CN103128908B - 含有菲涅耳表面的眼科透镜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
制造眼科透镜的方法，该眼科透镜在透镜内侧含有菲涅耳微结构化表面。用模具插入物注射模塑菲涅耳透镜，该模具插入物具有比用于形成菲涅耳透镜的热塑性材料低的导热率。将第二热塑性材料包塑到菲涅耳透镜上，以覆盖和保护微结构化表面。模具插入物由镍或热塑性塑料制成。得到的透镜包括具有不同的折射率的两层。菲涅耳透镜由聚碳酸酯制成，而包塑层由PMMA或TPU制成。
Description
技术领域
本发明涉及含有菲涅耳表面的眼科透镜及其制造方法。
背景技术
以光学质量制造的透镜和其它制品在模具复制、高光学透射和耐冲击性方面具有严格要求。透镜的注射模塑要求压边浇口(edge gating)以便流道在远离透镜表面处结束。从模具腔的浇注口到边缘点的路径是非对称的，因此使得难以控制冷却中的熔体流的热力学。随着透镜腔变薄，直接注射模塑技术不能在没有过早冷却(freeze-off)的情况下填充模具。因此，在所谓的注射/压缩工艺中，已修改了注射模塑机以在注射周期的一些阶段过程中扩大腔。
对于眼科透镜，塑料材料代表了一种更安全、更薄且轻质的替代品。随着对更薄和更轻的透镜的要求的提高，对于具有更高折射率和更好性能的材料和光学设计存在更大的需求。
微结构化的表面可以向眼科透镜赋予某些功能性。例如，含有菲涅耳微结构的眼科透镜可以比具有相同屈光力的非结构化透镜更薄且更轻。
如上所述，薄透镜不能使用常规注射模塑制造，这是由于与模具复制相关的问题。类似地，更具挑战性的微结构化表面不能在注射模塑工艺中使用结构化的金属插入物来完全地且精确地复制。
美国专利4,146,306中记载的一个制造微结构化表面的提议使用了塑料材料例如醋酸纤维素、Tenite、Vinylite、聚苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯的薄片。形成微结构化表面的脊通过雕刻同心槽或者通过以期望的形状制造基质或模具而制造。在各部分分别模制的情况下，它们因而可以如光学领域中所知通过施加合适的半透明粘合剂或接合剂而内聚性地或者粘合地结合在一起。另一种制造方法将是模制具有脊的第一层，然后将这样的层置于另一模具中，并将熔融材料倾倒到模具腔中。提出的这些方法是高成本的，这在于它们包括多步，例如形成膜、在两个或更多个不同的膜中雕刻互补的脊和槽，然后将不同的膜粘合在一起。
注射模塑具有在材料的玻璃化转变温度(Tg)以下的固定的模具温度，它不能以高保真度复制微结构。图1a示出了圆化的菲涅耳微结构。换言之，熔融树脂冷却，从而在其到达脊的角落之前形成圆化的末端。微结构模具与平滑的模具表面相比具有提高的表面积。由于模具温度低于Tg，树脂随着沿模具微结构表面滚动而固化。在脊的角落，树脂沿着在脊的角落会聚的两个表面滚动。滚动作用导致树脂在到达锐利的角落之前冷却成圆化的形状，这可以在图1A中看出。由于工艺限制、热力学因素和聚合物过热，树脂不能充分地加热以到达角落并依然产生具有可接受的光学质量的透镜。
注射-压纹模塑在材料的Tg以上的温度下将熔体注射到模具中，并在Tg以下的温度下排出部件，该模塑可以以高保真度复制微结构。图1B显示了良好地复制的菲涅耳微结构。
注射-压纹模塑技术已成功地以高的结构复制质量模制了聚碳酸酯菲涅耳透镜。然而，与注射模塑相比，它具有更长的周期时间(在目前的工艺条件下为15分钟)。另外，它需要同时具有加热和冷却功能的特定调温器以改变模具温度。更特别地，一些模具在模具插入物附近配备有穿过模具循环的热控制沟道。调温器是可以在加热流体和冷却流体之间快速切换的装置。在注射模塑周期期间，将加热流体循环以升高模具插入物的温度，例如在Tg以上，以使得树脂可以流动得更长并完全填充模具。然后使冷却流体循环以通过使树脂低于其Tg而将其固化。
此外，注射-压纹模塑技术已成功地应用于聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。然而，它没有解决与具有低于室温的Tg的模塑材料例如热塑性聚氨酯(TPU)和乙烯/甲基丙烯酸(E/MAA)共聚物相关的问题。
