CN101062581A - 形成光学元件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及形成光学元件的装置和方法。所述装置包括一对成型模具，所述一对成型模具各自具有彼此面对的相对面。这一对成型模具中的至少一个被制成允许硬化能量从其自身穿过。框架形模具部件设置成插入在该成型模具对的相对面之间以覆盖各个成型模具的相对面上的外周部分，从而限定一空腔。在如此设置的装置中，能量硬化树脂被填入所述空腔，接着经受穿过所述一对成型模具中的至少一个成型模具的硬化能量而被硬化。

Description

形成光学元件的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种形成由紫外光硬化树脂制成的光学元件的装置和方法。

背景技术

光学元件，例如用在包括照相机等的光学装置中的透镜，通常是由玻璃或塑料制成。和玻璃制成的相比，塑料制成的光学元件质量轻，抗冲击性良好并且制造成本低。因此，塑料制成的光学元件广泛应用于各种光学装置。

塑料制成的光学元件已知的是利用热塑性树脂，热固性树脂或紫外光硬化树脂形成。

热塑性树脂制成的光学元件用例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)的热塑性树脂通过注模形成。使用这种方法，虽然在短的时间周期可以大量生产，但是在内部均匀性和转录透镜表面的能力上存在不足。

热固性树脂制成的光学元件通过在铸件中热聚合例如二甘醇二芳基碳酸盐(diethylene glycol bisaryl carbonate)(CR-39)的热固性树脂而形成。该方法在内在均匀性和转录透镜表面的能力上是优秀的；但是，由于其需要几个小时并且延长数十个小时以用于聚合，所以该方法在大量生产能力方面不足。

为了克服液体注模时热聚合中遇到的缺点，人们已经提出了各种在短时间周期内大量生产例如透镜的光学元件的方法，其中将诸如高压汞蒸汽灯和金属卤化物灯等的光源发出的紫外光施加到紫外光硬化树脂以便引起聚合作用来硬化紫外光硬化树脂。

在使用紫外光硬化树脂形成光学元件的上述方法中，必然需要使用紫外光可以透射通过的成型模具，例如玻璃。例如，这公开在日本专利临时公报No.55-132221，No.07-100835和No.08-1807中。

发明内容

如上所述，在形成紫外光硬化树脂制成的光学元件的装置和方法中需要使用透明玻璃制成的可以透射紫外光的成型模具，下文中将讨论其产生的问题。

(i)在形成图29所示的透镜101的时候，需要使一对成型模具102，103在其彼此面对的表面上各自所具有的最外周部分具有如图30所示的边缘，成型模具102，103的表面限定出一空腔。当成型模具102，103由玻璃制成时，玻璃是易碎的并易于裂开，使得最外周部分易产生细小的缺损或缺口105、裂纹106等，如图31所示。当利用具有缺损105的成型模具形成透镜101时，所谓的毛刺107出现在透镜101上，如图32所示，因此降低了透镜101的质量。

(ii)在将透镜101安装到镜筒上时，由于透镜101具有出现在安装基面的毛刺107，所以将该透镜101安装到照相机等的镜筒时，透镜101在镜筒108内部是倾斜的以致于造成光轴109偏移，如图33所示，因此需要去毛刺操作。作为一种无需去除毛刺107的防止光轴109偏移的方法，可以在镜筒108内部形成可将毛刺107收容在其内的空隙110，如图34所示。然而，这使镜筒108的设计变得复杂并且降低了设计的灵活性。

(iii)在使用具有裂纹106的成型模具102，103时，在熔融树脂注入成型模具的操作期间，熔融树脂流入细小裂纹106。然后，在树脂硬化和收缩时，一部分成型模具在具有裂纹106的部分剥离。这种现象随着流入裂纹106的树脂量的增加而变得显著，因为收缩的绝对量随着树脂量的增加而增加。

鉴于上述内容，需要提供一种形成例如透镜的光学元件的装置和方法，其中即使出现缺损或裂纹(这是玻璃等制成的成型模具具有的最大缺点)，该缺损或裂纹也难于对产品产生不良影响。

