專利名稱：大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過加熱軟化玻璃預(yù)制體并精密模壓它們生產(chǎn)光學(xué)元件的方法。
背景技術(shù)：
在加熱下軟化由光學(xué)玻璃形成的預(yù)制體(初步成型的材料)、送入到具有經(jīng)高精密加工的成型表面的模具中并模壓產(chǎn)生轉(zhuǎn)移有模具成型表面形狀的光學(xué)元件的方法稱為“精密模壓”。已利用上述方法生產(chǎn)光學(xué)元件如各種透鏡包括球面透鏡、非球面透鏡、顯微透鏡等，衍射光柵、具有衍射光柵的透鏡、透鏡陣列、棱鏡等。
作為用于精密模壓的模具的典型例子，常規(guī)上有通過在模具材料(基底材料)成型表面上形成含有鉑(Pt)、鈀(Pd)等的脫模膜得到的模具，模具材料由作為主要成分的碳化鎢(WC)、碳化鈦(TiC)或氮化鈦(TiN)制成并包含作為燒結(jié)助劑(粘合劑)的金屬，這公開在JP-A-7-41326中。
同時，用于生產(chǎn)上述模具的上述模具材料是昂貴的，并且它們非常硬，因而需要大量的時間和勞動力通過對這類材料施加機(jī)械加工步驟如研磨、拋光等來得到模具。模具的成型表面被轉(zhuǎn)移到玻璃預(yù)制體上，已轉(zhuǎn)移有成型表面的預(yù)制體表面構(gòu)成得到光學(xué)元件的功能表面(折射、衍射、透射或部分透射光的表面)，因而要求模具的成型表面為沒有一點(diǎn)粗糙度的光滑表面。這種成型表面的精密加工是非常麻煩的。
此外，當(dāng)由于重復(fù)在高溫下進(jìn)行模壓操作而引起上述含貴金屬的脫模膜出現(xiàn)劃傷或剝落時，需要一旦除去脫模膜就提供新的脫模膜，這需要非常長的時間和造成大量麻煩。
因此希望用于精密模壓的模具在其一旦被生產(chǎn)后應(yīng)在盡可能長的時間內(nèi)可用。
但是，JP-A-7-41326公開的通過在WC、TiC或TiN基模具材料的成型表面上形成含貴金屬的脫模膜得到的上述模具具有相對低的耐熱性。當(dāng)要被成型的玻璃為由于玻璃轉(zhuǎn)化溫度和軟化(sag)溫度高而在高溫下軟化的光學(xué)玻璃時，上述模具的問題在于當(dāng)在650℃或更高的高溫下反復(fù)精密模壓這種玻璃時，模具，尤其是其成型表面上的脫模膜，會被破壞發(fā)生劃傷、剝落或陰晦，從而通過模壓不能再得到具有預(yù)定表面精度的光學(xué)元件。
為了提高模具的壽命，希望用于精密模壓的玻璃應(yīng)具有允許在低溫下模壓的低溫軟化性質(zhì)。
另一方面，近年來需要具有高折射率的光學(xué)玻璃材料以提高光學(xué)設(shè)計中的自由度。
為了通過精密模壓生產(chǎn)由上述高折射率玻璃形成的光學(xué)元件，需要既具有低溫軟化性質(zhì)又具有高折射率的玻璃材料。

發(fā)明內(nèi)容
但是，具有低溫軟化性質(zhì)和高折射率的常規(guī)玻璃包含較大量的用于賦予玻璃低溫軟化性質(zhì)的堿金屬氧化物，并包含極少量的玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成組分用于形成玻璃如B2O3。這些堿金屬氧化物和玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成組分通常對賦予玻璃高折射率貢獻(xiàn)較小。因此，為了生產(chǎn)具有較高折射率的精密模壓玻璃，需要提高高折射率組分的含量。但是，難于在具有大量賦予玻璃低溫軟化性質(zhì)的組分的玻璃組合物中提高高折射率賦予組分的含量。
當(dāng)賦予低溫軟化性質(zhì)的組分的含量降低和賦予高折射率的組分的含量增加時，玻璃不容易在低溫下被軟化，并需要在高溫下進(jìn)行這類玻璃的精密模壓，從而引起上述模具破壞問題發(fā)生。
在這種情況下，難于通過精密模壓由具有顯著高折射率的玻璃穩(wěn)定地大量生產(chǎn)光學(xué)元件。
為解決上述問題進(jìn)行了本發(fā)明，本發(fā)明的一個目的是提供通過精密模壓高生產(chǎn)率地大量生產(chǎn)由高折射率玻璃形成的高精密光學(xué)元件的方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供(1)一種大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，包括重復(fù)利用模具精密模壓光學(xué)玻璃形成的玻璃預(yù)制體生產(chǎn)由所述玻璃形成的光學(xué)元件的步驟，其中模具由對高于650℃的溫度有耐熱性的材料制成，光學(xué)玻璃具有30至小于40的阿貝數(shù)(νd)和超過1.84的折射率(nd)，或光學(xué)玻璃具有40至50的阿貝數(shù)(νd)和滿足表達(dá)式(1)的折射率(nd)，nd＞2.16-0.008×νd ...