已提出了其它方法来将功能层纳入透镜中。例如，美国专利6,367,930公开了多层途径，其中在所谓的膜插入物模塑方法中将光致变色层插入模具中。在一种可替代的实施方案中，在所谓的包塑(over-mold)工艺中，将碳酸酯注射到模具中，然后是光致变色TPU。该专利没有提及菲涅耳透镜向透镜中的纳入。
因此，需要含有菲涅耳透镜的眼科透镜，该眼科透镜具有其全部固有特性，并且此外具有含有高保真度微结构的表面层。
发明内容
因此，本发明的一种实施方案的一个目标是提供含有菲涅耳表面的眼科透镜。
根据另一个实施方案的再一个目标是提供含有菲涅耳表面的眼科透镜的制造方法。
另一个目标是提供低导热率模具插入物，以防止模塑过程中的热耗散，并从而帮助材料流动。通过用模具插入物的导热率控制热力学，不再需要调温器来提供热-冷周期。
再一个目标是配置注射模塑方法以制造具有高保真度微结构复制的菲涅耳透镜。
另一个目标是形成聚碳酸酯菲涅耳透镜，并直接在结构化表面上方注射模塑保护性热塑性聚合物。
再一个目标是在菲涅耳表面上提供涂覆层，该涂覆层将永久地粘合于其上。
另一个目标是提供涂覆层，该涂覆层具有与菲涅耳透镜不同的折射率。
再一个目标是提供涂覆层，该涂覆层具有比菲涅耳透镜的导热率低的导热率。
这些和其它相关目标通过本发明的第一种实施方案实现，该实施方案涉及在透镜内侧含有菲涅耳表面的眼科透镜的制造方法。在初始步骤中，将第一热塑性材料用微结构化模具插入物注射模塑，以提供具有菲涅耳表面的第一微结构化透镜。随后，将不同于第一热塑性材料的第二热塑性材料包塑在所述第一透镜上，以提供眼科透镜。
该微结构化模具插入物具有比第一热塑性材料的导热率低的导热率。该微结构化模具插入物是杂合模具插入物，其包含结合到陶瓷柱上的镍微结构化垫片。或者，该微结构化模具插入物是可拆卸地安装到载体柱上的塑料模具插入物，其中该塑料是另一种热塑性材料，其避免与第一热塑性材料的粘合。
第二热塑性材料具有比第一热塑性材料的导热率低的导热率。第二热塑性材料表现出对第一热塑性材料的强力粘合。第一热塑性材料包含聚碳酸酯。第二热塑性材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或热塑性聚氨酯(TPU)。
包塑步骤进一步包括将第一微结构化透镜置于注射模塑机中，并将第二热塑性材料包塑成与第一微结构透镜密切结合。该眼科透镜包含具有第一折射率的第一热塑性材料以及具有不同于第一折射率的第二折射率的第二热塑性材料。
根据本发明的再一种实施方案，根据该制造方法制造眼科透镜。根据本发明的一种实施方案的装置包括在透镜内侧含有菲涅耳表面的眼科透镜。该透镜包括菲涅耳透镜，该菲涅耳透镜具有由第一热塑性材料制成的微结构化表面以及包塑涂层。该涂层由与微结构化表面密切结合的第二热塑性材料制成。第二热塑性材料具有比第一热塑性材料的导热率低的导热率。第一热塑性材料具有与第二热塑性材料不同的折射率。第一热塑性材料是聚碳酸酯。第二热塑性材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或热塑性聚氨酯(TPU)。
根据另一种实施方案，提供用于制造眼科透镜的系统，该眼科透镜在透镜内侧含有菲涅耳表面。该系统包括含有微结构化模具插入物与至少两个热塑性制品的注射模塑机。第一热塑性透镜具有通过与微结构化模具插入物的接触而模制的菲涅耳表面。第二热塑性包塑层与菲涅耳表面密切结合。第一热塑性透镜具有比模具插入物和第二热塑性包塑层高的导热率，对模具插入物的低粘合力，以及对第二热塑性包塑层的高粘合力。
第一热塑性材料是碳酸酯。第二热塑性材料是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或热塑性聚氨酯(TPU)。微结构化模具插入物由安装在陶瓷制成的载体柱上的镍制成。或者，微结构化模具插入物由安装在金属制成的载体柱上的热塑性材料制成。
附图说明
本发明的优点、性质和多种其它特征将在考虑示例性实施方案后更完全地呈现，下面将结合附图详细说明这些实施方案。在附图中，在各个视图中，类似的附图标记表示类似的组件。