此外，需要提供一种形成例如透镜的光学元件的装置和方法，其中在形成操作之后不需要去毛刺的操作。

在根据本发明实施例的形成光学元件的装置中，一对成型模具各自具有彼此面对的相对面。所述一对成型模具中的至少一个成型模具允许硬化能量从其自身穿过。框架形模具部件设置成插入在所述一对成型模具的相对面之间，以覆盖各个成型模具的相对面上的外周部分，从而限定一空腔。然后，能量硬化树脂(energy hardening resin)被填充到所述空腔中，然后经受穿过所述一对成型模具中的至少一个成型模具的硬化能量而被硬化。

另外，根据本发明实施例的形成光学元件的方法包括以下步骤：(a)准备一对成型模具，所述成型模具各自具有彼此面对的相对面，所述一对成型模具中的至少一个成型模具允许硬化能量从其自身穿过；(b)在所述一对成型模具的相对面之间插入一模具部件，使得所述模具部件的各个底表面覆盖各个所述成型模具的相对面上的外周部分，从而限定一空腔；(c)将能量硬化树脂填入所述空腔；以及(d)向所述能量硬化树脂施加硬化能量以硬化所述能量硬化树脂，从而在框架形模具部件内部形成成型树脂物品(formedresin article)。

在根据本发明实施例的形成光学元件的装置中，插入一对成型模具的相对面之间的模具部件设置成覆盖各个成型模具的相对面上的外周部分。因此，即使例如缺口之类的细小损伤存在于相对面的外周部分上，所形成的光学元件也可避免所述损伤带来的毛刺。此外，即使成型模具相对面的最外周部分上具有裂纹，也可以防止熔融树脂流入所述裂纹。这使成型模具免于出现当树脂硬化和收缩时一部分成型模具在裂纹附近剥离的情况。

根据本发明实施例的形成光学元件的方法是一种简单的方法，其中通过在一对成型模具的相对面的外周部分之间插入模具部件，形成光学元件。所述方法中，可以通过模具部件形成光学元件，同时保护所述一对成型模具的相对面的最外周部分。此外，即使在一对成型模具各自的相对面的最外周部分上具有缺损或裂纹，也可以形成没有毛刺等的光学元件。

透镜中的毛刺即使出现在透镜的光学有效直径部分之外，也可能带来闪耀，因为毛刺散射穿过透镜的光学有效直径部分之外的光以致于其返回光学有效直径部分。然而，根据本发明实施例的装置和方法可靠地防止了毛刺的出现，使得在上述情况下难以出现闪耀。此外，成型模具的相对面的最外周部分不需要形成边缘，而可被倒角成具有任何希望的形状。更具体地，成型模具的相对面的最外周部分可被倒角成具有所谓“C-表面”，使得形成虚锥的一部分，或可被倒角成具有一定曲率半径的所谓的“R-表面”。通过这样，成型模具的强度得到改进并降低了其破损的危险。这样不仅可以得到经久耐用的成型模具，而且从减少设备更换的角度看，同时还降低了成本。另外，树脂在其硬化期间不可避免地收缩，使得在树脂收缩状态下不能确保光轴的精度和偏心率，因此需要进行对中操作以获得足以相对于镜筒作为安装基准的精确尺寸。然而，根据本发明实施例的装置和方法使用外部尺寸有保证的模具部件来提高了光学元件的外部尺寸的精度，从而实现高精度的光轴和偏心率。

