CN109415236B - 模压成型用玻璃坯料和使用该玻璃坯料的光学元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

玻璃坯料1至少成型后一对成为光学功能面的部位的表面由自由表面形成，并且具有以旋转轴A为中心的旋转体形状，旋转轴A方向的下表面6朝向外侧形成为凸状，下表面6的中心部8具有比体积与玻璃坯料1相同的球的半径小的第一曲率半径R1，在中心部8的周围且与中心部8邻接配置的周边部10具有比第一曲率半径R1大的第二曲率半径R2。

Description

模压成型用玻璃坯料和使用该玻璃坯料的光学元件的制造 方法

技术领域

本发明涉及模压成型用玻璃坯料和使用该玻璃坯料的光学元件的制造方法，更具体而言，本发明涉及至少成为光学功能面的部位的表面由自由表面形成的模压成型用玻璃坯料和使用该玻璃坯料的光学元件的制造方法。

背景技术

以往，作为通过模压成型制造光学元件时使用的模压成型用玻璃坯料，例如有专利文献1所记载的玻璃坯料。该专利文献1中记载的模压成型用玻璃坯料通过所谓的悬浮成型来形成，即、将熔融玻璃承接在球面状的承接模中，以从承接面喷出气体而使熔融玻璃悬浮的状态进行保持，从而成型出玻璃坯料。因此，通过该方法制造的模压成型用玻璃坯料具有由曲率半径与承接模的曲率半径大致相同的曲面形成的下表面，并且整个面由平滑的自由表面形成。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-171565号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，近年来，透镜的应用领域越来越广，与此相伴透镜的形状、大小的多样化不断发展。例如在图像识别传感领域中，对通过强烈畸变而使中心为望远、周边为广角的特殊投影方式的照相机的要求提高，对于作为配置在这样的照相机的最靠近物点侧的第一透镜使用的非球面透镜而言，要求厚壁且透镜整体的体积大、另一方面近轴的曲率半径小等复杂的形状。

但是，对于现有的形状的模压成型用玻璃坯料而言，若增大玻璃坯料的体积，则下表面(与承接模对置的面)的曲率半径也变大，若将这样的现有的形状的模压成型用玻璃坯料模压成型为近轴的曲率半径小的非球面透镜，则在模压成型用玻璃坯料和模压用模具之间产生积存气体的气阱，无法得到良好的形状品质的成型品。

本发明的目的在于提供一种能够模压成型出体积大且形状复杂的非球面透镜的模压成型用玻璃坯料和使用该玻璃坯料的光学元件的制造方法。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明的模压成型用玻璃坯料的特征在于，至少成型后一对成为光学功能面的部位的表面由自由表面形成，并且具有以旋转轴为中心的旋转体形状，旋转轴方向上的一个成为光学功能面的部位的表面即第一表面朝向外侧形成为凸状，第一表面的中心部具有比体积与模压成型用玻璃坯料相同的球的半径小的第一曲率半径，在中心部的周围且与中心部邻接配置的周边部具有比第一曲率半径大的第二曲率半径。

在这样构成的本发明中，模压成型用玻璃坯料的至少成型后一对成为光学功能面的部位的表面为自由表面，因此能够得到平滑表面的玻璃坯料。另外，模压成型用玻璃坯料的第一表面的中心部具有比相同体积的球的半径小的第一曲率半径，周边部具有比第一曲率半径大的第二曲率半径，因此即使是体积比较大的模压成型用玻璃坯料，也能够得到中心部的曲率半径比较小且平滑地连续的整体形状。因此，即使在将模压成型用玻璃坯料模压成型为例如近轴的曲率半径比较小的形状的透镜的情况下，也能够在中心部不产生气阱而进行模压成型，并且模压成型用玻璃坯料遍布到模压成型时的成型模的各个角落，得到形状精度高的光学元件。因此，即使在成型出厚壁且形状复杂的非球面透镜的情况下，也能够得到品质良好的成型品。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的模压成型用玻璃坯料的包含旋转轴的截面形状的图。

图2是示出本发明的一个实施方式的模压成型用玻璃坯料的体积与中心部的曲率半径的关系的图。

图3是示出对本发明的一个实施方式的模压成型用玻璃坯料进行模压成型而得到的光学元件的截面形状的一例的图。

图4是示出本发明的比较例1的模压成型用玻璃坯料的截面形状的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。