图1A是根据现有技术的注射模塑法制造的菲涅耳透镜的第一节距(pitch)的显微图。
图1B是根据现有技术的注射-压纹模塑法制造的菲涅耳透镜的第一节距的显微图。
图2是杂合模具插入物的根据本发明一种实施方案的图解。
图3A是表现根据本发明一种实施方案的复制过程的多个步骤的图解。
图3B是用于根据本发明的一种实施方案中的注射模塑机的图解。
图4是有机硅复制品切割的图解。
图5A和5B是E/MMA共聚物菲涅耳透镜的显微图。
图6是表现根据本发明一种实施方案的热塑性涂覆过程的多个步骤的图解。
图7A和7B是PC菲涅耳透镜和PMMA涂层的显微图。
图8A和8B是PC菲涅耳透镜和TPU涂层的显微图。
具体实施方式
长久以来，需要能够使用工业方法并且按照工业成本以高保真度复制菲涅耳透镜结构。为了获得高水平的复制，确定了需要对用作注射材料的材料和用于模具插入物的材料的导热率参数的更好的控制。因此，本发明记载了两种系统，其允许菲涅耳透镜或菲涅耳表面通过注射模塑法制造。第一种系统称为杂合模具插入物系统，第二种称为塑料模具插入物系统。第一种系统和第二种系统是不同的，因为它们不包含相同的材料，但是它们表现出与用于各系统中的材料的导热率关系相关的相同的关键性能。
杂合模具插入物系统
在杂合模具插入物系统中，使用由两种材料制成的模具插入物来代替金属模具插入物，以在注射模塑加工期间复制微结构。杂合模具插入物由两层组成。表面层由薄的镍结构化垫片制成(1～2mm)，并结合到底层上，该底层是具有圆柱形状的柱或块(约40mm)，如图2中的截面所示。镍结构化垫片可以或者通过用精确金刚石车床加工来制造，或者通过用电铸工艺在结构化模板上复制来制造。
原理是：与金属相比，一些陶瓷由于其不形成自由电子的离子-共价键合而具有低得多的导热率。例如，对于由SiO2(59％)和Al2O3(29％)组成的陶瓷，其导热率为0.06W/m*K，而镍的是91W/m*K，不锈钢的是16W/m*K。因此，对于镍/陶瓷杂合插入物，其总体导热性将比类似的不锈钢模具插入物低得多。在注射模塑过程中，将花费更长的时间来将材料从其熔融状态冷却至固化状态。材料因而将具有足够的时间在其固化之前流入微结构末端，从而避免图1A中所示的问题。最终的模制透镜将具有高保真度的微结构。
为了更好的隔热，镍垫片应当制造得尽可能薄，同时仍然保持一定的机械强度。陶瓷块应当足够厚，以防止热量耗散得太快。在实际的实施方案中，杂合模具插入物构造为76mm的直径。镍垫片结构具有1-2mm之间的最大高度。陶瓷块具有40mm的名义高度。
塑料模具插入物系统
一种可替代的实施方案利用塑料模具插入物而不是金属模具插入物，以在常规注射模塑过程中复制微结构。
该创新背后的原理是塑料具有比金属低得多的导热率。例如，聚碳酸酯的导热率为0.2W/mK，而镍的是91W/mK。因此，如果使用聚碳酸酯插入物，材料的热量将比使用镍插入物的情况下耗散得慢得多。它因而将花费更长的时间来将材料从其熔融状态冷却至固化状态。在这样的长时间过程中，材料将具有足够的时间在其冷却并固化之前流入微结构末端。这将得到具有高保真度结构复制的透镜。
使用塑料模具插入物系统的方法示意性地表示在图3A中。该方法利用具有塑料模具插入物的注射模塑机，该塑料模具插入物将熔融树脂与在下的金属插入物进行热隔离。该方法包括下列步骤：
在步骤A中，将模具开启以开始该周期。
在步骤B中，将塑料模具插入物置于模具腔中，其中结构化表面朝向腔。
在步骤C中：然后将模具模块闭合。
在步骤D中：将聚合物熔体注射模塑到模具腔中。
在步骤E中：在压紧并冷却一定时间后，将透镜与塑料模具插入物一起排出。
在步骤F中：将透镜从插入物上脱膜。
与注射-压纹模塑法相比，本发明具有下列优点：
根据本发明的注射模塑提供更短的周期时间。使用杂合或塑料插入物，微结构透镜可以在固定的模具温度下模制，该温度低于材料的玻璃化转变温度。一般的周期时间为约4分钟。而注射-压纹模塑必须在注射之前将模具温度调整到材料的玻璃化转变温度以上，并在注射后将模具温度降低到材料的玻璃化转变温度以下。一般的周期时间为约15分钟。
注射模塑法提供了以高保真度由软材料模制透镜的能力。由于软材料的低的玻璃化转变温度，它们不能通过注射-压纹模塑以高保真度微结构复制进行模制。使用杂合或塑料插入物，可以模制软的微结构透镜，其由具有低于室温的玻璃化转变温度的材料制成。