(1)；(2)一種大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，包括重復(fù)利用模具精密模壓光學(xué)玻璃形成的玻璃預(yù)制體生產(chǎn)由所述玻璃形成的光學(xué)元件的步驟，其中模具由選自碳化硅、氮化硅、氧化鉻、氧化鋯、氧化鋁或碳化鎢的模具材料(不含任何金屬基粘合劑)制成，并且在其成型表面上形成脫模膜，光學(xué)玻璃具有30至小于40的阿貝數(shù)(νd)和超過1.84的折射率(nd)，或光學(xué)玻璃具有40至50的阿貝數(shù)(νd)和滿足表達(dá)式(1)的折射率(nd)，nd＞2.16-0.008×νd ...(1)；(3)如上面(2)所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中脫模膜為含碳薄膜，(4)如上面(1)至(3)中任意一項(xiàng)所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中要被精密模壓的預(yù)制體在其表面上具有防粘薄膜，(5)如上面(1)至(4)中任意一項(xiàng)所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中所述光學(xué)玻璃包含B2O3和La2O3作為基本組分，(6)如上面(5)所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中所述光學(xué)玻璃還包含Gd2O3，和(7)如上面(5)或(6)所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中所述光學(xué)玻璃還包含ZnO。
根據(jù)本發(fā)明，可提供通過精密模壓高精度和高生產(chǎn)率地大量生產(chǎn)由高折射率玻璃形成的光學(xué)元件的方法。


圖1為顯示用于本發(fā)明的光學(xué)玻璃的折射率(nd)和阿貝數(shù)(νd)范圍的圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中使用的精密模壓裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
首先，下文中將說明作為本發(fā)明大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法中使用的玻璃預(yù)制體材料的光學(xué)玻璃。
在本發(fā)明中，用于構(gòu)成精密模壓用玻璃預(yù)制體的玻璃為具有30至50的阿貝數(shù)(νd)的光學(xué)玻璃，但可根據(jù)它們的阿貝數(shù)(νd)和折射率(nd)的范圍將其分成下面兩種玻璃。
第一種玻璃為阿貝數(shù)(νd)為30至小于40和折射率(nd)在超過1.84的范圍內(nèi)的玻璃，第二種玻璃為阿貝數(shù)(νd)為40至50和折射率(nd)在用下面表達(dá)式(1)表示的范圍內(nèi)的玻璃，nd＞2.16-0.008×νd ...(1)。
第一種玻璃具有相當(dāng)大范圍的折射率(nd)，其為通常難于用普通壓模精密模壓而不損害玻璃穩(wěn)定性的玻璃。
對于具有30或更高的阿貝數(shù)(νd)和高折射率的玻璃，通常，當(dāng)折射率恒定時，具有較小阿貝數(shù)(νd)的玻璃具有相對高的穩(wěn)定性，當(dāng)提高阿貝數(shù)(νd)時，較難得到穩(wěn)定的玻璃。因此，象第一種玻璃一樣，阿貝數(shù)大的第二種玻璃也難于用普通壓模精密模壓而不損害玻璃的穩(wěn)定性。
圖1顯示了第一種玻璃和第二種玻璃具有的阿貝數(shù)和折射率的范圍。在圖1中，(A)指示的斜線區(qū)域表示第一種玻璃的阿貝數(shù)和折射率的范圍，(B)指示的斜線區(qū)域表示第二種玻璃的阿貝數(shù)和折射率的范圍(不包括斜線區(qū)域之間的邊界線和白底區(qū)域)。
作為歸入本發(fā)明第一種玻璃和第二種玻璃的玻璃，例如，有組成包含B2O3和La2O3的玻璃。以mol％計優(yōu)選以這樣的含量引入這些組分，即B2O3的含量為20-60％，La2O3的含量為5-22％。
另外，為賦予含B2O3-La2O3的玻璃高折射率而不損害其穩(wěn)定性，優(yōu)選引入Gd2O3。Gd2O3為賦予玻璃高折射率的組分，與La2O3一樣，當(dāng)它與La2O3共存時，它還為提高玻璃穩(wěn)定性的組分。以mol％計Gd2O3的含量優(yōu)選為1-20％。
