CN1524812A - 成形模的表面处理方法和成形模，以及光学元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及成形模的表面处理方法，成形模和由该成形模所成形的光学元件，这种方法不使用液体腐蚀来进行成形模的加工和翻新，而且不经过研磨工序就可以实现。首先，预先分别针对构成基体、中间层以及表面层的碳化钨(WC)、铬(Cr)以及氮化铬(CrN)，除了离子束入射角以外，以与表面处理时相同的照射条件，求出离子束入射角与成形面内的刻蚀程度分布的关系。根据上述关系，以成形模控制角度γ作为参数，根据构成成形面的Cr和CrN的膜厚比例，算出从成形面的表面顶端到周边部位方向的刻蚀程度的分布。这样，就可以求出成形模控制角度γ与处理时间这两者的最佳组合条件，并按照这些条件进行刻蚀深度最适当的加工。
Description
技术领域
本发明涉及为使光学玻璃元件等成形用的成形模的表面处理方法和成形模，以及由这种成形模成形的光学元件。
背景技术
透镜等光学玻璃元件中有球面透镜和非球面透镜等，特别是，在制造非球面透镜时，多采用也能成形非球面形状的透镜的玻璃压制成形法。
这种玻璃压制成形法是，在预先加工到所要求的表面质量和表面精度的球面或非球面成形模上，加热光学玻璃块状物，或者，把经过预热的玻璃块状物放在成形模上，然后压制成形，获得成形物，以使其表面加工的效果达到可以省略研磨工序的程度。
这种玻璃压制成形法所使用的成形模，如果反复进行成形操作，很快就会发生成形面变劣，成形质量降低等现象。因此，再次使用成形模的时候，必须对成形面进行表面处理，进行翻新。
以往，成形模的表面处理方法是，使用在成形模的基体与表面层之间具有以铬为主要成分的中间层的成形模进行成形，在翻新时，把该成形模放入铬溶解性处理液中进行处理，使中间层和表面层溶解剥离，然后形成新的中间层和表面层，(例如，参照专利文献1，特开平1-192733号公报)。
此外，还提出了在成形模的成形面上照射离子束，对成形模的覆盖膜进行刻蚀处理之后，在成形面上形成新的覆盖膜的方法(例如，参照专利文献2，特开平5-32424号公报)。
另外，还提出了这样的方法，即，当底板和表面层之间有一层或两层以上的中间层，在翻新具有这种中间层的成形模的时候，利用离子束照射进行刻蚀处理，除去上述表面层和中间层的最上面的部分，然后，用能溶解该中间层主要成分的处理液进行处理，溶解除去露出的中间层，接着，再形成新的中间层和表面层(例如，参照专利文献3，特开平2001-130918号公报)。
但是，上述以往的成形模的表面处理方法存在以下问题。
在专利文献1所记载的方法中，一般，所用的铬溶解性处理液是硝酸高铈氨溶液，或者是在盐酸中混合了过氧化氢水和表面活性剂的混合溶液这两种。前一种溶液具有很难溶解铬以外的金属、铬的氮化物以及碳化物的特性。另一方面，后一种溶液，虽然也能够溶解铬以外的物质，但是，很可能会连基体都溶解了。因此，不得不使用前一种铬溶解性处理液，即硝酸高铈氨溶液，但，又出现了这样的问题，即，这种溶液几乎不能应用于中间层是由铬以外的物质所形成的成形模。
还有，在专利文献2所记载的方法中，由于成形模要以垂直于成形面的表面顶部的光轴线为中心进行摇动，如果摇动时，有在成形面的任意位置上的法线方向与上述光轴线不一致的部分，则成形面的中心部分和周边部分的刻蚀深度就会不均匀，加工出来的表面形状也会发生变化。特别是，在表面层和基体之间有若干个层，或者曲率半径小的情况下，有可能出现上述现象。
另外，在专利文献3所记载的方法中，存在着这样的问题，即，不但要进行离子束照射和溶液处理这两个工序的作业，需要投入时间和劳力，而且对于所使用的溶液处理液来说，只有在中间层是由铬形成的时候才有效，对于中间层是由其他物质形成的成形模几乎无法使用。