注射模塑法是成本较低的。注射-压纹模塑必须在透镜的玻璃化转变温度以上模制透镜，这需要更多能量以加热模具。而杂合插入物模塑可以在透镜的玻璃化温度以下模制透镜，这因而节省了能耗。例如，为了模制PC透镜，对于注射-压纹模塑，模具温度必须为至少330°F，而杂合插入物模塑仅需要270°F。
注射模塑提供了便于塑料插入物的大规模生产的容易、快速的工业方法。注射-压纹模塑使用金属模具插入物，这更昂贵并且需要更长的制造时间。
杂合模具插入物系统实验
在利用杂合模具插入物系统的实际实验中，用上述的方法制造杂合模具插入物。陶瓷块由McMaster Carr Supply公司提供的一般用途的铝硅酸盐陶瓷(Part#：8479K999A和8479K999B)制成。关于该材料的一些信息列于表1中。该材料是良好的温度绝缘体，其导热率为0.06W/m*K。结构化镍垫片由电铸工艺制造。使用公知的粘合方法将镍垫片结合到陶瓷块上，其中粘合剂是环氧粘合剂。
表1一般用途的铝硅酸盐陶瓷性能
将杂合插入物置于双腔模具块中。同时测试具有相同的菲涅耳微结构设计的镍金属插入物。
材料
使用眼科级聚碳酸酯。一些性能列于表2中。
表2在该研究中测试的原材料的性能
工艺
通过在不同工艺条件下(表3)的注射模塑法制造菲涅耳透镜。测试了两个主要的工艺参数，熔体温度和模具温度。
表3工艺条件
将杂合模具插入物和塑料模具插入物插入注射模塑机100中，如图3B中所示。注射模塑机的右侧具有一个固定的压盘110，其支撑着杆114，在该杆上在接收件118中安装第一模具插入物116。接收件118是环，它可以根据待生产的透镜直径尺寸而用不同内径的环代替。可以调整杆114以改变模具表面至模具分型线112的距离。杆114还可以允许插入物116用其它插入物交换，例如具有不同的基本曲线的插入物。
将聚合物颗粒储存于料斗120中，在此它们进料到筒122中。在内部，筒122包括螺纹122a，该螺纹压缩所述颗粒。在外部，筒122可以配备加热器，该加热器将所述颗粒加热。使经过压缩和加热的颗粒成为熔融树脂，然后经过喷嘴124通过螺纹的轴向移动而注射。熔融树脂经由流道126递送到模具腔。在图中，流道通过模具块110和接收件118的截面示意性地表示，在它们的与分型线邻近的表面中形成有沟道。该沟道从喷嘴延伸到腔，并可以具有多个腿以将熔融树脂从喷嘴124分配到多个腔中，例如2或3对腔中。注射模塑取用固体热塑性树脂，将它们加热到其玻璃化转变温度Tg以上，并在高压下将熔融树脂注射到在可移动的和固定的压盘之间形成的模具腔中。
可移动的压盘140安装于导轨160上，该导轨用于朝着以及远离162a固定的压盘110的移动。夹具162使可移动的压盘140移动，例如使用能够提供100吨或更大的夹紧力的电力或液压驱动。与固定的压盘110类似，可移动的压盘140包括载体杆144、接收件148和模具插入物146a。在一种实施方案中，模具插入物146a包含陶瓷块，如图2中所示，其可以通过载体杆144相对于分型线左右调整。镍结构垫片146b永久性地安装在陶瓷模具插入物146a上。在一种可替代的实施方案中，模具插入物146a是金属插入物，结构化塑料插入物146b可拆卸地安装在模具插入物146a上。
通常，树脂在邻近模具的固定侧处注射。塑料插入物置于模具的可移动侧。然后将在塑料插入物146b和插入物116之间形成模具腔。在图3A的视图B中可以看出，塑料插入物将安装在模具的可移动侧。
注射模塑机100显示成模具在周期开始时开启。镍或塑料的结构化插入物146b已使用其相应的安装方法安置。当模具准备闭合时，将夹具162驱动，并将可移动的压盘140沿着导轨160向右平移，直到它接触固定的压盘110，沿着分型线112会合。可以理解，当模具闭合时，在闭合的模具块110、140之间将存在限定流道126的开放沟道。此外，在模具插入物116和146b之间将存在间隙，其限定模具腔。
熔融树脂将从喷嘴124经过流道126递送到模具腔中。所形成的闭合的模具腔可以最容易地见于图3A的视图C。树脂经过称为浇口的窗口进入模具腔。透镜不能使用中心浇口，因为在浇口处形成瑕疵。中心浇口会使瑕疵位于透镜的中心。结果，透镜腔使用压边浇口。出现在压边浇口128处的瑕疵存在于废料区，它将在透镜被切割以适应镜框时被修剪掉。