ZnO也優(yōu)選作為摻入到上述組合物中的組分。盡管ZnO為賦予玻璃在低溫下軟化性質(zhì)的組分，象堿金屬氧化物，但它不容易降低折射率和玻璃穩(wěn)定性。以mol％計ZnO的含量優(yōu)選為5-30％。
以mol％計，上述玻璃的組成優(yōu)選包含20-60％的B2O3，5-22％的La2O3，1-20％的Gd2O3，5-30％的ZnO，0-10％的SiO2，0-6.5％的ZrO2，
0-10％的Li2O，0-5％的Na2O，0-5％的K2O，0-10％的MgO，0-10％的CaO，0-10％的SrO，0-10％的BaO，0-10％的Al2O3，0-10％的Y2O3，0-10％的Yb2O3，0-8％的TiO2，0-8％的Ta2O5，0-8％的Nb2O5，0-8％的WO3，0-8％的Bi2O3，和0-1％的Sb2O3。
PbO為可對環(huán)境造成有害影響的物質(zhì)，并在精密模壓過程中被還原成金屬鉛沉淀到玻璃表面上，金屬鉛粘附到壓模上降低了其成型表面的精確度，因此優(yōu)選不加入PbO。
盡管As2O3可用作澄清劑，但它是可對環(huán)境造成有害影響的物質(zhì)，并可在精密模壓過程中氧化和破壞壓模的成型表面，因此優(yōu)選不加入As2O3。
可加入F，只要不有損本發(fā)明的目的即可。但是，它導(dǎo)致玻璃的折射率降低，并且當(dāng)成型預(yù)制體時，它會從高溫玻璃中揮發(fā)導(dǎo)致玻璃具有條紋，因此優(yōu)選不加入F。
除了這些外，可加入組分象Lu2O3。但是，它產(chǎn)生效果較小且價格高，因此沒有必要加入這種組分。
考慮上述幾點(diǎn)，B2O3、La2O3、Gd2O3、ZnO、SiO2、ZrO2、Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、Al2O3、Y2O3、Yb2O3、TiO2、Ta2O5、Nb2O5、WO3、Bi2O3和Sb2O3的總含量優(yōu)選為95％或更高，更優(yōu)選超過98％，還更優(yōu)選超過99％，又更優(yōu)選100％。
需要提高玻璃的穩(wěn)定性，不僅為了防止在由熔融玻璃成型預(yù)制體時失透，而且為了防止精密模壓過程中晶體析出。隨著壓模溫度的提高，模壓過程中發(fā)生失透的風(fēng)險就增加。當(dāng)使用穩(wěn)定性高的玻璃時，可生產(chǎn)高精度的光學(xué)元件，同時防止了失透，即使在模壓溫度高時。
玻璃的穩(wěn)定性可用玻璃的液相線溫度是高還是低來表示。為了防止成型預(yù)制體過程中失透，特別地，當(dāng)在從流出熔融玻璃中分離出熔融玻璃塊后冷卻重量等于一個預(yù)制體重量的熔融玻璃塊的步驟中成型預(yù)制體時(當(dāng)直接由熔融玻璃塊成型預(yù)制體時)，優(yōu)選使用液相線溫度為1050℃或更低的玻璃，并更優(yōu)選使用液相線溫度為1030℃或更低的玻璃。
玻璃可具有高至1200℃的液相線溫度，只要處于熔融態(tài)的玻璃能被澆鑄到模具內(nèi)并成型為成型材料如玻璃板、玻璃塊料等，然后可對成型材料應(yīng)用機(jī)械加工方法如切割、研磨、拋光等以便生產(chǎn)預(yù)制體即可。但是，玻璃在液相線溫度時的粘度優(yōu)選為2dPa·s或更高。
用于本發(fā)明的玻璃優(yōu)選具有680℃或更低的軟化溫度，以便使模壓溫度盡可能低。
但是，當(dāng)過度降低軟化溫度而保持上述光學(xué)常數(shù)時，會損害玻璃的穩(wěn)定性，因此軟化溫度優(yōu)選限制到590℃或更高，更優(yōu)選限制到超過600℃。至于軟化溫度的上限，可使用760℃作為標(biāo)準(zhǔn)。
下面將說明生產(chǎn)由上述光學(xué)玻璃形成的預(yù)制體的方法。
可通過已知的方法生產(chǎn)用于本發(fā)明精密模壓的玻璃預(yù)制體。方法的例子包括將熔融玻璃澆鑄到模具內(nèi)并冷卻以形成玻璃塊料和通過切割、研磨、拋光等機(jī)械加工玻璃塊料以成型具有光滑表面和重量與精密模壓產(chǎn)品重量相等的預(yù)制體的方法(下文稱為“冷加工法”)，使熔融玻璃流出管路并以重量與上述最終重量相等的玻璃塊的形式滴落的方法(下文稱為“滴落法”)，使熔融玻璃流連續(xù)流出管路、直接用支承構(gòu)件或同時吹氣施加氣壓以支承熔融玻璃流的下端部分，在熔融玻璃流的某處形成狹窄部分，分離位于狹窄部分下面的熔融玻璃得到具有上述最終重量的熔融玻璃塊并成型玻璃塊的方法(下文中稱為“層流成型法”)，和在上述方法中使支承構(gòu)件向下移動以分離位于狹窄部分下面的熔融玻璃的方法(下文中稱為“下降分離法”)。