而且，经过多次成形后的成形模的成形面，与成形初期的形状相比，会有所变化，为了把这种模具的表面形状加工成所希望的形状，使用上述以往的任何一种方法，都必须经过磨削工序等进行进一步加工。
发明内容
本发明是鉴于以上情况而提出的，它不是用液体腐蚀来进行成形模的加工和翻新，此外，本发明的目的是提供一种不用磨削工序就能完成的成形模的表面处理方法和成形模，以及由这种成形模所成形的光学元件。
为了解决上述问题，本发明采取以下办法。
本发明的成形模的表面处理方法是，具有把离子束照射在至少有曲面的成形面上，对成形面进行刻蚀处理的离子束照射工序的成形模的表面处理方法，其特征在于，在上述离子束照射工序中，预先求出上述离子束相对于上述成形面中心轴线的入射角，和与上述成形面上的刻蚀程度分布之间的关系，然后根据这个关系，决定上述入射角和上述离子束的照射时间中的至少一项。
按照这种成形模的表面处理方法，由于能从预先求出的离子束相对于成形面中心轴线的入射角与成形面内的刻蚀程度分布之间的关系，来决定离子束的入射角以及照射时间中的至少一项，因此，就能借助于离子束的入射角和刻蚀程度，在成形面的任意位置上，使得刻蚀深度达到所希望的值，并且还能对成形面进行高精度加工。
在本发明的权利要求1所记载的成形模的表面处理方法中，其特征在于，在上述离子束照射工序中，改变上述入射角及上述照射时间，用上述离子束进行多次照射。
按照这种成形模的表面处理方法，因为可以用离子束进行多次照射，所以对于用一次离子束照射后其刻蚀不够充分的成形面，可以再一次对成形面进行刻蚀，而且还可以对整个成形面进行高精度的加工。
在本发明的权利要求1或2所记载的成形模的表面处理方法中，还具有如下特征，在上述离子束照射工序中，在所确定的上述入射角及照射时间下，上述离子束使上述成形面的形状在照射前后的变化最小。
按照这种成形模的表面处理方法，由于成形面的形状变化最小，因此，成形面的形状在离子束照射的前后保持不变，并且还可以对成形面进行高精度的翻新处理。
在本发明的权利要求1或2所记载的成形模的表面处理方法中，其特征在于，在上述离子束照射工序中，用上述离子束照射具有覆盖膜的上述成形面，而且对上述覆盖膜与上述覆盖膜下面的基体的材质中的至少一方进行刻蚀处理，并且在上述工序之后，还有在上述成形面上形成新的覆盖膜的翻新工序。
按照这种成形模的表面处理方法，因为具有离子束照射工序和在该工序之后的翻新工序，所以，能借助于离子束照射工序中的刻蚀处理，除去旧的覆盖膜，并且，对成形面的表面形状进行高精度的矫正，然后再通过翻新工序，在露出的而且经过矫正的成形面上形成新的覆盖膜，从而能翻新成形模。
本发明的权利要求4所记载的成形模的表面处理方法，其特征在于，在上述离子束照射工序中，根据上述覆盖膜的成分和上述覆盖膜下面的基体材质中的至少一项求出的上述关系，决定上述入射角以及上述照射时间。
按照这种成形模的表面处理方法，由于是根据覆盖膜的成分和覆盖膜下面的基体材质中的至少一项求出的关系，来决定离子束的入射角以及照射时间的，因此，可以得出对覆盖膜的成分以及基体材质最合适的照射条件，而且还能获得成形面的适合于离子束照射工序后的翻新工序的状态。
本发明的成形模的特征是，用权利要求1所记载的成形模的表面处理方法对成形面进行了表面处理。
这种成形模，由于借助于上述本发明的表面处理方法，其成形面成为具有所希望的形状和状态，或者具有翻新的覆盖膜，所以在这种成形模上进行压制成形，能获得经过高精度表面加工的光学玻璃元件。
本发明的光学元件的特征在于，利用权利要求6所记载的成形模来成形。
这种光学元件，由于使用了成形面具有所希望的形状和状态，或者具有翻新的覆盖膜的成形模，而这种光学元件是由该成形模成形的，因此这种光学元件具有很高的光学精度。