如上所述，筒122配备有外部加热单元，该单元控制熔融树脂的温度。这被称为“熔体温度”。模具块110和140也含有加热器，该加热器控制模具插入物的温度。这被称为“模具温度”。模具块加热器可以采取在模具块中穿过沟道循环的热控制流体的形式。该沟道在接收件附近通过，以控制插入物的温度。调温器是保持加热的和冷却的流体的设备。或者，调温器可以使加热的或冷却的流体在模具块中穿过沟道循环。根据本发明的方法避免对调温器的需求以及与其相伴的复杂性。
从热力学的角度，模具温度越低，熔融树脂将越快地降低到其Tg以下，此时它可以从注射模塑机移除以完成周期。然而，使用结构化插入物，必须调整熔体温度和模具温度以使得熔融树脂可以在其如图1A中所示在圆化末端中冷却之前完全填充透镜腔。过早的冷却或固化将形成坝，从而阻止树脂到达微结构的角落。随着这些温度升高，树脂开始劣化，这导致透镜缺陷，例如以泛黄或斑点的形式。
为了检查微结构复制质量，在模制的菲涅耳透镜上制成有机硅复制品。将它们在相同的位置切割，如图4中所示，以保证不存在来自以下的影响：1)在注射模塑过程中，在不同透镜的位置处不同的热和应力历史；2)穿过插入物的微结构非均匀性。然后将切片放置在显微镜下用于观察和测量。在图4中可以看出，显示了有机硅复制品切割40具有透镜突起42和浇注口44。浇注口44对应于在流道126中形成的流道的小段(来自图3B)。
实验结果
在菲涅耳透镜上制成有机硅复制品。如图4所示将其切割。
在一种类别中，在不同的模具温度下并且在570°F的相同的熔体温度下，将透镜用杂合插入物和金属插入物模制。我们看到，对于金属插入物，在测试的模具温度下，所有的透镜表现出严重的圆化。通过提高模具温度，圆化变少。然而，即使在接近聚碳酸酯的Tg的290°F下，微结构也不能良好地复制。对于杂合插入物，与在相同的模具温度下的金属插入物样品比较，观察到较少的圆化。在更高的模具温度下，圆化变少。在280和290°F没有观察到圆化。
在另一种类别中，对于杂合插入物和金属插入物，在260至280°F的模具温度下、在590°F的熔体温度下模制透镜。对于两种插入物，均可以在相同的模具温度下更好地复制微结构。提高模具温度将帮助降低圆化。对于杂合插入物，在270至280°F的模具温度下可以完全复制微结构。这表明可以使用更高的熔体温度在更低的模具温度下良好地复制微结构。这是因为更高温度的熔体可以在其固化之前在更低的模具温度下容易地流入微结构中。对于金属插入物，微结构仍然不能完全被复制，即使在更高的熔体温度下。
以上观察得出如下结论：
1)在相同的工艺条件下，杂合插入物可以比金属插入物以高得多的保真度复制微结构。
2)使用更高的模具温度，可以以更高的保真度复制微结构。金属插入物在测试的模具温度下不能避免齿圆化；而杂合插入物在280°F的模具温度下可以完全复制微结构(570°F的熔体温度)。
3)提高熔体温度可以有助于在更低的模具温度下以更好的保真度复制微结构。然而，对于镍金属插入物，这仍然是不足的。
塑料插入物
分别使用聚碳酸酯(PC)和环烯烃共聚物(COC)菲涅耳透镜模制两种材料，即乙烯/甲基丙烯酸(E/MAA)共聚物和热塑性聚氨酯(TPU)。一些材料性能列于表4中。
表4该研究中测试的原材料的性能
实施例1E/MAA共聚物菲涅耳透镜
将聚碳酸酯菲涅耳透镜用作塑料插入物。聚碳酸酯菲涅耳透镜通过注射-压纹模塑法制造。该透镜从镍菲涅耳插入物以高保真度复制微结构。
根据图3中所示的程序，靠着该聚碳酸酯菲涅耳透镜通过注射模塑模制乙烯/甲基丙烯酸(E/MMA)共聚物。工艺条件列于表5中。在不同的位置上，即透镜的边缘、中间和中心，通过模制的透镜的有机硅复制品的显微图片检查微结构的复制保真度。
从这些显微图，即图5A和5B，可以看出E/MAA共聚物熔体流入PC菲涅耳透镜上的微结构的底部，如E/MAA透镜上的微结构末端的尖锐特征所表明。在边缘、中心及其间的位置上观察到末端的尖锐性。图5A以第一放大率显示了具有E/MMA透镜52a的复制品50a的显微图，具有约5个脊。另外，图5B以第二放大率显示了具有E/MMA透镜52b的复制品50b的显微图，具有1个脊。这些图片确认了塑料插入物上的微结构可以以高保真度复制。