上述滴落法、層流成型法和下降分離法中的任意一種都稱為熱預(yù)制體成型法。當(dāng)使用熱預(yù)制體成型法和在通過施加氣壓到熔融玻璃塊以使其漂浮或接近漂浮的狀態(tài)下成型熔融玻璃塊的方法(稱為“漂浮成型法”)時，可生產(chǎn)具有光滑表面而沒有任何切痕的預(yù)制體。
根據(jù)模壓產(chǎn)品的形狀成型玻璃預(yù)制體以便具有適當(dāng)形狀，形狀的例子包括球狀、旋轉(zhuǎn)橢球形狀等。
玻璃預(yù)制體形狀，包括上述旋轉(zhuǎn)橢球形狀，優(yōu)選具有一個旋轉(zhuǎn)對稱軸。對于具有一個這種旋轉(zhuǎn)對稱軸的形狀，有這樣的預(yù)制體，其在包含上述旋轉(zhuǎn)對稱軸的橫截面中具有不含任何角或凹進(jìn)的平滑輪廓線，如這種預(yù)制體，其具有橢圓形狀作為輪廓線，其中在上述橫截面中短軸與旋轉(zhuǎn)對稱軸一致。優(yōu)選地，當(dāng)將由連接上述橫截面中預(yù)制體輪廓線上的任意點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)對稱軸上預(yù)制體重心的線和在輪廓線上的上述點(diǎn)處與輪廓線相切的切線形成的一個角視為θ時，并當(dāng)上述點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)對稱軸處開始且沿輪廓線移動時，角θ從90°單調(diào)增加，然后單調(diào)減小，然后單調(diào)增加至在輪廓線與旋轉(zhuǎn)對稱軸相交的另一點(diǎn)處達(dá)到90°。
另外，由于具有較高溫度的玻璃表現(xiàn)出較高的反應(yīng)性，因此希望在預(yù)制體的表面，優(yōu)選整個表面上形成防粘薄膜。防粘薄膜包括例如含碳薄膜、自組織薄膜等，但含碳薄膜是優(yōu)選的。含碳薄膜優(yōu)選具有超過50％(按原子比計)碳含量，氫化碳膜或碳膜是更優(yōu)選的。可通過CVD方法使用乙炔形成氫化碳膜，通過氣相沉積方法形成碳膜。這些防粘薄膜不僅用于防止粘附，而且用于提高模壓過程中玻璃和成型表面之間的潤滑性。
在后文描述的模具材料為碳化硅和氧化鋯兩種情況下，在玻璃預(yù)制體上形成的防粘薄膜優(yōu)選為碳膜。
為防止在玻璃預(yù)制體上形成的防粘薄膜氧化，當(dāng)預(yù)制體處于加熱狀態(tài)或高溫狀態(tài)時，優(yōu)選在包含氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌錃饣旌衔锏姆茄趸瘹夥罩胁僮黝A(yù)制體。
下面將說明用于通過精密模壓上述玻璃預(yù)制體得到光學(xué)元件的壓模。
在本發(fā)明中，用于精密模壓的壓模由對超過650℃的溫度具有耐熱性的材料制成，優(yōu)選由對超過660℃的溫度具有耐熱性的材料制成，還更優(yōu)選由對超過680℃的溫度具有耐熱性的材料制成。在本發(fā)明中，對超過650℃的溫度具有耐熱性的材料是指允許在650℃的壓制溫度下通過反復(fù)精密模壓大量生產(chǎn)光學(xué)元件的材料(“大量生產(chǎn)”的含義在下文中描述)。當(dāng)壓模具有脫模膜時，考慮材料的耐熱性時包括脫模膜的耐熱性。
用于壓模的上述模具材料包括硬質(zhì)陶瓷材料，其例子包括碳化硅、氮化硅、氧化鉻、氧化鋯、氧化鋁和碳化鎢(不含任何金屬基粘合劑)。其中，碳化硅和氧化鋯是優(yōu)選的，碳化硅是更優(yōu)選的，通過CVD方法生產(chǎn)的碳化硅是尤其優(yōu)選的。由于使用了上述硬質(zhì)陶瓷材料，因此可提供由對650℃或更高的溫度有耐熱性的材料制成的壓模。
在通常廣泛使用的含Co粘合劑(一種金屬基粘合劑)的超硬材料(碳化物材料)如WC中，金屬基粘合劑在300℃附近開始發(fā)生氧化，材料的強(qiáng)度在600℃附近降低，材料在700℃附近產(chǎn)生CO氣體和氧氣，因而上述材料具有差的耐熱性，因此不能用于本發(fā)明的方法。除了這些外，含金屬基粘合劑如Ni或Cr的超硬材料也是不合適的。
另外，在本發(fā)明中，模壓在高于常規(guī)溫度的溫度(如650℃或更高的溫度)下進(jìn)行，因而不僅模具的模具材料具有高耐熱性，而且優(yōu)選為模具成型表面提供對超過650℃的溫度、優(yōu)選超過660℃的溫度、還更優(yōu)選超過680℃的溫度具有耐熱性的脫模膜，用于防止具有非常高溫度的玻璃與模具材料反應(yīng)而粘附其上。
上述脫模膜優(yōu)選為含碳薄膜，更優(yōu)選為具有超過50％原子比的碳含量的薄膜，尤其優(yōu)選硬質(zhì)碳膜。
