是復(fù)合光學(xué)元件的說明圖。圖2是用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖3是用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備的動作的說明圖。圖4是在復(fù)合光學(xué)元件的冷卻處理中樹脂層溫度控制的說明圖。圖5是在復(fù)合光學(xué)元件另一冷卻處理中樹脂層的溫度控制的說明圖。圖6是用于復(fù)合光學(xué)元件的另一生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖7A和7B分別是樹脂材料和玻璃材料紅外透射率的曲線圖。
具體實施例方式參考附圖在下文中詳細描述本發(fā)明的一個實施例。通過用替代結(jié)構(gòu)來替換該實施例的部分或全部結(jié)構(gòu)，本發(fā)明也能夠以其他實施例實施，只要樹脂材料的界面層(界面層接觸玻璃材料)通過紅外光被集中加熱。因此，本發(fā)明不但適用于生產(chǎn)玻璃材料被放置在樹脂材料的一個表面上的復(fù)合光學(xué)元件，也適用于生產(chǎn)玻璃材料被放置在樹脂材料兩個表面上的復(fù)合光學(xué)元件。復(fù)合光學(xué)元件的具體應(yīng)用實例包括用于相機的透鏡或棱鏡、用于液晶投影儀的透鏡、用于激光束打印機的f Θ透鏡、用于DVD或⑶的拾取透鏡、衍射光學(xué)元件以及光學(xué)波導(dǎo)。<復(fù)合光學(xué)元件>圖1A和IB是本發(fā)明的復(fù)合光學(xué)元件的說明圖。圖1A示出了樹脂材料I被粘合到玻璃基片2上的復(fù)合光學(xué)元件。圖1B示出了樹脂材料I被粘合到兩個玻璃基片2從而被夾在其中間的復(fù)合光學(xué)元件。〈玻璃材料〉任何玻璃材料都可用于實例中的透鏡，沒有特殊限制。任何適用于樹脂材料和玻璃材料復(fù)合模制的透明玻璃都是完全可以接受的。可使用各種玻璃材料，例如普通光學(xué)玻璃，典型地有硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃和磷酸鹽玻璃，石英玻璃和玻璃陶瓷。本實例中玻璃基片的形狀不會因復(fù)合模制而變化，且因此使用預(yù)先精確制造的基片，以匹配所要模制的模制復(fù)合元件的形狀。圓形、方形或任何其它任意形狀都可用作玻璃基片的形狀(就外部形狀而言)。就玻璃基片的光學(xué)功能表面而言，可從平面、球面、軸對稱非球面表面以及自由形式的表面中選擇表面。作為生產(chǎn)玻璃基片的方法，例如有切割加工、磨削加工、拋光加工以及加壓模制。為了改進與樹脂材料的粘結(jié)性，在樹脂材料所要緊密粘結(jié)的玻璃基片表面上對玻璃基片進行預(yù)處理是理想的。通過用各種具有良好樹脂親和性的硅烷偶聯(lián)劑中的任意一種適當(dāng)?shù)剡M行偶聯(lián)處理，而在玻璃基片表面上進行預(yù)處理。硅烷偶聯(lián)劑的具體例子包括六甲基二硅氮烷、甲基三甲氧基硅烷、三甲基氯硅烷以及三乙基氯硅烷。<樹脂材料>任何樹脂材料都可用于實例中的透鏡，沒有特殊限制。任何適用于樹脂材料和玻璃材料復(fù)合模制的透明熱塑性樹脂都是完全可以接受的。例如，可使用基于聚烯烴的樹脂、丙烯酸樹脂、聚碳酸酯以及聚對苯二甲酸乙二醇酯。此外，為了調(diào)節(jié)樹脂的光學(xué)物理性質(zhì)和機械物理性質(zhì)，其他有機物質(zhì)和無機物質(zhì)也可混入到這些樹脂中。<用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備>圖2是用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的說明圖。圖3是用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備的動作的說明圖。