表5用于E/MAA共聚物的工艺条件
实施例2TPU菲涅耳透镜
由于TPU具有与PC的非常强的粘合力，将COC菲涅耳透镜用作塑料插入物。根据图3中所示的程序，通过注射模塑将TPU靠着COC菲涅耳透镜模制。工艺条件列于表6中。
表6用于TPU在COC上的工艺条件
在不同的位置通过模制的透镜的显微图片检查微结构的复制保真度。我们可以看到TPU透镜以高保真度复制了COC菲涅耳透镜上的微结构。
以上描述表明，塑料插入物可以用于工业方法中以注射模塑高质量的菲涅耳透镜。最终目的是制造聚碳酸酯菲涅耳透镜，然后通过覆盖层涂覆菲涅耳结构以保护菲涅耳结构并提高透镜的屈光力。最终透镜的屈光力可以通过相对于“涂覆”材料的折射率调整聚碳酸酯菲涅耳透镜的折射率而控制。该概念的最终目的是提供更薄和更厚的PC透镜，即含有菲涅耳结构的不同厚度的PC透镜。
在以上说明中，将塑料模具插入物用于注射模塑菲涅耳透镜。如此获得的塑料菲涅耳透镜因而可以在第二阶段中充当进一步的模具插入物，以注射模塑涂层。实际上，在涂覆阶段，我们面临同样的控制菲涅耳透镜和用于涂覆的材料之间的导热率的问题。该问题类似于保证涂覆材料获得足够的可流动性以完全填充在菲涅耳结构的每个节距内。与此前所述的塑料插入物相比的主要不同是，在该情况下，需要使用能够强力“粘合”到菲涅耳结构上的材料作为涂层；以保证在产品寿命期间的任何分层。
按照这些指导，另一种热塑性聚合物将被直接注射模塑到结构化表面上方以保护菲涅耳聚碳酸酯(PC)透镜。涂覆层将密切结合到菲涅耳PC透镜上以形成永久的一体化产品，即眼科透镜。菲涅耳透镜将在周期开始时置于模具中，结构化表面朝着腔，并且另一种热塑性聚合物将被注射模塑以围绕并保护结构化表面。
在实际应用中，这样的经涂覆的菲涅耳透镜表现出下列优点。
1.热塑性聚合物充分填充菲涅耳微结构，在它和菲涅耳PC透镜之间没有任何空气间隙。另一方面，菲涅耳PC透镜上的微结构得到良好的保存，不存在在注射模塑过程中发生的任何圆化或变形。
2.涂覆的菲涅耳PC透镜的总体美观方面非常好。没有观察到幻像或者扭曲的图像。雾度和透光率得到改善。
3.与单体浇注相比，热塑性塑料具有下列优点：
3.1热塑性涂层具有低的收缩，因为它直接利用热塑性聚合物。而单体浇注通常导致10％或更多的收缩。因为已知收缩导致涂覆的表面(即在这种情况下为菲涅耳微结构)的一些起伏，所以光学品质降低。
3.2采用合适的模塑工艺设计，例如双射注射模塑，可以在刚刚模制菲涅耳PC透镜后将热塑性聚合物注射模塑。与单体浇注相比，这可以显著减少生产步骤和时间。
在实际应用中，涂覆的菲涅耳透镜表现出下列缺点。
1.由于下列原则，为获得期望性能而可得到的光学热塑性聚合物的范围有限：
1.1为了更好的光学屈光力，热塑性聚合物的折射率应当不同于用于形成菲涅耳透镜的聚碳酸酯的折射率。差别越大，最终的一体化透镜的光学屈光力越高。
1.2热塑性聚合物应当具有与聚碳酸酯的强的粘合力。否则，在聚碳酸酯微结构和热塑性聚合物涂层的界面之间将发生分层。
该方法的目标是将薄的热塑性涂层施加到菲涅耳PC透镜的顶上，在所述菲涅耳PC透镜中菲涅耳微结构接近前表面。详细的工艺流程示意性地表示在图6中，其中包括下列步骤：
A.将模具开启以开始该周期。
B.在模具开启后，将菲涅耳PC透镜置于模具腔中，其中结构化表面朝向腔。将菲涅耳透镜置于模具的可移动侧140(如图3B所示)，表现为透镜246b。透镜246b置于金属插入物246a上。
C.模具闭合。
D.在模具闭合后，将热塑性聚合物例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)注射模塑到菲涅耳PC透镜上方。为了得到高水平的复制，需要的是注射的热塑性聚合物的导热率低于菲涅耳透镜自身的导热率。
E.在压紧并冷却一定时间后，将一体化的PMMA/菲涅耳PC透镜排出。