硬質(zhì)碳膜具有金剛石狀結(jié)構(gòu)，并具有高硬度，它在非氧化氣氛中表現(xiàn)出高的耐熱性。為防止脫模膜的氧化，優(yōu)選在非氧化氣氛中操作壓模，例如，在充滿氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌錃饣旌衔锏目臻g中，還優(yōu)選在上述氣氛中進(jìn)行精密模壓。
對于壓模模具材料和脫模膜的組合，優(yōu)選碳化硅模具材料和含碳薄膜的組合，或氧化鋯模具材料和含碳薄膜的組合。
下面將說明本發(fā)明的精密模壓。
在本發(fā)明中，將上述預(yù)制體放入到上述模具內(nèi)并在高溫下模壓(壓制)。本發(fā)明中的模壓溫度優(yōu)選高于常規(guī)精密模壓使用的模壓溫度，并優(yōu)選為650℃或更高，更優(yōu)選670℃或更高。
本發(fā)明中使用的精密模壓方法包括下面的精密模壓方法1和精密模壓方法2。
(精密模壓方法1)這種方法為包括將玻璃預(yù)制體放入到壓模內(nèi)、一起加熱上述壓模和預(yù)制體然后精密模壓預(yù)制體的方法。
在精密模壓1中，優(yōu)選一起加熱壓模和上述玻璃預(yù)制體至構(gòu)成預(yù)制體的玻璃表現(xiàn)出106-1012dPa·s粘度的溫度，以進(jìn)行預(yù)制體的精密模壓。
另外，在模壓后，理想地，冷卻預(yù)制體至上述玻璃表現(xiàn)出1012dPa·s或更高粘度的溫度，更優(yōu)選1014dPa·s或更高，還更優(yōu)選1016dPa·s或更高，然后從壓模中取出玻璃成型產(chǎn)品。
在上述條件下，不僅可將壓模成型表面的形狀精密地傳遞到玻璃上，而且可不引起任何精密模壓產(chǎn)品變形地取出精密模壓的產(chǎn)品。
(精密模壓方法2)這種方法為包括分開預(yù)熱壓模和玻璃預(yù)制體、將預(yù)熱的預(yù)制體放入到壓模中并精密模壓預(yù)制體的方法。
根據(jù)精密模壓方法2，在將上述玻璃預(yù)制體放入到壓模中前預(yù)熱預(yù)制體，從而可減少成型周期時間，并生產(chǎn)沒有表面缺陷且表面精度優(yōu)異的光學(xué)元件。
在精密模壓方法2中，優(yōu)選預(yù)熱上述預(yù)制體至構(gòu)成預(yù)制體的玻璃表現(xiàn)出109dPa·s或更低粘度的溫度，更優(yōu)選粘度為109dPa·s。
此外，優(yōu)選在使上述預(yù)制體漂浮的同時預(yù)熱預(yù)制體。在這種情況下，更優(yōu)選預(yù)熱預(yù)制體至構(gòu)成上述預(yù)制體的玻璃表現(xiàn)出105.5-109dPa·s粘度的溫度，還更優(yōu)選預(yù)熱至玻璃表現(xiàn)出105.5或更高但低于109dPa·s粘度的溫度。
此外，優(yōu)選將預(yù)熱壓模的溫度設(shè)定在比預(yù)熱預(yù)制體的溫度低的溫度。當(dāng)預(yù)熱壓模的溫度設(shè)定在比預(yù)熱預(yù)制體的溫度低的溫度時，可減少上述模具的磨損。預(yù)熱壓模的溫度優(yōu)選為構(gòu)成上述預(yù)制體的玻璃表現(xiàn)出109-1012dPa·s粘度的溫度。
然后，優(yōu)選地，玻璃成型產(chǎn)品的冷卻與開始模壓玻璃預(yù)制體同時開始或在模壓玻璃預(yù)制體過程中開始。在模壓后，優(yōu)選將模壓產(chǎn)品冷卻至構(gòu)成上述預(yù)制體的玻璃表現(xiàn)出1012dPa·s或更高粘度的溫度，然后從模具中取出玻璃成型產(chǎn)品。
從壓模中取出通過精密模壓得到的玻璃成型產(chǎn)品并根據(jù)需要逐漸冷卻。當(dāng)作為最終產(chǎn)品的光學(xué)元件為透鏡時，可根據(jù)需要在玻璃成型產(chǎn)品上涂布光學(xué)薄膜。
本發(fā)明的基本構(gòu)成特征在于重復(fù)通過上述精密模壓法生產(chǎn)光學(xué)元件的步驟以大量生產(chǎn)光學(xué)元件。
根據(jù)本發(fā)明，可使用由折射率高和只可在較高溫度下軟化的光學(xué)玻璃形成的預(yù)制體作為玻璃預(yù)制體，即使使用這種預(yù)制體，使用由對超過650℃的溫度有耐熱性的模具材料制成的壓模，或由選自碳化硅、氮化硅、氧化鉻、氧化鋯或氧化鋁的硬質(zhì)陶瓷材料作為模具材料制成并在其成型表面上具有脫模膜的壓模，從而模具材料和壓模的成型表面即使在重復(fù)多次精密模壓時也不會被破壞，并因此可大量生產(chǎn)表面精度優(yōu)異的光學(xué)元件。