需要说明的是，在本说明书中，模压成型用玻璃坯料是指所谓的预成型件，是主要用于精密模压成型的玻璃坯料。

另外，在本说明书中，自由表面是指熔融玻璃不与模具等其它部件接触而固化时的表面，不包括转印有其它部件的一部分的面或实施了研磨、磨削等机械加工的面。

图1是示出本发明的一个实施方式的模压成型用玻璃坯料1(以下简称为“玻璃坯料1”)的包含旋转轴的截面形状的图。玻璃坯料1的至少成为光学功能面的部位的表面由自由表面形成，并且具有以旋转轴A为中心的旋转体形状，旋转轴A方向的一个面(下表面6)朝向外侧形成为凸状，一个面(下表面6)的中心部8具有比体积与玻璃坯料1相同的球的半径小的第一曲率半径R1，与中心部8的周围邻接配置的周边部10具有比第一曲率半径R1大的第二曲率半径R2。另外，旋转轴A方向的另一个面(上表面4)的曲率半径R7比下表面6的曲率半径R1大。

另外，光学功能面是指光学透镜等光学元件中的有效直径内的区域。玻璃坯料1中的成为光学功能面的部位根据光学元件的形状、功能而各不相同，但至少光轴(旋转轴A)的中心及其周边区域能够成为光学功能面。

以下，对本实施方式的玻璃坯料1进行更详细的说明。如图1所示，玻璃坯料1的至少模压成型后一对成为光学功能面的部位的表面由自由表面形成，并且具有以旋转轴A为中心的旋转体形状，以旋转轴A为中心的直径沿着旋转轴A从图1的下方逐渐增大，在最大直径位置2具有最大直径D1，然后再次逐渐减小直径。通过这样的形状，比最大直径位置2靠上侧的上表面4形成为朝向外侧即上侧弯曲的凸状。另外，比最大直径位置2靠下侧的下表面6形成为朝向外侧即下侧弯曲的凸状。需要说明的是，在图1中，S1是上表面4侧的成为光学功能面的部位，S2是下表面6侧的成为光学功能面的部位。另外，4a和6a分别表示成为光学功能面的部位的表面，6a是第一表面，4a是第二表面。除了该成为光学功能面的部位的表面4a、6a以外的表面在将玻璃坯料1模压成型后通过定心加工而被除去，或者即使在未被除去的情况下也成为光学上不发挥功能的面，因此可以不必是自由表面。需要说明的是，在本实施方式中，玻璃坯料1的整个面由自由表面形成。

下表面6具有旋转轴A附近的中心部8和与中心部8的周围邻接配置的周边部10。

图2是示出本发明的一个实施方式的玻璃坯料1的体积V与中心部8的曲率半径R1的关系的图。在该图2中，横轴表示曲率半径r，纵轴表示体积V，曲线C表示体积与具有该体积的球体的曲率半径(半径)的关系。本实施方式的玻璃坯料1的中心部8的曲率半径R1设定为位于比该曲线C靠左侧的划斜线的区域内。即，本实施方式的玻璃坯料1的中心部8的曲率半径R1设定为小于将与玻璃坯料1相同体积V的玻璃坯料形成为球状时的半径。需要说明的是，图2中的■表示实施例中的玻璃坯料的体积与曲率半径的关系，○表示比较例1中的玻璃坯料的体积与曲率半径的关系，●表示比较例2中的玻璃坯料的体积与曲率半径的关系。关于这些将在后面叙述。

另外，在玻璃坯料1中，周边部10的曲率半径R2设定为大于中心部8的曲率半径R1。

这样，对于玻璃坯料1而言，在将该玻璃坯料1模压成型而成型出光学元件时形成光学元件的光学功能面的玻璃坯料1的表面(第一表面6a和第二表面4a)至少由自由表面形成。如上所述，自由表面是指熔融玻璃不与模具等其它部件接触而固化时的表面，是算术平均粗糙度Ra为10^-3μm以下(1nm以下)的极平滑的面。从获得将玻璃坯料1模压成型后的表面平滑性的观点出发，该算术平均粗糙度Ra优选为0.7nm以下，更优选为0.5nm以下。

进而，玻璃坯料1具有以旋转轴A为中心的旋转体形状，旋转轴A方向的一个面即下表面6朝向外侧形成为凸状，下表面6的中心部8具有比相同体积的球的半径小的第一曲率半径R1，在中心部8的周围且与中心部8邻接配置的周边部10具有比第一曲率半径R1大的第二曲率半径R2。