选择了四种不同的材料作为涂覆材料，它们是光学透明的并具有比PC低的折射率。它们是环烯烃共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙烯/甲基丙烯酸(E/MAA)共聚物和热塑性聚氨酯(TPU)。表7示出了这些材料的一些性能。
表7在该研究中测试的原材料的性能
如所测试的，COC和E/MAA共聚物不粘合到聚碳酸酯菲涅耳透镜上。包塑的层可以容易地从菲涅耳PC透镜上分层。然而，PMMA和TPU显示出与PC的强力粘合，这可能是由于它们的化学亲和性，或者极性与PC匹配。PMMA和TPU均沿着它们的主链具有酯基，它也存在于PC主链中。而COC和E/MAA共聚物是基于聚烯烃的材料。尽管E/MMA共聚物具有酯基，但是其含量可能太低。
经过测试的这些热塑性材料的分子结构显示在下面。分子式(I)表示聚碳酸酯(PC)。
分子式(II)表示PMMA
分子式(III)表示E/MMA
分子式(IV)表示热塑性聚氨酯(TPU)。
分子式(V)表示环烯烃共聚物(COC)。基团可以是氢(H)或者式CxHy的烃。
下面，对于PMMA和TPU两者列出详细的工艺条件和结果。
实施例1包塑到菲涅耳PC透镜上的PMMA
典型的工艺条件列于表8中。系统地测试了两个参数，即熔体温度和模具温度(表9)，以发现它们对微结构填充、圆化和变形的影响。
表8对于PMMA的一般工艺条件
表9用于熔体温度和模具温度的测试矩阵
×表示经测试的条件
1.1熔体温度的影响
熔体温度应当设定在400°F以上。否则，将出现分层。
在所有的测试温度下(410至470°F)，微结构填充得相当快。
在所有测试的熔体温度下，微结构末端在菲涅耳PC透镜的边缘位置圆化。然而，在中间和中心位置，观察到少得多的圆化和没有圆化。
熔体温度应当设置在500°F以下。否则，微结构末端将发生严重的圆化。
1.2模具温度的影响
在111、131和151°F测试模具温度。没有观察到对微结构的圆化和填充的影响。然而，随着模具温度提高，微结构更可能在边缘位置变形。在包塑的菲涅耳透镜的中间位置没有观察到这样的影响。
1.3保持压力的影响
保持压力的影响在700、800、900和1000巴的不同保持压力下测试。没有观察到对微结构变形和填充的影响。
1.4一体化的PMMA/菲涅耳PC透镜的显微图片
针对不同位置的菲涅耳齿，具有PMMA涂层的菲涅耳PC透镜的截面的详细显微图片示于图7A和7B中。从透镜的中心向边缘对齿进行编号。图7A示出了第1PC菲涅耳齿70a和相邻的PMMA涂层72a。图7B示出了第18PC菲涅耳齿72b和相邻的PMMA涂层72b。如我们所看到，(1)聚碳酸酯菲涅耳透镜上的微结构已良好地填充。在聚碳酸酯菲涅耳透镜上的微结构的底部没有观察到空气间隙。(2)对于第1、第18和第27齿，没有观察到聚碳酸酯菲涅耳透镜的微结构的末端的圆化。仅仅边缘的最后一齿显示出一些圆化。(3)齿的形状得到良好的保持，没有观察到变形。
涂覆的菲涅耳PC透镜的总体美观方面非常好。没有观察到幻像或者扭曲的图像。没有观察到空气泡。与未涂覆的菲涅耳PC透镜相比，雾度和透光率得到改善。
实施例2包塑到PC菲涅耳透镜上的TPU
典型的工艺条件列于表10中。
表10对于TPU包塑的典型工艺条件
针对不同位置的菲涅耳齿，一体化的TPU/菲涅耳PC透镜的截面的显微图片示于图8A和8B中。图8A示出了在透镜的中心的第1PC齿80a和相邻的TPU涂层82a。图8B示出了在透镜边缘的最后的PC齿80b和相邻的TPU涂层82b。对于PMMA/PC透镜，发现了一些结果：(1)菲涅耳透镜上的微结构被良好地填充。(2)没有微结构齿的圆化。(3)没有微结构齿的变形。
经涂覆的菲涅耳PC透镜的总体美观方面是好的。没有观察到幻像或者扭曲的图像。没有观察到空气泡。
总之，所述的方法使用低导热率以防止菲涅耳结构和涂层的模塑过程中的热耗散，以改善材料流动。不需要用于提供热-冷周期的调温器。避免了注射-压纹模塑法的复杂性和长周期时间。该方法提供了显著的优点，例如低收缩，在微结构和涂层之间没有空气泡，在微结构和涂层之间没有空洞，以及在流水线工业方法中的相对较短的周期时间。
该方法的一种实施方案包括使用常规注射模塑机分两步制造菲涅耳结构和涂层。也可以通过使用WO2005/042225中记载的设备和方法在多阶段模塑法中制造例如具有薄的PMMA涂覆层的PC菲涅耳透镜。该方法旨在制造双复合物热塑性眼科透镜。该方法将使用本文中所述的材料和方法控制设置进行修改。