上述光學(xué)元件的“大量生產(chǎn)”是指通過重復(fù)使用單個模具經(jīng)精密模壓法生產(chǎn)光學(xué)元件的步驟來生產(chǎn)大量相同的光學(xué)元件，上述步驟的重復(fù)次數(shù)是指工業(yè)上或商業(yè)上合算的次數(shù)，例如，至少100次，優(yōu)選至少300次，尤其優(yōu)選至少500次。
按上述方式大量生產(chǎn)的光學(xué)元件的具體例子包括各種透鏡如球面透鏡、非球面透鏡、顯微透鏡等、衍射光柵、具有衍射光柵的透鏡、透鏡陣列、棱鏡等。
這些光學(xué)元件根據(jù)需要可具有光學(xué)薄膜如減反射薄膜、全反射薄膜、部分反射薄膜或具有光譜特性的薄膜等。
實(shí)施例實(shí)施例1(使用模具材料為碳化硅的模具的實(shí)施例)(玻璃預(yù)制體的生產(chǎn))稱量玻璃原料得到具有如表1所示組成的各種玻璃。對于每種玻璃，混合原料，將混合物放在鉑坩堝中，同時在電爐中于1250℃和大氣下加熱混合物2小時，熔融攪拌得到均勻熔融玻璃。
然后，將這樣得到的熔融玻璃澆鑄到由碳制成的40×70×15mm的模具內(nèi)，并逐漸冷卻至玻璃轉(zhuǎn)化溫度，隨后立即將其放到退火爐中，并在玻璃轉(zhuǎn)化溫度附近退火1小時，并在退火爐中逐漸冷卻至室溫，得到光學(xué)玻璃。按照這種方式，得到表1中所示的光學(xué)玻璃1至4。通過顯微鏡在視覺上放大并觀察這樣得到的光學(xué)玻璃，顯示未發(fā)現(xiàn)沉淀晶體和沒有殘留未熔融原料。
表1顯示了得到的每種光學(xué)玻璃的折射率(nd)、阿貝數(shù)(νd)、玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)、軟化溫度(Ts)和液相線溫度(LT)連同它們的組成。按如下測量光學(xué)玻璃的上述性質(zhì)。
(1)折射率(nd)和阿貝數(shù)(νd)測量在-30℃/小時的逐漸冷卻降溫速度下得到的光學(xué)玻璃。
(2)玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)和軟化溫度(Ts)在4℃/分鐘的升溫速度和10gf負(fù)荷下使用Rigaku Corporation供應(yīng)的熱力學(xué)分析儀測量。
(3)液相線溫度(LT)將50g玻璃樣品放在鉑坩堝中，在加熱下熔化，然后在恒定溫度下保持2小時，冷卻，并通過顯微鏡觀察玻璃樣品是否存在沉淀晶體。當(dāng)以10℃間隔改變上述恒定溫度時，在每個溫度下進(jìn)行上述操作，未發(fā)現(xiàn)晶體的最低溫度被視為液相線溫度。
然后，澄清和均化玻璃1至4中的每一種，通過滴落法和下降分離法由這樣制備的玻璃分離各自具有指定重量的熔融玻璃塊。通過漂浮成型法將得到的熔融玻璃塊成型為球形預(yù)制體。
然后，對于玻璃5，將其熔融玻璃澆鑄到模具內(nèi)形成板狀玻璃，逐漸冷卻這種玻璃，然后通過冷加工法加工成球形預(yù)制體。
通過CVD方法或氣相沉積方法在這些預(yù)制體中每個的整個表面上形成碳膜，以生產(chǎn)各自具有CVD碳膜的預(yù)制體和各自具有氣相沉積碳膜的預(yù)制體。
(通過精密模壓方法1生產(chǎn)光學(xué)元件)使用圖2所示的壓制裝置通過精密模壓方法1精密模壓由玻璃4形成的具有按上述得到的碳膜的預(yù)制體，得到非球面透鏡。具體地說，將玻璃預(yù)制體4放在具有上部模具構(gòu)件1、下部模具構(gòu)件2和套筒3的壓模的下部模具構(gòu)件2和上部模具構(gòu)件1之間。作為構(gòu)成壓模的上部模具構(gòu)件1和下部模具構(gòu)件2，使用各自通過CVD方法由碳化硅制成并且成型表面具有硬質(zhì)碳脫模膜的模具構(gòu)件。
然后，將氮?dú)夥找氲绞⒐?1中，電驅(qū)動加熱器12加熱石英管11的內(nèi)部，設(shè)定壓模內(nèi)部的溫度在待成型的玻璃表現(xiàn)出108-1010dPa·s粘度的溫度。在保持這種溫度的同時，使壓制桿13向下移動以壓制上部模具構(gòu)件1，從而固定在模具中的玻璃預(yù)制體被壓制。在8MPa的壓力下進(jìn)行壓制，壓制時間30秒。壓制后，釋放壓制壓力，并在通過模壓得到的玻璃成型產(chǎn)品與下部模具構(gòu)件2和上部模具構(gòu)件1接觸的狀態(tài)下，逐漸將玻璃成型產(chǎn)品冷卻至上述玻璃具有1012dPa·s或更高粘度的溫度。然后使其快速冷卻至室溫，并從模具中取出，得到非球面透鏡。
在取出玻璃成型產(chǎn)品(非球面透鏡)后，重復(fù)將由相同玻璃材料形成的具有碳膜的預(yù)制體放入到上述壓模中并精密模壓預(yù)制體以生產(chǎn)非球面透鏡的步驟1000次，以大量生產(chǎn)非球面透鏡。