需要注意，在下面對附圖的描述中，與圖2中使用的那些參考標記相同的參考標記是指同樣的結(jié)構(gòu)元件。如圖2中所示，用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備100通過壓縮模制來生產(chǎn)由玻璃材料和樹脂材料形成的復(fù)合透鏡元件，壓縮模制是通過將樹脂材料供給到玻璃基片2和下模4之間隨后加熱壓縮來進行的。相對于具有I μ m以上至4μ m以下的波長范圍的紅外光，作為第一支承部件一個實例的上模3由與樹脂材料相比具有更低吸收率的材料形成，并且在玻璃材料側(cè)上與復(fù)合光學(xué)元件的表面緊密接觸。作為第二支承部件一個實例的下模4在與上模3相反的一側(cè)與復(fù)合光學(xué)元件緊密接觸，并且與上模3 —起擠壓復(fù)合光學(xué)元件。作為紅外光源一個實例的紅外燈8采用穿過上模3和玻璃基片2的紅外光照射復(fù)合光學(xué)元件中的樹脂材料，該紅外光具有I μ m以上至4 μ m以下的波長范圍。復(fù)合光學(xué)元件生產(chǎn)設(shè)備100中使用的壓縮模具101具有以可滑動方式設(shè)在圓筒狀主體模具7中的上模3和下模4。支承玻璃基片2的上模3由透射紅外線的材料制成。上模3的材料沒有特別限制，任何能夠透射紅外線且能夠抵抗壓縮模制壓力的材料都是完全可以接受的。例如，可使用玻璃、氟化鈣、硒化鋅、硅和鍺。 通過使用由溫度控制電路111控制的加熱裝置(加熱器)110，能夠把用于保持上模3的上板5和用于保持下模4的下板6加熱至任意溫度。該溫度控制電路111基于連接至主體模具7的溫度檢測元件(熱敏電阻器)112的輸出來控制樹脂在模制時的溫度。驅(qū)動機構(gòu)(壓力凸輪)120把上板5朝下驅(qū)動，并且將上模3保持的玻璃基片2壓到在下模4上已軟化的樹脂材料I上，從而在壓力下壓延樹脂材料I。控制部121基于設(shè)在下板6處的載荷檢測傳感器122的輸出，以高精度控制在壓力下壓延樹脂材料I時施加在樹脂上的壓力。在樹脂材料I模制之后，冷卻裝置(冷卻風(fēng)扇)130冷卻主體模具7，從而固化樹脂材料?？刂撇?21通過控制溫度控制電路111來啟動冷卻裝置(冷卻風(fēng)扇)130。為了在模制后通過控制冷卻處理而執(zhí)行再次加熱，設(shè)置了遮板9和紅外燈8。遮板9和紅外燈8的動作均由控制部121控制。當(dāng)從紅外燈8發(fā)出紅外線時，通過控制遮板9的開閉，控制部121能夠精確控制由經(jīng)過上模3的紅外線所加熱的樹脂材料I的加熱狀況。紅外燈沒有特別限制，任何燈都是可接受的，只要燈能發(fā)出紅外線。例如，可以使用鹵素?zé)簟⒔饘冫u化物燈、氙燈、碳加熱器、陶瓷加熱器，或者紅外激光器，例如二氧化碳激光器或YAG激光器。能夠透射過玻璃基片2且被樹脂材料I吸收的任何波長的紅外線都完全可以接受。具體地，波長為I μ m至4 μ m,且理想地為1.5 μ m至3 μ m,更理想地為2 μ m至2.8 μ m。紅外照射加熱的樹脂的溫度控制可通過使用非接觸型輻射溫度計執(zhí)行對紅外燈8輸出的回饋而完成。然而，在這一情形下，紅外燈8的發(fā)射強度及照射時間與樹脂溫度之間的關(guān)系被預(yù)先測定，且通過調(diào)節(jié)紅外燈8的發(fā)射強度及照射時間來間接控制樹脂的溫度。需要注意的是，普通紅外燈(而非激光器)發(fā)出具有寬帶波長的紅外線，且因此理想的是使用帶通濾光器8F (或冷光鏡)來用于切斷可見光和具有不必要波長的紅外光。在用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備100中，進入玻璃基片2的紅外光具有在IymW上至4μπι以下的范圍內(nèi)的波長峰值。當(dāng)紅外光的波長范圍為1口111至44 111時，如圖7Α和7Β中所示，紅外光選擇性地僅僅加熱玻璃基片2和樹脂材料I之間界面附近的樹脂，因此能夠充分提供應(yīng)力去除步驟的效果(參見圖7Α和7Β)。照射的紅外光幾乎不被玻璃基片吸收，而是被透明樹脂吸收。