尽管已记载了用于制造含有菲涅耳结构的透镜的优选实施方案以及得到的眼科透镜(它拟用作示例，不是限制性的)，应当指出在以上教导的指引下本领域技术人员可以进行修改和变更。例如，在第一阶段，菲涅耳结构的注射模塑，可以使用其它模具插入物，该模具插入物提供等价的导热率控制并得到良好的模具复制。在第二涂覆阶段，可以使用其它材料，该材料提供与菲涅耳结构不同的折射率并且它保护菲涅耳结构并粘合到菲涅耳结构上。因此，应当理解的是，可以在附带的权利要求勾勒出的本发明的范围和精神内在所公开的发明的具体实施方案中进行改变。尽管如此详细地、特别是应专利法的要求描述了本发明，要求由专利保护的内容呈现在附带的权利要求中。
Claims (12)
1.制造眼科透镜的方法，该眼科透镜在透镜内侧含有菲涅耳表面，该方法包含以下步骤：
用微结构化模具插入物(146a，146b)注射模塑第一热塑性材料，以提供具有菲涅耳表面的第一微结构化透镜；以及
将不同于该第一热塑性材料的第二热塑性材料包塑到所述第一微结构化透镜上，以提供该眼科透镜，
其中：
(i)该微结构化模具插入物(146a，146b)具有比第一热塑性材料的导热率低的导热率，以防止第一热塑性材料的热量耗散得太快并且允许在微结构化模具插入物上的材料流动；
(ii)微结构化透镜在固定的模具温度下模制，该温度低于第一材料的玻璃化转变温度，使得该方法不需要调温器并且能够提供更短的周期时间；并且
(iii)该微结构化模具插入物是包含结合到陶瓷柱(22)上的镍微结构化垫片(20)的杂合模具插入物,或者是可拆卸地安装在载体柱上的塑料模具插入物，其中塑料是另一种热塑性材料，该另一种热塑性材料避免与第一热塑性材料的粘合。
2.权利要求1的方法，其中该第二热塑性材料具有比第一热塑性材料的导热率低的导热率。
3.权利要求2的方法，其中该第二热塑性材料表现出与第一热塑性材料的强力粘合。
4.权利要求1的方法，其中所述包塑步骤包括将第一微结构化透镜置于注射模塑机中，并将第二热塑性材料包塑成与第一微结构化透镜密切结合。
5.权利要求1的方法，其中该眼科透镜包含具有第一折射率的第一热塑性材料以及具有第二折射率的第二热塑性材料，该第二折射率不同于第一折射率。
6.权利要求1的方法，其中该第一热塑性材料包含聚碳酸酯。
7.权利要求6的方法，其中该第二热塑性材料选自聚甲基丙烯酸甲酯和热塑性聚氨酯。
8.用于制造眼科透镜的系统，该眼科透镜在透镜内侧含有菲涅耳表面，该系统包含：
注射模塑机(100)，其含有微结构化模具插入物(146a，146b)；
具有菲涅耳表面的第一热塑性透镜，该菲涅耳表面通过与所述微结构化模具插入物接触而模制；以及
第二热塑性包塑层，其密切结合到所述菲涅耳表面；
其中该第一热塑性透镜具有(i)比所述微结构化模具插入物和所述第二热塑性包塑层高的导热率，(ii)对所述微结构化模具插入物的低粘合力，以及(3)对所述第二热塑性包塑层的高粘合力，
其中：
(i)该微结构化模具插入物(146a，146b)具有比第一热塑性材料的导热率低的导热率，以防止第一热塑性材料的热量耗散得太快并且允许在微结构化模具插入物上的材料流动；
(ii)微结构化透镜在固定的模具温度下模制，该温度低于第一材料的玻璃化转变温度，使得该方法不需要调温器并且能够提供更短的周期时间；并且
(iii)该微结构化模具插入物是包含结合到陶瓷柱(22)上的镍微结构化垫片(20)的杂合模具插入物,或者是可拆卸地安装在载体柱上的塑料模具插入物，其中塑料是另一种热塑性材料，该另一种热塑性材料避免与第一热塑性材料的粘合。
9.权利要求8的系统，其中该第一热塑性材料包含聚碳酸酯。
10.权利要求9的系统，其中该第二热塑性材料选自聚甲基丙烯酸甲酯和热塑性聚氨酯。
11.权利要求8的系统，其中该微结构化模具插入物由安装在陶瓷制成的载体柱(22)上的镍制成。
12.权利要求8的系统，其中该微结构化模具插入物由安装在金属制成的载体柱上的热塑性材料制成。
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