需要说明的是，第一曲率半径R1例如为2～10mm，优选为3～8mm，更优选为4～7mm。另外，第二曲率半径R2例如为5～30mm，但并不限定于该范围。

另外，在玻璃坯料1中，从最大直径位置2到下表面6的最下端即下表面6与旋转轴A相交的点的距离L2相对于从最大直径位置2到上表面4最上端即上表面4与旋转轴A相交的点的距离L1的比(L2/L1)优选设定为1.2～1.7。若该距离L2相对于距离L1的比在上述范围外，则将玻璃坯料1载置于模压成型用的成型模具时的玻璃坯料1的稳定性变差，玻璃坯料1的旋转轴A与成型模具的中心轴对位变得困难。若玻璃坯料1的旋转轴A偏离成型模具的中心轴，则模压成型得到的光学元件会产生壁厚不均。

另外，图1所示的玻璃坯料1的旋转轴A方向的厚度T是距离L1和距离L2的总和。

本发明人对距离L2相对于距离L1的比(L2/L1)与玻璃坯料的稳定性的关系性进行了验证，结果得到了如表1所示的见解。

[表1]

玻璃坯料的体积	L2/L1	稳定性评价
			200mm<sup>3</sup>	1.34	良好
400mm<sup>3</sup>	1.22	良好
			600mm<sup>3</sup>	1.35	良好
800mm<sup>3</sup>	1.34	良好
			1000mm<sup>3</sup>	1.47	良好
600mm<sup>3</sup>	1.86	不稳定
			1000mm<sup>3</sup>	1.77	不稳定

需要说明的是，在表1的稳定性评价中，在将玻璃坯料1以下表面6朝下的状态载置在平面上时，将稳定性良好且自支撑的情况设为“良好”，将稳定性差且玻璃坯料侧翻等无法自支撑的情况设为“不稳定”。

由表1可知，若距离L2相对于距离L1的比(L2/L1)为1.7以下，则玻璃坯料的稳定性良好，与此相对，若上述比(L2/L1)超过1.7，则变得不稳定。

需要说明的是，关于上述比(L2/L1)的下限，从抑制模压成型时产生气阱的观点出发，优选为1.2以上。

接着，对如上所述的玻璃坯料1的制造方法进行说明。

玻璃坯料1是通过所谓的悬浮成型而成型的，即、将熔融玻璃承接在模具中，以从模具的承接面喷出气体而使熔融玻璃悬浮的状态进行保持，从而成型出玻璃坯料。因此，玻璃坯料1的整个面由自由表面形成。

模具例如由多孔质材料形成。模具的形状按照如下的方式形成：供给到模具的熔融玻璃在悬浮气体的作用下从模具的表面悬浮并被支撑时，在周边部，模具与熔融玻璃的距离变得最小，在中心部，模具与熔融玻璃的距离变得最大。另外，模具的形状按照如下的方式形成：在模具内熔融玻璃的表面受到的悬浮气体的压力形成在周边部最高、在中心部为最低的压力分布。

多个模具等间隔地配置在转台的圆周上，转台构成为能够每次旋转规定角度。在模具的下方连接有悬浮气体供给源。另外，模具用加热器加热，调整为适当的温度，以使得不在玻璃坯料1的形状变形、产生裂纹、或玻璃坯料1与模具的表面接触的情况下粘贴玻璃坯料1。

若从这样构成的模具的下方供给悬浮气体，则悬浮气体从模具喷出。若向模具内供给规定量熔融玻璃时，熔融玻璃因悬浮气体的压力整体从模具悬浮，通过悬浮气体的压力、熔融玻璃的表面张力和自重的平衡，与模具的内表面对置而形成玻璃坯料1的下表面6，以整体的形式成型为图1那样的规定的形状。

需要说明的是，作为所使用的玻璃的材料，没有特别限定，可以使用例如以硼酸和稀土氧化物为主要成分的硼酸镧系玻璃、以磷酸盐为主要成分的磷酸盐玻璃，以氟和磷酸盐为主要成分的氟磷酸盐玻璃、以硼硅酸盐为主要成分的硼硅酸盐系玻璃等。