附图说明

图1是根据本发明实施例的形成光学元件的装置的示意性截面图；

图2是框架形模具部件的透视图；

图3是形成光学元件所采取的步骤的流程图；

图4是示出形成光学元件所采取步骤的示意性截面图；

图5是示出形成光学元件所采取步骤的示意性截面图；

图6是示出形成光学元件所采取步骤的示意性截面图；

图7是示出形成光学元件所采取步骤的示意性截面图；

图8是示出形成光学元件所采取步骤的示意性截面图；

图9是成形的光学元件的截面图；

图10是成形的光学元件的透视图；

图11A是模具部件的第一变型的透视图；

图11B是模具部件的第一变型的截面图；

图12A是模具部件的第二变型的透视图；

图12B是模具部件的第二变型的截面图；

图13A是模具部件的第三变型的透视图；

图13B是模具部件的第三变型的截面图；

图14是模具部件的第四变型的透视图；

图15是示出形成光学元件所采取步骤的示意性截面图，其中使用模具部件的第四变型；

图16是示出形成光学元件所采取步骤的示意性截面图，其中使用模具部件的第四变型；

图17是使用模具部件的第四变型成形的光学元件的透视图；

图18A是模具部件的第五变型的透视图；

图18B是模具部件的第五变型的截面图；

图19是示出模具部件的第五变型的效果的截面图；

图20是示出模具部件的第五变型的效果的截面图；

图21是模具部件的第六变型的透视图；

图22是示出模具部件的第六变型的效果的截面图；

图23是示出成型树脂物品脱离模具部件的状态的截面图；

图24是示出树脂被硬化而不能达到空腔的外周部分的情况的截面图；

图25是示出模具部件和成型树脂物品的透视图，该树脂物品成形为矩形；

图26是示出模具部件和成型树脂物品的透视图，该树脂物品如此成形以使得一部分圆弧由直线代替；

图27是示出形成弯月形透镜情况的说明图；

图28是示出形成双凹透镜情况的说明图；

图29是树脂制成的透镜的截面图；

图30是形成透镜的装置的截面图；

图31是示出玻璃制成的成型模具存在的缺点的截面图；

图32是其中出现毛刺的透镜的截面图；

图33是示出其中出现毛刺的透镜存在的缺点的截面图；以及

图34是示出其中出现毛刺的透镜存在的缺点的截面图。

具体实施方式

现在将参考附图讨论根据本发明的形成光学元件的装置和方法的实施例。图1是根据本发明的形成光学元件的实施例装置1的截面图。装置1在下文中将仅简称为“成型装置1”。图2是模具部件的透视图。图3是形成方法的流程图。图4-8是示出利用成型装置1形成光学元件所采取的每一步骤的示意性截面图。

如图1所示，成型装置1包括一对成型模具，即第一(或上)和第二(下)成型模具2和3，和使第一和第二成型模具2和3中心对准的套筒4。第一和第二成型模具2和3由紫外线可透射的玻璃制成。该玻璃优选地由高紫外线透射率的材料制成，例如人造石英；然而，该玻璃也可由人造石英之外的材料制成。第一和第二成型模具2和3适于通过附图中省略的模具移动机构向上和向下移动，以便能够插入套筒4。

第一和第二成型模具2和3分别具有下部和上部相对面。第一和第二成型模具2和3凹入以在每一个下部和上部相对面的中心部分具有球面或非球面凹面5。每一个下部和上部相对面包括作为凹面5的外周部分的平面6。光学元件的光学有效直径部分由第一和第二成型模具2和3的凹面5限定。此外，光学元件的安装基面由平面6相对于镜筒等限定。为了便于取出产品，如果需要，第一和第二成型模具2和3的下部和上部相对面可涂覆例如氟之类的脱模剂。

在第一和第二成型模具2和3的下部和上部相对面之间，插入框架形模具部件7以便覆盖第一和第二成型模具2和3的下部和上部相对面中的每一个所具有的外周部分(或每一个平面6具有的外周部分)，并且被装入作为能量硬化树脂的紫外光硬化树脂。模具部件7具有通常是平面6的宽度w2的一半的宽度W1。模具部件7适于覆盖例如缺口6a之类的损伤部分，即使该损伤是在第一和第二成型模具2和3的下部和上部相对面中的每一个所具有的最外周部分上产生的。

框架形模具部件7由金属或树脂制成并形成为环状，如图2所示。考虑到重量的减轻和施加到将要形成的光学元件上的压力，模具部件7优选由具有适当弹性的树脂制成。此外，模具部件7可以由线性膨胀系数大致等于形成光学元件的树脂的树脂制成，从而最小化由于线性膨胀发生的变型。而且，模具部件7可由与形成光学元件的树脂有兼容性的树脂制成，从而和光学元件整体形成。关于模具部件7的着色，根据防止不希望的光反射和镜筒的视觉质量的观点，黑色是优选的。

下文中，将参考图4-8讨论利用上述成型装置1形成光学元件的方法的例子。

图4中示出作为步骤1的模具部件组装工序，模具部件7设置在第二成型模具3的上部相对面上。然后，第二成型模具3插入套筒4。

图5中示出作为步骤2的模具部件夹紧工序，第一成型模具2插入套筒4以便通过第一和第二成型模具2和3的下部和上部相对面夹紧框架形模具部件7的上下表面。通过这样，在模具部件7的内周侧上限定出可注入树脂的树脂注入空腔8。