當(dāng)紅外線的波長短于I μ m時，大部分紅外線透過透明樹脂而不會被透明樹脂吸收，且因此紅外線不能加熱樹脂。此外，即便樹脂在一定程度上吸收紅外線，紅外線也加熱所有樹脂，因此很難選擇性地僅僅加熱位于界面附近和接觸玻璃基片2的樹脂層。另一方面，當(dāng)紅外線的波長大于4 μ m時，大部分紅外線被玻璃材料吸收，且因此很難僅僅加熱位于界面附近和接觸玻璃基片2的樹脂層?！茨Ｖ撇襟E〉接下來，描述用于控制復(fù)合光學(xué)元件生產(chǎn)設(shè)備100的方法。首先，操作者將樹脂材料I和玻璃基片2放到壓縮模具101中，并向控制部121輸入指令以啟動復(fù)合透鏡元件的模制。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，控制部121控制溫度控制電路111、加熱裝置110、冷卻裝置130以及驅(qū)動機構(gòu)120，因此生產(chǎn)出復(fù)合透鏡元件?？刂撇?21控制溫度控制電路111，以使用加熱裝置110加熱上板5和下板6，從而將樹脂材料I加熱至模制溫度，該模制溫度等于或高于樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度。模制溫度是樹脂材料可模制的溫度，并且不會使樹脂材料降級的任何溫度都完全可以接受。模制溫度的范圍為60°C至400°C，且理想地為80°C至300°C，更理想地為100°C至250°C。然后，控制部121控制驅(qū)動機構(gòu)120以朝下移動上板5，以把由上模3保持的玻璃基片2壓到已軟化的樹脂材料I上，從而在壓力下壓延樹脂材料1，以獲得如圖3中所示的樹脂層10。在這一情形中，施加到樹脂材料I的模制壓力為IMPa至500MPa，且理想地為3MPa至200MPa，更理想地為5MPa至lOOMPa。當(dāng)要施加壓力時，可從開始就施加模制壓力，但理想的是分階段地把壓力從較低壓力增至模制壓力。然后，在施加模制壓力的同時，控制部121控制冷卻裝置130以冷卻上板5和下板6，從而冷卻所有樹脂至等于或低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度，導(dǎo)致整個樹脂固化?！磻?yīng)力去除步驟〉圖4是復(fù)合光學(xué)元件冷卻處理中樹脂層溫度控制的說明圖。如圖3中所示，當(dāng)所填充的接觸玻璃基片2的熔化樹脂被冷卻和固化時，在熔化樹脂的溫度變得低于樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度之后，樹脂層10的流動性喪失，導(dǎo)致了其形狀固化。之后，當(dāng)玻璃基片2與樹脂層10成為一體的模制體被冷卻至室溫時，樹脂層10較玻璃基片2更容易收縮，這是因為樹脂層10的收縮量大于玻璃基片2的收縮量。然而，因為玻璃基片2和樹脂層10被緊密粘合，與用作玻璃基片2的玻璃材料相比具有更小楊氏模量的樹脂層10被抑制了收縮，從而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變。結(jié)果，因為樹脂層的密度差異，在樹脂層中出現(xiàn)了折射率變化，且樹脂層由于其內(nèi)應(yīng)力而出現(xiàn)了翹曲和變形，導(dǎo)致了生成的光學(xué)元件性能降低。因此，復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備100包括應(yīng)力去除步驟，用于在模制步驟之后釋放樹脂層中的應(yīng)變，該模制步驟用于在玻璃基片2和下模4之間填充加熱熔化的樹脂。在應(yīng)力去除步驟中，當(dāng)樹脂被冷卻和固化時，可透射過玻璃基片2且被樹脂材料吸收的具有一定波長范圍的紅外線從玻璃基片側(cè)被施加，從而以等于或高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度僅僅加熱玻璃基片2和樹脂層10之間界面附近的樹脂。