CN1178199A - 光学元件的成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学元件的成型方法,其中一定重量的玻璃料放入模具中,随后加热到软化并用模具加压成型光学元件。加热玻璃料到粘度为105至107分泊,和用模温相当于玻璃料粘度为109至1010的模具对玻璃料进行模压。

Description

光学元件的成形方法
本发明涉及光学元件的成形方法，其中玻璃料加热至软化，随后在模具中模压成形。
现时，已发展了一种光学元件的成形方法，其中光学元件的玻璃料(如预成形到有一定程度的表面精度及外形的玻璃坯料)放在具有预定表面精度的模具中，加热进行模压得到具有高精度的光学作用表面的光学元件，不需要进行磨削及抛光等后处理。
一般，在这种模压成形方法中，上下模垂直设置成相互相对以便在金属模框中滑动。要成形的玻璃料放入上模、下模及模框所限定的腔中，上下模及模框加热至适合于模压的温度，也就是根据材料，与玻璃料的粘度为108至1012分泊相当的温度，随后合模，并对玻璃料加压适当的时间，使模元件的成形面的形状转移至玻璃料的表面。在该情形下，成形时，环境是氮气之类的非氧化气氛以便防止模元件的氧化。
随后，模具元件冷地到足够接近要成形的玻璃料的转变温度，随后打开模具，释放模压压力，取出成形的光学元件。
在放入模具中以前，要成形的玻璃料也可以预热到适当的温度，或在加热到适宜于成形的温度后，再把玻璃料放入模具中。另外，可进行连续成形，按这样一种方式，把要成形的玻璃料及模具元件一起传送到压机中，在预定位置分别加热，并用压机模压，或再进一步冷却。这些方法可加速成形过程。
上述的模压光学元件的方法已在US 3833347，US3844 755，日本专利中请公开58-84134及其它一些文件中公开，其中玻璃料预先放入模具中，随后加热模具元件及玻璃料成为一种等温状态，在一定温度下完成模压成形。另外，日本专利申请公开59-203732和62-27334等公开了一种方法，其中加热到适合于模压温度的玻璃料转移到模具中，模具温度保持在低于玻璃料温度的温度。
但是，上述的现有技术方法包括下列问题。首先，在日本专利申请公开58-84134等公开的方法中，当玻璃料预先放入到模具中，模具元件及玻璃料加热到等热状态，模压温度的合适范围要相应于玻璃粘度为109至109.5分泊(dpas)。
这是因为当温度低于相应于玻璃粘度为109.5分泊的温度值，玻璃碎裂，或在模压中要长时间进行变形，因此这种温度没有实际生产力，另一方面，当温度高于相应于玻璃粘度为109分泊的温度值，会产生如在模具表面上的熔接或在转移表面上的模糊不清等差的状态。因此，一般模压的时间约30秒至10分，周期变得相当长，因为在通过加压使玻璃料变形完成后，玻璃料要冷到外形不会改变的一温度范围，随后从模具中脱出。
另外，日本专利申请公开59-203732公开的方法中，玻璃料放在一夹具中，加热到温度相应于粘度为105.5至107分泊的温度值，并用温度比玻璃温度低100℃的模具元件加热。
但是，在玻璃料放在夹具中加热到上述温度的情况下会发生下面的问题。成形时玻璃会变形成不合适的形状，使气体残留在模压的表面上，或者夹具突入玻璃中，使光学元件不能达到要求的精度，或者当加热的玻璃料转送入模具中时，玻璃温度降低使得不可能进行模压成形。
另外，由于夹具夹持的玻璃料的周边部分与夹具接触，其表面变粗糙，难以用作光学作用表面。另外，由于玻璃在放在夹具中的状态加压，难以定位，成形零件会出现毛刺。还有，成形零件会粘到夹具上，因此难以从模具中取出。根据产品形状，对于凸透镜的情形，更增加了困难。
另外，在日本专利中请公开62-27334的方法中，玻璃料加热到温度相应于粘度为106至108分泊，而模具元件定成Tg-(Tg-200℃)，其中Tg是转变温度，但是由于模具元件的温度太低，模压时玻璃温度迅速降低，结果不可能得到成形零件要求的精度，并且不能得到预定的厚度的模制件，玻璃会碎裂，及在玻璃中温度分布不同，因而成形零件表面起皱。另外，如上述已知实例中，会发生在玻璃料放在夹具中的状态进行模压的这些问题。