熔融玻璃在模具内成型的同时在转台上移动，冷却至即使施加外力也不变形的温度区域，形成玻璃坯料1。然后，从模具中取出玻璃坯料1，进行缓冷。可以根据需要对成型后的玻璃坯料1进行清洗，也可以根据需要在整个面上形成碳膜。在将玻璃坯料1模压成型为光学元件时，这样的碳膜使玻璃的滑动变好，并且提高成型后的光学元件的脱模性。

接着，对使用玻璃坯料1制造光学元件的方法进行说明。将成型为图1那样的形状的玻璃坯料1容纳在模压成型用的模具内，对模具进行加热，使玻璃坯料1软化并进行模压，得到规定形状的光学元件。在此，玻璃坯料1的中心部8的曲率半径R1形成为小于与中心部8对置的位置处的模压成型用的模具的曲率半径。因此，软化后的玻璃坯料1在下表面6从中心部8开始与模压成型用的模具接触，逐渐朝向外侧转印模具的形状而成型为所期望的形状。

图3是示出对本发明的一个实施方式的模压成型用玻璃坯料进行模压成型而得到的光学元件的截面形状的一例的图。将玻璃坯料1模压成型而得到的成型体的外周部具有虚线所示的余料部26，通过定心加工除去了该余料部26的部分是光学元件16。该图3所示的光学元件16中，成为中心部18的近轴的曲率半径R3比较小(例如曲率半径10mm以下)，在中心部18的周围形成沿着轴20向内侧(图3中为上方)凹陷的弯曲部22。另外，与中心部18相反侧的面(图3中上侧的面)具有近轴的曲率半径R4，成为向里面(图3中下方)凹陷的凹面23。这样，光学元件16作为整体具有复杂的形状，与以往相比形成为比较厚的壁厚。

需要说明的是，在对将玻璃坯料1模压成型而得到的成型体实施冷加工而得到规定形状的光学元件的情况下，实施冷加工的部位、范围根据光学元件的光学功能面的范围而不同。因此，图3所示的余料部26的范围和形状也各不相同。

根据本实施方式的玻璃坯料1，能够得到如下效果。

玻璃坯料1的整个面由自由表面形成，因此能够得到平滑表面的玻璃坯料1，在将该玻璃坯料1模压成型而得到光学元件时，能够得到良好的外观和形状品质的光学元件。

以往的玻璃坯料具有球形状，或者具有曲率半径比球的半径大的椭圆形状，若增大玻璃坯料整体的体积，则曲率半径当然也随之增大。因此，在要用体积增大的现有的玻璃坯料模压成型出例如复杂形状的非球面透镜的情况下，若非球面透镜的近轴的曲率半径小，则玻璃坯料的曲率半径变得比模压成型用的模具的曲率半径大，在玻璃坯料和模具之间会积存气体，不能得到良好形状的光学元件。

与此相对，在本实施方式中，玻璃坯料1的下表面6的中心部8的曲率半径R1设定为小于具有与玻璃坯料1的体积V相同的体积的球的半径，因此即使是体积比较大的玻璃坯料1，也能够将中心部8的曲率半径R1形成得较小。因此，即使在成型出近轴的曲率半径小的壁厚且形状复杂的光学元件的情况下，也不会产生气阱，能够得到形状良好的成型品。

玻璃坯料1的周边部10的曲率半径R2形成为大于中心部8的曲率半径R1，因此从具有较小曲率半径R1的中心部8向具有较大曲率半径R2的周边部10过渡的区域变得平滑，作为整体能够得到连续的平滑的形状。

适当地设定了从玻璃坯料1的最大直径位置2到下表面6的距离L2相对于从玻璃坯料1的最大直径位置2到上表面4的距离L1的比，因此能够确保比较大的体积，同时能够使中央部的第一曲率半径R1比较小，即使在将玻璃坯料1模压成型为复杂形状的非球面透镜的情况下，也不会产生形状不良，能够得到品质良好的光学元件。

另外，适当地设定了距离L2相对于距离L1的比，因此在将玻璃坯料1载置在模压成型用的模具上时，能够将玻璃坯料1稳定地载置在模具内。因此，能够容易且可靠地使玻璃坯料1的旋转轴A与模具的中心轴对位，能够成型没有壁厚不均等不良情况的、品质良好的光学元件。

[实施例]