也就是說，在所有熔化樹脂被冷卻至等于或低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度時，紅外線從玻璃基片側(cè)發(fā)出，以便以等于或高于樹脂的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度僅僅加熱玻璃基片2和樹脂層10之間界面附近的樹脂，從而釋放樹脂層中的應(yīng)變。如圖3中所示，控制部121驅(qū)動且打開遮板9，從而將從紅外燈8發(fā)出的紅外線穿過上模3和玻璃基片2施加到樹脂層10上。之后，當(dāng)玻璃基片2和樹脂層10之間界面附近的樹脂溫度達到等于或高于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度時，控制部121驅(qū)動并關(guān)閉遮板9，以阻止紅外線的發(fā)出。圖4示出了此時在界面附近的樹脂溫度和內(nèi)部樹脂溫度的變化。控制部121控制復(fù)合光學(xué)元件的冷卻處理，以使圖4中實線所表示的界面附近的樹脂溫度超過玻璃轉(zhuǎn)變溫度，但內(nèi)部樹脂溫度未超過玻璃轉(zhuǎn)變溫度。通過從紅外燈8發(fā)出的紅外線而加熱至等于或高于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度的界面層的厚度為10 μ m至450 μ m,且理想地為20 μ m至200 μ m,更理想地為30 μ m至100 μ m。最終，控制部121使上板5朝上移動從而釋放施加到樹脂的壓力，并且控制冷卻裝置130以將主體模具7的溫度降至室溫，且因此，生成的復(fù)合透鏡元件準備好拿出。在主體模具7被冷卻至室溫之后，操作者從壓縮模具101拿出復(fù)合透鏡元件的模制體，因此獲得復(fù)合光學(xué)元件。<應(yīng)力去除步驟的效果>從良好成型性及大批量生產(chǎn)效率的觀點看，樹脂形成的元件被廣泛用作光學(xué)元件，例如光學(xué)透鏡、棱鏡以及光學(xué)波導(dǎo)。此外，通過向樹脂材料添加其他組分例如無機微粒，易于調(diào)節(jié)樹脂材料的光學(xué)特性例如折射率和散射，因此樹脂材料可用作需要具有特殊光學(xué)特性的消色差透鏡等。然而，100%的樹脂光學(xué)元件易受溫度改變的影響，造成了尺寸的顯著變化和折射率的顯著變化。因此，100%的樹脂光學(xué)元件有時不能滿足在寬溫度范圍中使用的光學(xué)元件所需的性能，例如相機透鏡。為了解決這一問題，已經(jīng)提出通過把透明玻璃材料和透明熱塑性樹脂材料組合來生產(chǎn)兼具樹脂材料良好成型性和光學(xué)特性以及玻璃材料尺寸穩(wěn)定性的復(fù)合光學(xué)元件。此夕卜，也已提出一種復(fù)合光學(xué)元件的模制方法，其中，透明的玻璃基片和透明的熱塑性樹脂模制層合成為一體。然而，當(dāng)樹脂材料和玻璃材料在加熱下被模制成一體并隨后冷卻至室溫時，玻璃材料和熱塑性材料之間收縮程度的差別會在生成的樹脂層中引起殘余應(yīng)變，有可能導(dǎo)致最終生成的光學(xué)元件的性能下降。然而，上述的PTL3并未公開用于改進在樹脂層中因玻璃和樹脂之間收縮量不同而引起應(yīng)變的技術(shù)。通過組合玻璃基片和透明樹脂，可生產(chǎn)兼具樹脂的良好成型性和光學(xué)特性以及玻璃的尺寸穩(wěn)定性的光學(xué)元件。在這一情形下，為了使該光學(xué)元件具有與玻璃相似的尺寸穩(wěn)定性，玻璃基片和樹脂需要彼此牢固地粘合。之后，在復(fù)合模制的冷卻步驟中，玻璃和樹脂之間收縮程度的差異阻礙了樹脂收縮，導(dǎo)致了樹脂中產(chǎn)生應(yīng)變。在冷卻和固化時因玻璃基片和樹脂之間的收縮量差異而引起的內(nèi)部應(yīng)變主要發(fā)生在尤其是玻璃基片和樹脂之間界面附近的樹脂中。