本发明的目的是解决现有技术的光学元件成形方法存在的问题，提供一种光学元件成形方法，可避免成形的玻璃产品中的裂纹及模压失效，还可缩短周期，并可在理想条件下进行模压而达到经济性。
为实现本发明上述目的，按照本发明，提供了一种光学元件的成形方法，其中一定重量的玻璃料放入模具中，随后加热，软化并用模具加压，玻璃料加热到粘度为105至107分泊，并在模温相应于玻璃料粘度为109至1010分泊的模具中模压成形。
规定玻璃粘度范围的理由如下。当玻璃料温度超过相应粘度为105分泊的温度，在加热时玻璃料变形成为不适宜模压的形状，或紧跟着在模压开始后，中部温度及表面温度差相当大，达到凹下的记号不会移去的程度，因此不能得到外形精度。另一方面，当温度相当粘度为107分泊后，在模压时玻璃温度降低很大，使得变形不会产生预定厚度，不能得到外形精度。
当模具元件温度超过相应于要成形的玻璃料的粘度为109分泊的温度，在模具元件及玻璃成形面之间的熔接发生。另一方面，当没有达到温度相应于玻璃料粘度为1011分泊的温度时，模压时玻璃温度迅速下降太多，结果不能得到成形零件要求的精度，另外，不可能模压到预定厚度，玻璃碎裂，由于迅速的温降使玻璃中温度分布改变，在成形产品的表面产生起皱。
因此，通过把温度设在上述温度条件可解决上述问题。更具体地，可在不同位置把一定重量的玻璃料预热至比相应玻璃料粘度为1011分泊的温度低的温度，随后放入模具中，因此用来加热玻璃料需要的时间缩短。但是，如果预热至温度超过玻璃的屈服点(1011分泊)，在预热中夹具突入玻璃中，或当玻璃料放入模具中时传递元件突入玻璃中，结果使玻璃料的表面变差。
另外，在玻璃料模压中，在玻璃料开始变形的同时开始冷却模具元件，使得成形周期比完成变形后开始冷却模具的一般情况能进一步缩短。在本发明中，模具的温度在相当于玻璃料粘度为109至1011分泊的温度的范围内，在该范围在109分泊附近的情形下，如果模压温度相应于粘度为105至107分泊的温度的玻璃料，并保持长时间，会发生与模具元件成形表面的熔接，但是在模压开始的同时开始冷却模具元件，可防止熔接。
另外，在模压玻璃料时，玻璃料在5秒内从开始变形到模压成预定厚度，因此可得到满意的外形精度。如果由于压机低的负载等引起到完成变形需要多于5秒，那么玻璃温度降低很多，使得不可能变形到预定厚度。
另外，成形的玻璃在压力下冷却直到内部粘度达到1011至1013分泊，随后从模具中取出，因而可得到高精度的光学元件。也就是说，在具有小直径的透镜的情形下，即使在高于相应于粘度为1011分泊的温度下从模中取出，仍可得到外形精度。另一方面，对于大直径的透镜，当玻璃在相应粘度为1011至1013的温度模压，随后冷却及从模中取出，可得到较高的外形精度。
按照本发明，不用夹持玻璃料的夹具，因此没有毛刺及与夹具粘结的问题。
下面通过附图及实施例详细说明本发明，附图中：
图1是用于实施本发明一个实施例的成形方法用的一个装置的一个实例的示意图；
图2是示出在模压后，图1装置的状态的视图；
图3是考虑第一实施例的一种条件，用来说明模具及玻璃温度变化的曲线图；
图4是考虑在第一实施例另一种条件，用来说明模具及玻璃温度变化的曲线图；
图5是说明现有技术的成形方法中模具及玻璃温度变化的曲线图；
图6是说明第二实施例的模具及玻璃温度变化的曲线图；
图7是实施本发明第三实施例的成形方法的装置的示意图；
图8是示出在模压后图7装置的状态的示意图；和
图9是考虑第三实施例的一种条件，用来说明模子及玻璃温度变化的曲线图。
第一实施例
在图1中示意地示出实施本发明成形方法用的一个装置。该装置设有一上模1，一下模2，有孔的模框3，模具加热器4，玻璃加热器5，把玻璃材料6放入模中及从模中取出成形产品的吸手7，及用来在放入模中前预热玻璃材料9的预热座8。另外，图2示出光学元件已成形后的状态，其中标号10代表成形产品。