对本发明的实施例进行说明。

使用上述悬浮成型，制作出体积V为547mm³的玻璃坯料1。玻璃坯料1的中心部8的曲率半径R1为4.2mm。该玻璃坯料1具有在图2中用■表示的体积与曲率半径的关系，其位于图2的比曲线C靠左侧的斜线区域内。另外，该玻璃坯料1的整个面为自由表面。

熔融玻璃的供给、切断方法、熔融玻璃在模具面上的悬浮条件等使用公知的方法。

将所得到的玻璃坯料1加热软化，进行精密模压成型，模压成型为图3所示那样的截面形状的光学元件16。所得到的光学元件16的凸面的中心部18的曲率半径R3为4.7mm，凹面23的曲率半径R4为2.2mm。需要说明的是，模压成型用模具形成为与光学元件16的形状对应的形状。

将玻璃坯料1加热并利用模压成型用模具进行精密模压成型的结果，可再现性良好地得到维持所期望的曲率半径R3、R4的同时具有所期望的壁厚和直径的光学元件16。

[比较例1]

下面，对本发明的比较例1进行说明。

图4是示出本发明的比较例1的玻璃坯料24的截面形状的图。在比较例1中，使用悬浮成型，制作出体积V为250mm³的玻璃坯料24。玻璃坯料24的中心部的曲率半径R5为4.5mm。该玻璃坯料24具有在图2中以○表示的体积与曲率半径的关系，其位于图2的比曲线C靠右侧的斜线区域之外。

对玻璃坯料24进行加热并利用模压成型用模具进行精密模压成型的结果，无法得到特别期望的壁厚和直径，与实施例相比，光学元件的形状精度显著劣化。

[比较例2]

下面，对本发明的比较例2进行说明。

在比较例2中，通过冷加工制作出体积为550mm³的球状的玻璃坯料24。所得到的球状的玻璃坯料的半径为5.1mm。该玻璃坯料具有在图2中以●表示的体积与曲率半径的关系，其位于图2的曲线C上。用与实施例相同的精密模压成型用模具对所得到的玻璃坯料进行精密模压成型，结果在光学元件16的中心部18产生了气阱。据认为这是因为，光学元件16的中心部18的曲率半径R3为4.7mm，与此相对，玻璃坯料的半径为5.1mm，因此在玻璃坯料和模压成型用模具之间积存了气体。

如上所述，在本发明的玻璃坯料1中，可得到如实施例那样形状良好的光学元件。另一方面，在比较例1和2中记载的以往的玻璃元件中，产生气阱，无法得到形状良好的光学元件。

符号说明

1 模压成型用玻璃坯料

4 上表面

4a 成为光学功能面的部位的表面(第二表面)

6 下表面

6a 成为光学功能面的部位的表面(第一表面)

8 中心部

10 周边部

R1、R2 曲率半径

D1 最大直径

T 厚度

L1、L2 距离

S1、S2 成为光学功能面的部位

Claims (5)

1.一种模压成型用玻璃坯料，其中，

在模压成型用玻璃坯料中，

至少成型后一对成为光学功能面的部位的表面由自由表面形成，并且具有以旋转轴为中心的旋转体形状，

所述旋转轴方向上的一个所述成为光学功能面的部位的表面即第一表面朝向外侧形成为凸状，所述第一表面的中心部具有比体积与所述模压成型用玻璃坯料相同的球的半径小的第一曲率半径，

在所述中心部的周围且与所述中心部邻接配置的周边部具有比所述第一曲率半径大的第二曲率半径，

所述玻璃坯料的体积为200mm³以上。

2.如权利要求1所述的模压成型用玻璃坯料，其中，

相对于从以所述旋转轴为中心的所述模压成型用玻璃坯料的直径最大的位置到另一个所述成为光学功能面的部位的表面即第二表面侧的端部为止的平行于所述旋转轴的距离，从所述直径最大的位置到所述第一表面侧的端部为止的平行于所述旋转轴的距离的比为1.2～1.7。

3.如权利要求1或2所述的模压成型用玻璃坯料，其中，所述自由表面的算术平均粗糙度Ra为1nm以下。

4.如权利要求1或2所述的模压成型用玻璃坯料，其中，所述第一曲率半径为2mm～10mm。

5.一种光学元件的制造方法，其具备对权利要求1～4中任一项所述的模压成型用玻璃坯料进行加热而进行模压成型的模压成型工序。

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