相反，通過使用復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備100，可獲得兼具樹脂的良好成型性和光學(xué)特性以及玻璃的尺寸穩(wěn)定性并且在樹脂層中具有較小應(yīng)變的復(fù)合光學(xué)元件。這是因為:執(zhí)行模制步驟，在該模制步驟中，通過在加熱下將樹脂材料與玻璃材料一個表面合成一體而模制復(fù)合光學(xué)元件；隨后執(zhí)行應(yīng)力去除步驟，從而去除了樹脂材料的內(nèi)部應(yīng)變。在應(yīng)力去除步驟中，在模制步驟中生產(chǎn)的復(fù)合光學(xué)元件被冷卻至低于樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)變溫度的第一冷卻溫度，且之后，使具有樹脂材料的紅外吸收率高于玻璃材料的紅外吸收率的波長范圍的紅外光從玻璃材料的另一表面進入。樹脂材料的界面層(該界面層接觸玻璃材料)通過紅外光被加熱至等于或高于樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度，隨后將該界面層冷卻至低于第一冷卻溫度的第二冷卻溫度。具有一定波長范圍的照射紅外線幾乎不被玻璃材料吸收但被樹脂材料吸收，因此，僅僅玻璃基片和樹脂層材料之間界面附近的樹脂層可被選擇性地加熱。之后，玻璃基片和已模制的樹脂層被冷卻至室溫，造成了樹脂層中應(yīng)變減小。通過在具有較小內(nèi)部應(yīng)變的內(nèi)部樹脂的溫度保持在低溫的同時，特別是將僅位于界面附近且具有大的內(nèi)部應(yīng)變的樹脂加熱至等于或高于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度，界面附近中的內(nèi)部應(yīng)變可被減小。之后，當(dāng)再次執(zhí)行冷卻和固化時，收縮量的差異相似地引起了新的內(nèi)部應(yīng)變，但因為內(nèi)部樹脂的收縮量較小，因此，與再次加熱之前的狀態(tài)下相比，內(nèi)部樹脂收縮量相對于玻璃基片收縮量的差異更小，且因此能夠獲得具有較小內(nèi)部應(yīng)變的復(fù)合光學(xué)元件。〈第二和第三應(yīng)力去除步驟〉圖5是復(fù)合光學(xué)元件另一冷卻處理中樹脂層的溫度控制的說明圖。如圖4中所示，即便在復(fù)合透鏡元件模制之后在冷卻處理中執(zhí)行一次通過紅外線照射來加熱樹脂，該加熱對于減小內(nèi)部應(yīng)變也是有效的。然而，如圖5中所示，更為理想的是采用這樣一種溫度曲線，其中，應(yīng)力去除步驟重復(fù)多次，以逐漸降低冷卻溫度。應(yīng)力去除步驟重復(fù)多次，從而能夠生產(chǎn)出樹脂材料具有較小內(nèi)部應(yīng)變的復(fù)合光學(xué)元件。此處，在復(fù)合光學(xué)元件在第一應(yīng)力去除步驟中被冷卻至第二冷卻溫度之后，該復(fù)合光學(xué)元件被紅外光再次照射，從而將界面層加熱至等于或高于樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度，且之后被冷卻至低于第二冷卻溫度的第三冷卻溫度。之后，在復(fù)合光學(xué)元件在第二應(yīng)力去除步驟中被冷卻至第三冷卻溫度時，該復(fù)合光學(xué)元件被紅外光再次照射，從而把界面層加熱至等于或高于樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度，且之后被冷卻至低于第三冷卻溫度的第四冷卻溫度。也就是說，在冷卻和固化時，樹脂的形狀在低于樹脂的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度下被固定，并且由于樹脂溫度降低，樹脂的內(nèi)部應(yīng)變變大。此處，如果樹脂溫度充分降低，則內(nèi)部應(yīng)變增加且玻璃基片與樹脂之間界面附近的內(nèi)部應(yīng)變擴展到樹脂內(nèi)部。之后，即便通過后續(xù)的紅外線加熱而減小界面附近的樹脂層的內(nèi)部應(yīng)變，樹脂內(nèi)部的內(nèi)部應(yīng)變最終也仍將殘