當(dāng)進(jìn)行上述精密模壓1000次時，從最初階段到最后階段沒有粘附發(fā)生，并且在任何情況下，都沒有發(fā)現(xiàn)壓模材料和成型表面的損壞。另外，所有這樣得到的非球面透鏡表面精度和外觀優(yōu)良。按照上述方式，能穩(wěn)定地大量生產(chǎn)各自具有高折射率的非球面透鏡。得到的非球面透鏡可各自配以減反射薄膜。
在這個生產(chǎn)實(shí)施例中，玻璃預(yù)制體和模具一起被加熱，因而玻璃和模具具有幾乎相同的溫度，表1顯示了作為壓模溫度的這種溫度。
(通過精密模壓方法2生產(chǎn)光學(xué)元件)通過精密模壓方法2精密模壓如上所述的各自具有碳膜的相同玻璃預(yù)制體，得到非球面透鏡。
在這種方法中，在使預(yù)制體漂浮的同時將預(yù)制體預(yù)熱至構(gòu)成預(yù)制體的玻璃具有108dPa·s粘度的溫度。另一方面，加熱具有上述上部模具構(gòu)件1、下部模具構(gòu)件2和套筒3的上述壓模至構(gòu)成上述玻璃預(yù)制體的玻璃表現(xiàn)出109-1012dPa·s粘度的溫度，然后將預(yù)熱的預(yù)制體放入到模腔中并精密模壓。壓制壓力設(shè)定在10MPa。在壓制開始的同時，開始冷卻玻璃和壓模，并將它們冷卻到成型玻璃具有1012dPa·s或更高粘度的溫度。然后，從模具中取出玻璃成型產(chǎn)品而得到非球面透鏡。
在取出玻璃成型產(chǎn)品(非球面透鏡)后，重復(fù)將由相同玻璃材料形成的具有碳膜的同樣預(yù)熱的玻璃預(yù)制體放入到上述壓模中并精密模壓生產(chǎn)非球面透鏡的步驟總計1000次，以大量生產(chǎn)非球面透鏡。
當(dāng)重復(fù)進(jìn)行精密模壓1000次時，從最初階段到最后階段沒有粘附發(fā)生，并且在任何情況下，都沒有發(fā)現(xiàn)壓模材料和成型表面的損壞。另外，所有這樣得到的非球面透鏡表面精度和外觀優(yōu)良。按照上述方式，能穩(wěn)定地大量生產(chǎn)各自具有高折射率的非球面透鏡。得到的非球面透鏡可各自配以減反射薄膜。
表1顯示了這個生產(chǎn)實(shí)施例中的模壓溫度。在這種情況下，預(yù)熱預(yù)制體的溫度高于預(yù)熱模具的溫度，因而將模具暴露的最高溫度視為模壓溫度。
表1

(*)Sb2O3的含量基于其它組分的總量計算。
實(shí)施例2(使用模具材料為氮化硅的模具的實(shí)施例)通過按與實(shí)施例1精密模壓方法1相同的方式精密模壓大量生產(chǎn)非球面透鏡，除了模具用上部模具構(gòu)件1和下部模具構(gòu)件2由氮化硅制成且成型表面具有硬質(zhì)碳脫模膜的模具替換，且預(yù)制體用由玻璃2形成且各自具有碳膜的預(yù)制體替換外。
結(jié)果，直到進(jìn)行模壓500次，得到的透鏡的表面精度和外觀都優(yōu)良。壓制次數(shù)達(dá)到1000次時得到的透鏡與壓制次數(shù)達(dá)到500次時得到的透鏡相比，表面精度和外觀稍差，不過具有作為透鏡的足夠功能。
實(shí)施例3(使用模具材料為氧化鋯的模具的實(shí)施例)按與實(shí)施例1精密模壓方法1相同的方式大量生產(chǎn)非球面透鏡，除了模具用上部模具構(gòu)件1和下部模具構(gòu)件2由氧化鋯制成且成型表面具有硬質(zhì)碳脫模膜的模具替換，且預(yù)制體用由玻璃3形成且各自具有碳膜的預(yù)制體替換外。
結(jié)果，直到進(jìn)行壓制500次，得到的透鏡的表面精度和外觀都優(yōu)良。壓制次數(shù)達(dá)到1000次時得到的透鏡與壓制次數(shù)達(dá)到500次時得到的透鏡相比，表面精度和外觀稍差，不過具有作為透鏡的足夠功能。
實(shí)施例4(使用模具材料為氧化鋁的模具的實(shí)施例)按與實(shí)施例1精密模壓方法2相同的方式大量生產(chǎn)非球面透鏡，除了模具用上部模具構(gòu)件1和下部模具構(gòu)件2由氧化鋁制成且成型表面具有硬質(zhì)碳脫模膜的模具替換，且預(yù)制體用由玻璃5形成且各自具有碳膜的預(yù)制體替換外。
結(jié)果，直到進(jìn)行壓制500次，得到的透鏡的表面精度和外觀都優(yōu)良。壓制次數(shù)達(dá)到1000次時得到的透鏡與壓制次數(shù)達(dá)到500次時得到的透鏡相比，表面精度和外觀稍差，不過具有作為透鏡的足夠功能。
實(shí)施例5(使用模具材料為碳化鎢(不含金屬基粘合劑)的模具的實(shí)施例)按與實(shí)施例1精密模壓方法2相同的方式大量生產(chǎn)非球面透鏡，除了模具用上部模具構(gòu)件1和下部模具構(gòu)件2由碳化鎢(不含金屬基粘合劑)制成且成型表面具有硬質(zhì)碳脫模膜的模具替換，且預(yù)制體用由玻璃1形成且各自具有碳膜的預(yù)制體替換外。