图1所示的模压装置是放在成形室(未示出)的N2气氛中。在该实施例的一个具体实例中，为了成形一透镜，用SK12(nd＝1.58313，vd＝59.4，Tg＝506℃，At＝538℃)作玻璃料，并模压制造一个直径为12mm，中部厚度为7mm的玻璃球坯(玻璃块)。在该情形下，成形产品是由上述玻璃料制的双凸镜，其尺寸为R1＝16.45mm，R2＝16.86mm，中部厚度＝4.5mm，光束有效直径＝Φ12.5mm，外径＝Φ15mm。SK12的温度与粘度的关系示于表1。
                                           表1
粘度 分泊 105 106 107 108 109  1010  1011  1012  1013
温度 ℃ 720 677 642 612 584  557  535  516  500
图3示出考虑该实施例中的一种条件，模具及玻璃的温度变化。在成形过程中，一定重量的玻璃料6首先用吸手放入下模2中。这时，上，下模1，2的温度为500℃。接着，把加热器5放在上下模1，2之间，在玻璃料6的附近，快速加热玻璃料。在放入玻璃料的同时，在17秒后，模温升到535℃(相当粘度1011分泊)。当玻璃料6的中部温度达到642℃(相当粘度107分泊)，缩回加热器，随后以100kg负荷降下上模1进行模压。在开始变形后，把玻璃料6压到预定厚度需要时间是4秒。另外，在压制开始同时，模具以1℃/秒的速度冷却，当35秒后温度达到500℃，升起上模1，从模中取出玻璃料。
当表面加压时，玻璃已冷到模具的温度，而中部稍后冷却，在15秒后，中部温度与表面温度一致。成形的光学元件有好的外形精度，表面等高线图的数目就牛顿环而言只是1。在从模中脱开后，取出成形产品，随后加进新的玻璃料，继续进行成形操作。在连续成形中一周期为80秒。
图4示出考虑另一种条件，模具和玻璃的温度变化。模压的条件是：模温为584℃(相当粘度109分泊)，玻璃温度为720℃(相当粘度105分泊)，在535℃下从模中取出。在该情形下，一周期是98秒。另外，表2示出通过改变模具和玻璃的温度进行的成形试验得到的结果。表2
Figure A9610927500081
从上述结果可了解到当玻璃温度相当于粘度105-107分泊，而模具温度相当于粘度109-1011分泊，可得到优良的光学元件。
第二实施例
成形装置与第一实施例的相同，但是在不同的条件下进行试验，检验了试验结果。在该情形下，用图1的预热座，玻璃料预先加热到535℃(相当粘度1011分泊)，随后放入模中。另外，在压制过程中，下一份玻璃料预热，这样避免预热使周期延长，可实现连续成形。
图6示出该实施例的一个具体实例中模具及玻璃的温度变化。预热到535℃的玻璃材料加到温度为500的模具中，把加热器5插到模具中加热玻璃。同时，在17秒后，模具加热到535℃，而玻璃温度在642℃。在该状态，在100kg的模压压力进行模压。
从变形开始到把玻璃料压到预定厚度需要的时间为4秒。另外，在压制开始的同时，模具以1℃/秒的速度冷却，在35秒后达到500℃时，升起上模1，以模中取出玻璃料。这样成形的光学元件显示有优良的外形精度：表面的等高线图数就牛顿环而言为1。另外，周期是65秒，与在同样条件下不经预热进行横压的第一实施例比，缩短了15秒。
表3示出在同样温度条件下改变压制压力进行模压得到的成型结果。
                         表3
  模压压力     100kg     50kg   25kg
  结果及变形时间     好4秒     好5秒   厚度失效7秒
从上述结果可了解到如果试图变形大于5秒，玻璃温度相当低，因此难以变形到预定厚度。
第三实施例
图7示出用来实施本发明第三实施例用的装置的示意图。装置设有一上模11，一下模12，模框13，模具加热器14，玻璃加热器15。标号16表示玻璃料。另外，图8示出光学元件成形后的状态，其中标号17为成形产品。作为成形透镜的材料，使用Lak12(nd＝1.66910，vd＝55.4，Tg＝530℃，At＝562℃)，使用该玻璃料制造一单面凹形玻璃坯，直径为12.7mm，中部厚度为6mm。