&3甶O此外，如果在樹脂溫度下降至低于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度后立刻通過紅外線加熱而減小內(nèi)部應(yīng)變，在后續(xù)冷卻和固化時的收縮也會引起較大的應(yīng)變，這是因為樹脂內(nèi)部溫度仍舊高到與其玻璃轉(zhuǎn)變溫度接近。因此，在冷卻和固化時，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)變積累了一點時，通過紅外線加熱而一次減少內(nèi)部應(yīng)變。通過這樣重復(fù)多次，能夠在降低樹脂內(nèi)部溫度時減小內(nèi)部應(yīng)變，同時防止了玻璃基片和樹脂之間界面附近的內(nèi)部應(yīng)變擴展到樹脂內(nèi)部。因此，當(dāng)樹脂最終被冷卻至室溫時，其內(nèi)部應(yīng)變能夠被進一步減小。<用于復(fù)合光學(xué)元件的另一生產(chǎn)設(shè)備>圖6是用于復(fù)合光學(xué)元件的另一生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的說明圖。如圖6中所示，通過將玻璃基片和熱塑性樹脂模制成一體形狀來生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法并不限于在實例I中所描述的通過將樹脂材料供給到玻璃基片和模具之間并隨后在加熱下壓縮而執(zhí)行的壓縮模制。在實例2中用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備200通過這樣一種壓縮模制來生產(chǎn)由玻璃材料和樹脂材料形成的復(fù)合透鏡:將樹脂材料供給到玻璃基片2A和玻璃基片2B之間，而后在加熱下壓縮。如圖6中所示，使用了這樣一種模制設(shè)備，其中，下模11和下板12使用能透射紅外線的材料，且紅外燈13設(shè)置在下板12的下方，并且樹脂材料被供給到玻璃基片2A和玻璃基片2B之間的空間內(nèi)。之后，生成的樹脂層的上、下兩個表面都通過執(zhí)行與參考圖1A和IB所描述相同的模制步驟而被模制，并且樹脂層的應(yīng)變通過執(zhí)行與參考圖2所描述相同的應(yīng)力去除步驟而被去除。結(jié)果，可以獲得這樣一種復(fù)合光學(xué)元件，其中，樹脂在兩個玻璃基片之間與兩個玻璃基片合成為一體。需要注意的是，作為通過將玻璃基片和熱塑性樹脂模制成一體形狀來生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，可適當(dāng)?shù)夭捎们都尚头?，其中，通過將熔化的樹脂注射到放置有玻璃基片的注射模具中而將玻璃基片和樹脂合成為一體。(實例I)圖7A和7B是樹脂材料和玻璃材料的紅外透射率的曲線圖。在實例I中，圖2中所示的用于復(fù)合光學(xué)元件的生產(chǎn)設(shè)備100被用于執(zhí)行模制步驟，且之后控制如圖4中所示的冷卻處理，從而模制出盤狀復(fù)合模制體。之后，在被冷卻至室溫之后，測量復(fù)合光學(xué)元件的折射率分布，進而評估其光學(xué)性能。在實例I中，作為透明的熱塑性樹脂材料，使用了由Zeon公司制造的ZEONEX E48R(產(chǎn)品名稱)(玻璃轉(zhuǎn)變溫度:139°C)，該產(chǎn)品是基于聚烯烴的樹脂。如圖1A和IB中所示，作為玻璃基片2，使用了由OHARA公司制造的S-BSL7 (產(chǎn)品名稱)，該產(chǎn)品被加工成具有兩個平表面的盤狀，直徑20mm且厚度為3mm。米用Covalent Material公司制造的QCH-HEATER(產(chǎn)品名稱)(輸出120W)作為紅外燈8。如圖7A和7B中所示，考慮到樹脂材料和玻璃材料的紅外透射率，使用了帶通濾光器8F，并使用了波長為2.4 μ m至2.6 μ m的紅外線。