結(jié)果，直到進(jìn)行壓制500次，得到的透鏡的表面精度和外觀都優(yōu)良。壓制次數(shù)達(dá)到1000次時得到的透鏡與壓制次數(shù)達(dá)到500次時得到的透鏡相比，表面精度和外觀稍差，不過具有作為透鏡的足夠功能。
對比例1(使用模具材料為碳化鎢(含鈷粘合劑)的模具的實(shí)施例)按與實(shí)施例1精密模壓方法2相同的方式大量生產(chǎn)非球面透鏡，除了模具用上部模具構(gòu)件1和下部模具構(gòu)件2由含鈷粘合劑的碳化鎢制成且成型表面具有鉑合金脫模膜的模具替換，且預(yù)制體用由玻璃1形成且各自具有碳膜的預(yù)制體替換外。
結(jié)果，脫模膜在短時間內(nèi)失效，玻璃成型產(chǎn)品變得具有霧面，或在玻璃和模具之間經(jīng)常發(fā)生粘附。當(dāng)進(jìn)行模壓100次時，形成有缺陷的產(chǎn)品。
產(chǎn)業(yè)實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，可高精度地和高生產(chǎn)率地大量生產(chǎn)由高折射率玻璃形成的光學(xué)元件如各種透鏡、衍射光柵、透鏡陣列、棱鏡等。
權(quán)利要求
1.一種大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其包括重復(fù)該利用模具精密模壓由光學(xué)玻璃形成的玻璃預(yù)制體而生產(chǎn)由所述玻璃形成的光學(xué)元件的步驟，其中該模具由對高于650℃的溫度有耐熱性的材料制成，而該光學(xué)玻璃具有30至小于40的阿貝數(shù)(νd)和超過1.84的折射率(nd)，或該光學(xué)玻璃具有40至50的阿貝數(shù)(νd)和滿足表達(dá)式(1)的折射率(nd)，nd＞2.16-0.008×νd … (1)。
2.一種大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其包括重復(fù)該利用模具精密模壓由光學(xué)玻璃形成的玻璃預(yù)制體而生產(chǎn)由所述光學(xué)玻璃形成的光學(xué)元件的步驟，其中該模具由選自碳化硅、氮化硅、氧化鉻、氧化鋯、氧化鋁或碳化鎢(不含任何金屬基粘合劑)的模具材料制成，并且在其成型表面上形成脫模膜，而該光學(xué)玻璃具有30至小于40的阿貝數(shù)(νd)和超過1.84的折射率(nd)，或該光學(xué)玻璃具有40至50的阿貝數(shù)(νd)和滿足表達(dá)式(1)的折射率(nd)，nd＞2.16-0.008×νd … (1)。
3.如權(quán)利要求2所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中脫模膜為含碳薄膜。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中待精密模壓的預(yù)制體在其表面上具有防粘薄膜。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中所述光學(xué)玻璃包含B2O3和La2O3作為基本組分。
6.如權(quán)利要求5所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中所述光學(xué)玻璃還包含Gd2O3。
7.如權(quán)利要求5或6所述的大量生產(chǎn)光學(xué)元件的方法，其中所述光學(xué)玻璃還包含ZnO。
全文摘要
一種高生產(chǎn)率地大量生產(chǎn)由高折射率玻璃形成的光學(xué)元件的方法，包括重復(fù)該利用模具精密模壓光學(xué)玻璃形成的玻璃預(yù)制體生產(chǎn)由所述玻璃形成的光學(xué)元件的步驟，其中模具由對高于650℃的溫度有耐熱性的材料制成，光學(xué)玻璃具有30至小于40的阿貝數(shù)(νd)和超過1.84的折射率(nd)，或光學(xué)玻璃具有40至50的阿貝數(shù)(νd)和滿足表達(dá)式(1)的折射率(nd)，nd＞2.16－0.008×νd … (1)。
文檔編號C03C3/12GK1683264SQ20051006497
公開日2005年10月19日 申請日期2005年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月12日
發(fā)明者林和孝 申請人:Hoya株式會社