图6中示出作为步骤3的树脂填充工序，树脂注入空腔8充满紫外光硬化树脂9。通过分配机构(附图中省略了)执行紫外光硬化树脂9进入树脂注入空腔8的填充操作。

图7中示出作为步骤4的硬化能量照射工序，通过紫外光照射装置10，用作为硬化能量的紫外光照射填充到树脂注入空腔8中的紫外光硬化树脂9，从而硬化该紫外光硬化树脂9。紫外光硬化树脂9通常在硬化的同时收缩，因此担心在如此获得的光学元件中表面精度较差。为了防止这种情况，可以使紫外光硬化树脂9经受来自第一和第二成型模具2和3的压力。此外，为了加速紫外光硬化树脂9的硬化活动，除了用紫外光照射紫外光硬化树脂9之外，还可以对之加热。

图8中示出作为步骤5的冷却和脱离工序，在冷却紫外光硬化树脂9之后，将第一和第二成型模具2和3从套筒4拉出。此后，成型树脂物品11从第二成型模具3脱离出来。通过注塑成型(outsert forming)将成型树脂物品11和模具部件7形成为一体，从而用作双凸透镜或光学元件12。可以对如此获得的光学元件12进行退火处理，以去除其变形或提高其硬度。

在上述实施例中，已经讨论了模具部件7成形为一环并形成有平坦内表面7a的情况，如图2所示。然而，在模具部件7的内表面7a平坦的情况下，易于在模具部件7和该模具部件7内侧模制的紫外光硬化树脂9之间的分界部分发生分离。

针对以上情况，模具部件7的内表面可以被切割成锯齿状以具有突起7b(如图11所示)。此外，模具部件7可在其内表面形成有沟道7c(如图12所示)、凸起7d(如图13所示)等等。通过这种配置，模具部件7在其内表面形成有凹凸表面或粗糙表面，改进了所谓的模具部件7与紫外光硬化树脂9的啮合，从而防止了它们之间的分离。

此外，模具部件7可以形成有多个通孔7f、7g，使之穿透内表面7a和外表面7e，如图14所示，通孔7f，7g中的一个可以用作树脂入口而另一个可以用作空气出口。在这种情况下，套筒4形成有喷嘴插入开口4a和空气排放开口4b，它们分别通到通孔7f，7g，如图15所示。如图16所示，树脂进料嘴21插入喷嘴插入开口4a，使得树脂进料嘴21的尾部接触通孔7f的入口。随着树脂22的注入，与树脂的体积相应的空气通过模具部件7的通孔7g和套筒4的空气排放开口4b排放到树脂注入空腔8外，因此可将树脂22平滑地注入树脂注入空腔8。

在利用形成有穿透内表面7a和外表面7e的通孔7f，7g的模具部件7获得的成型树脂物品11中，树脂22部分进入模具部件7的通孔7f，7g，如图17所示。这改进了成型树脂物品11和模具部件7之间的结合或啮合。

图18A和18B示出了模具部件7在其外表面7e形成有多个槽31的情况。槽31以特定间隔设置在模具部件7的圆周方向上，并穿过模具部件7的上表面和下表面。槽31可以用作粘合剂提供部分，在将成型树脂物品11粘接到镜筒108时，将粘合剂32提供或施加到该粘合剂提供部分，如图19所示。在没有槽31时，有时难于使第一和第二成型模具2和3与模具部件7脱开或分离，因为模具部件7的上下表面与第一和第二成型模具2和3的下部和上部相对面完全接触。然而，在有槽31的时候，如图20所示，在模具部件7与第一和第二成型模具2和3的下部和上部相对面之间形成有气压部分，从而便于使第一和第二成型模具2和3与模具部件7脱开。

图21示出了模具部件7在其上下表面形成有环形凹部33的情况。镜筒108形成有定位突部111，该定位突部111配合到模具部件7的环形凹部33中，以相对于镜筒108定位光学元件，如图22所示。模具部件7可以形成有两个或多个同心布置成所谓迷宫(labyrinth)的环形凹部33。