首先，把0.63g的樹脂材料I和玻璃基片2放置在壓縮模具101中，且把樹脂材料I加熱至180°C。之后，把310kg的載荷施加到上模3，并且樹脂材料I在壓力下被壓延，以在玻璃基片2的表面上形成樹脂層(10:圖3)。接下來，在保持載荷的同時，該樹脂被冷卻至90°C，并且打開遮板9以發(fā)出紅外線。在紅外線被發(fā)出3秒鐘后，關(guān)閉遮板9。在這一情形下，被加熱至溫度等于或高于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的樹脂的厚度為60 μ m。之后，生成的復(fù)合光學(xué)元件被冷卻至室溫，生產(chǎn)出模制體。(實例2)執(zhí)行與實例I中相同的模制步驟以模制復(fù)合光學(xué)元件，并且在應(yīng)力去除步驟中，執(zhí)行4秒鐘的紅外照射，這比實例I中的照射時間更長。計算機模擬顯示，在這一情形中，被加熱至溫度等于或高于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的樹脂的厚度為450 μ m。模制出具有與實例I中相同外形的復(fù)合光學(xué)元件，生產(chǎn)出模制體。(實例3)執(zhí)行與實例I中相同的模制步驟以模制復(fù)合光學(xué)元件，并且在應(yīng)力去除步驟中，控制如圖5中所示的冷卻處理。樹脂在壓力下被壓延以形成樹脂層10。當(dāng)樹脂層10被冷卻至110°C時，樹脂層10被紅外線照射2.4秒鐘。接下來，當(dāng)樹脂層10被冷卻至90°C時，樹脂層10被紅外線照射3秒鐘。接下來，當(dāng)樹脂層10被冷卻至60°C時，樹脂層10被紅外線照射4秒鐘。計算機模擬顯示，在這一情形中，通過各次紅外照射而被加熱至溫度等于或高于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的樹脂的厚度為60 μ m。因此，模制出具有與實例I中相同外形的復(fù)合光學(xué)元件，生產(chǎn)出模制體。(比較例I)執(zhí)行與實例I中相同的模制步驟以模制復(fù)合光學(xué)元件，并且在應(yīng)力去除步驟中未執(zhí)行紅外照射，除此之外，執(zhí)行了與實例I中相同的方法以模制具有與實例I中相同外形的復(fù)合光學(xué)元件，生產(chǎn)出模制體。(比較例2)執(zhí)行與實例I中相同的模制步驟以模制復(fù)合光學(xué)元件，并且在應(yīng)力去除步驟中，進行5秒鐘的紅外照射，這一時間比實例2中的照射時間更長。計算機模擬顯示出，在這一情形中，被加熱至溫度等于或高于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度的界面樹脂的厚度為900μπι。除了這點之外，執(zhí)行了與實例I中相同的方法以模制具有與實例I中相同外形的復(fù)合光學(xué)兀件，生產(chǎn)出模制體。<模制體的測量和評估>下面描述測量和評估這樣生產(chǎn)出的各個模制體的方法。通過使用干涉儀來測量模制體的光路長度的分布，計算這樣生產(chǎn)出的復(fù)合光學(xué)元件的模制體的折射率分布。首先，把模制體浸入到匹配油中，該匹配油制備成具有與模制體平均折射率相匹配的折射率。接下來，使用干涉儀(由Zygo公司制造的GPI (產(chǎn)品名稱))來測量模制體的光路長度的分布，布置順序為:相對于干涉儀而言，測量對象和反射鏡。接下來，測量的光路長度分布乘以干涉儀的測量波長(632.8nm)，之后再除以模制體的厚度，從而計算出模制體的折射率分布。表I顯示了獲得的結(jié)果。表I