在该情形下，使用上述玻璃材料制成了双凹透镜，R1＝17。58mm，R2＝37.377mm，中部厚度＝1.3mm，光束有效直径＝12.5mm，外径＝Φ14mm。表4示出了Lak12的温度与粘度的关系。
                                            表4
粘度   分泊 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013
温度   ℃ 706 666 636 612 587 567 549 531 513
图9示出考虑该实施例的一种条件的模具和玻璃的温度变化。在成形过程中，在预热座上预热到513℃(相当粘度1013)的玻璃料放入535℃的模中，随后插入加热器15加热玻璃料。同时，模具温度升到549℃(相当粘度1011分泊)，当玻璃温度达到636℃(相当粘度107分泊)，抽出加热器15，随后，以压制压力80kg降下上模对玻璃料加压。
另外在开始压制的同时，模具以1℃/秒速度冷却，当15秒后模温达到535℃，升起上模11，把玻璃料从模中取出。在玻璃表面受压时，玻璃温度达到模温，而厚的部分较慢冷却，在14秒后，其温度与表面温度一致。成形的光学元件17具有良好的外形精度：就牛顿环而言，表面的等高线图数目为1.5。另外，在从模中脱开后，可取出该成形产品，及放入新的玻璃料，因此实现了连续成形。周期的时间为38秒。
表5示出了改变模温及玻璃温度得到的成形结果：表5
Figure A9610927500111
从上述结果可以了解到当玻璃粘度相当105至107分泊及模具温度相当玻璃粘度为109-1011分泊可得到优良的光学元件。
比较实施例
使用包括与第一实施例相同的模具的装置，用现有技术的成形方法作为比较实例。图5示出了在现有技术实例中模温及玻璃温度的变化。当模温为500℃，玻璃料(SK12)放入模具中。在放入后42秒后，模温及玻璃温度分别达到584℃(相当玻璃粘度为109分泊)，降下上模对玻璃加压。在该情形下，直到变形完成需要65秒。随后，以1℃/秒速度冷却模具，在84秒后模温达到500℃，升起上模，从模具中脱开玻璃。在从模中脱开后，取出玻璃产品，随后把一块新玻璃料放入模中，进行连续成形。周期为204秒，与本发明实施例中的周期相比，该周期相当长。
如上所述，在本发明方法中，一定重量的玻璃料放入模具中，加热至软化，并在模中压制得到光学元件，玻璃料加热至粘度为105至107分泊，用加热至温度相当玻璃的粘度为109至1011分泊的模具压制。在比现有技术的方法更短的时间中可模压出有优良质量的光学元件，因而改善了经济性。

Claims (5)

1.一种光学元件的成形方法，其中一定重量的玻璃料放入模具中，随后加热，软化并用模具加压，所述的方法包括下列步骤：
加热所述的玻璃料使得所述的玻璃料的粘度为105至107分泊，和
用模温相当于玻璃料粘度为109至1010分泊的所述的模具对所述的玻璃料进行模压。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于还包括如下步骤：
把所述的一定重量的玻璃料预热至比相应粘度为1011分泊的温度低的温度；和
把所述的玻璃料放入模具中，把所述的玻璃料加热至一预定的温度使所述的玻璃料软化，并用所述的模具进行模压。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于在模压时，在所述的玻璃料开始变形的同时开始冷却所述的模具。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于在模压时从所述的玻璃料开始变形5秒内，所述的玻璃料被压到预定的厚度。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于在模压中从所述的玻璃料开始变形5秒内，所述的玻璃料被压到预定的厚度，并且随后在压制压力下冷却直到所述的成形的玻璃内部粘度达到1011至1013分泊，随后从所述的模具中取出。
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