在上述实施例中，已经讨论了模具部件7和成型树脂物品11形成为一体的情况。然而，如图23所示，成型树脂物品11在被形成在模具部件7的内部之后可以与模具部件7分离。该方法适用于将被硬化的树脂没有完全填充由第一和第二成型模具2和3限定的空腔的场合，即被注入的树脂没有达到第一和第二成型模具2和3的最外周部分的场合。该方法可以用在不需要确保外部直径的场合(例如，即使在后续工序中，对中操作也是可接受的场合)。

在上面的实施例中已经讨论了模具部件7和成型树脂物品11通常形成为圆形的情况；然而，可以理解，模具部件7和成型树脂物品11可以具有矩形等形状，如图25所示，或者具有一部分圆弧由直线代替的形状，如图26所示。模具部件7和成型树脂物品11的形状是可以根据光学设计或镜筒设计的需要适当地选择的。此外，在上面的实施例中已经讨论了生产双凸透镜的情况；然而，即使在如图27和28所示的弯月形透镜或双凹透镜的生产中，也可以应用上面的实施例。此外，在上面的实施例中已经讨论了紫外光硬化树脂用作能量硬化树脂的情况；然而，能量硬化树脂并不限于紫外光硬化树脂。另外，成型模具并不限于由玻璃制成。

另外，根据本发明的上述实施例适用于照相机、数码照相机、光拾取装置、个人数字助理、摄像机等的图像捕获部分的光学元件，并且适用于投影装置、各种测量装置、信号装置等等的光学元件。

本领域技术人员应该理解，在所附权利要求或其等同物的范围内，根据设计需要和其它因素可能出现不同的变型、结合、子结合和替代。

本发明包含的主题涉及于2006年4月28日在日本专利局提交的日本专利申请JP2006-124771，其全部内容通过参考结合于此。

Claims (10)

1、一种形成光学元件的装置，其包括：

一对成型模具，所述成型模具各自具有彼此面对的相对面，所述一对成型模具中的至少一个允许硬化能量从其自身穿过；以及

框架形模具部件，所述框架形模具部件插入所述一对成型模具的相对面之间，以覆盖每一个成型模的相对面上的外周部分，从而限定一空腔，

其中，能量硬化树脂被填充进入所述空腔，然后经受穿过所述一对成型模具中的所述至少一个成型模具的硬化能量而被硬化。

2、根据权利要求1所述的形成光学元件的装置，其中，所述一对成型模具中的所述至少一个成型模具由玻璃制成。

3、根据权利要求1所述的形成光学元件的装置，其中，所述模具部件由与所述能量硬化树脂具有兼容性的树脂制成。

4、根据权利要求1所述的形成光学元件的装置，其中，所述模具部件在其内周表面上包括凹凸部分。

5、根据权利要求1所述的形成光学元件的装置，其中，所述模具部件形成有穿透其内周表面和外周表面的多个通孔。

6、一种形成光学元件的方法，其包括以下步骤：

准备一对成型模具，所述成型模具各自具有彼此面对的相对面，所述一对成型模具中的至少一个成型模具允许硬化能量从其自身穿过；

在所述一对成型模具的相对面之间插入一模具部件，使得所述模具部件的各个底面覆盖各个成型模具的相对面上的外周部分，从而限定一空腔；

将能量硬化树脂填充到所述空腔中；以及

通过向所述能量硬化树脂施加硬化能量来硬化所述能量硬化树脂，从而在框架形的所述模具部件内部形成成型树脂物品。

7、根据权利要求6所述的形成光学元件的方法，其中，所述能量硬化树脂包括紫外光硬化树脂。

8、根据权利要求6所述的形成光学元件的方法，其中，所述成型树脂物品在其外周表面处与所述模具部件的内周表面结合，从而与所述模具部件形成为一体。

9、根据权利要求6所述的形成光学元件的方法，其中，所述成型树脂物品的外周表面与所述模具部件的内周表面接触但并不与所述模具部件的内周表面结合。

10、一种光学元件，其包括：

框架形模具部件，所述框架形模具部件插入一对成型模具之间，所述一对成型模具各自具有彼此面对的相对面；以及

能量硬化树脂，所述能量硬化树脂填充到所述框架形模具部件中，然后被硬化，使得所述模具部件设置在所述能量硬化树脂外侧。

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