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，其中，通過加熱把透明熱塑性樹脂材料與透明玻璃材料的一個表面合成為一體，該方法包括: 模制步驟，通過在加熱狀態(tài)中將透明熱塑性樹脂材料與透明玻璃材料的一個表面合成為一體而模制復(fù)合光學(xué)兀件； 冷卻步驟，將模制步驟中制備的復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于透明熱塑性樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的第一冷卻溫度； 加熱步驟，通過使紅外光從透明玻璃材料的另一表面進入，將透明熱塑性樹脂材料的界面層的溫度加熱至等于或高于透明熱塑性樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，其中，該界面層接觸透明玻璃材料，該紅外光的波長范圍是使得透明熱塑性樹脂材料的紅外吸收率高于透明玻璃材料的紅外吸收率；以及 應(yīng)力去除步驟，將復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于第一冷卻溫度的第二冷卻溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，還包括，在把復(fù)合光學(xué)元件冷卻至第二冷卻溫度之后: 使具有所述波長范圍的紅外光從透明玻璃材料的所述另一表面再次進入，從而將界面層的溫度加熱至等于或高于透明熱塑性樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度；并且，之后再次將該復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于第二冷卻溫度的第三冷卻溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，還包括，在把復(fù)合光學(xué)元件冷卻至第三冷卻溫度之后: 使具有所述波長范圍的紅外光從 透明玻璃材料的所述另一表面再次進入，從而將界面層的溫度加熱至等于或高于透明熱塑性樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度；并且，之后將該復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于第三冷卻溫度的第四冷卻溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，其中，具有所述波長范圍的紅外光具有Iym以上至4 μπι以下的波長峰值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任意一項生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，其中，溫度被加熱至等于或高于透明熱塑性樹脂材料的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的界面層具有 ο μ m以上至450 μ m以下的厚度。
全文摘要
提供了一種生產(chǎn)復(fù)合光學(xué)元件的方法，包括在通過在加熱狀態(tài)下將樹脂材料(2)與玻璃材料(1)的一個表面合成為一體而模制復(fù)合光學(xué)元件之后執(zhí)行應(yīng)力去除，其中，在把模制中制備的復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)變溫度的第一冷卻溫度后，通過使具有樹脂材料紅外吸收率高于玻璃材料紅外吸收率的波長范圍的紅外光從玻璃材料的另一表面進入，把樹脂材料的接觸玻璃材料的界面層加熱至等于或高于樹脂材料玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度，且之后把復(fù)合光學(xué)元件冷卻至低于第一冷卻溫度的第二冷卻溫度。
文檔編號B29D11/00GK103189192SQ201180053309
公開日2013年7月3日 申請日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者源田英生 申請人:佳能株式會社