按照本发明的成形模的表面处理方法，由于能通过改变离子束的入射角和刻蚀程度，能在成形面的任意位置上刻蚀到所希望的深度，还可以高精度地加工成形面，因此，不需要通过液体腐蚀或者研磨工序就能实现成形模的加工和翻新。
此外，按照本发明的成形模，在使光学玻璃元件的表面形状的质量保持高精度的同时，还能减少加工工序，降低制造成本。
另外，按照这种光学元件，能获得光学性能优良的光学仪器。
附图说明
图1是本发明第1和第2实施例的成形模布置的示意图；
图2是图1中的A部的放大断面图；
图3是本发明第1实施例的成形模的布置的示意图；
图4是本发明第1实施例的表示离子束入射角和刻蚀程度之间的关系的曲线图；
图5是本发明第1实施例中，以成形模控制角度作为参数的成形面的任意位置与覆盖膜刻蚀程度之间的关系的曲线图；
图6是本发明第1实施例中，以成形模控制角度作为参数的成形面的任意位置与基体的刻蚀程度之间的关系的曲线图。
具体实施方式
下面，参照图1至图3说明本发明的第1实施例。
如图1所示，本实施例的翻新处理(表面处理)时所使用的成形模10布置在真空容器11内，其成形面12布置在对着离子束射出孔(图中未表示)的位置上。
这种成形模10由以下两个部分组成：在具有中心轴线13的由碳化钨(WC)构成的基体14的成形面12部分上，由膜厚为0.5μm的铬(Cr)构成的中间层(覆盖膜)15；还有，在这个中间层15上形成的，膜厚为0.2μm的氮化铬(CrN)的表面层(覆盖膜)16。
这种成形模10，在玻璃压制成形时使用3000次之后，其成形面12的表面就变劣了。成形面12的形状是曲率半径为20mm，外径为9mm的凸面形状。
这里，离子束的入射角α，是离子束相对于成形面12的中心轴线13的角度。还有，成形模控制角度γ是，以离子束的入射方向与成形面12的中心轴线13处于平行状态时的角度为0度，在偏离该状态时的倾斜角度。因此，离子束的入射角α就是成形模控制角度γ。
由于离子束射出孔的形状会影响离子束的收敛度，因此要预先成形为使得离子束能够均匀地照射到被刻蚀的成形面12上的形状。
这里，用于离子束的气体为Ar。如果用N2或者是其他惰性气体，因为其活性高以及价格高，都不适用。
下面，说明按照本实施例的成形模表面处理方法的表面处理实施例。
首先，如图4所示，除了离子束入射角以外，采用与表面处理时相同的照射条件，分别对构成基体14、中间层15和表面层16的WC、Cr和CrN，求出离子束入射角α与成形面12内部的刻蚀程度分布之间的关系。
另外，图4中的曲线(1)表示WC，曲线(2)表示Cr，曲线(3)表示CrN。
基于上述关系，以图5所示的成形模控制角度γ作为参数，根据构成成形面12的Cr与CrN的膜厚比例，计算出从成形面12的表面顶部到周边部位方向的刻蚀程度分布。图5中，把成形模控制角度γ定为(1)0度，(2)10度，(3)20度，(4)30度，(5)40度，(6)50度。
同样，对于基体材质WC，也和图5一样，以图6所示的成形模控制角度γ作为参数，根据上述关系算出从成形面12的表面顶部到周边部位方向的刻蚀程度分布。图6所示的成形模控制角度γ也取与图5中的值(1)-(6)同样的值。
这样，就能对加工所需要的刻蚀深度，求出成形模控制角度γ以及处理时间的最佳组合条件。
接着，用下述离子束照射工序进行成形模10的表面处理。
首先，把成形模10布置成其成形模控制角度γ为40度。而且，为了尽量除去真空容器11内的杂质，即气体、水、氧和氮等物质，需要把容器内的压力减小到小于1.3×10-4Pa，在本实施例中是减压到4.0×10-5Pa。然后，根据图5和图6，用Ar气离子束从离子束射出孔对成形面12照射20分钟，用刻蚀处理除掉表面层16和中间层15，使基体14的表面露出来。
这时，施加在离子束上的加速电压和Ar气的压力，是由经济性与刻蚀以后的表面粗糙度的关系所决定的参数，最好分别在从400V到1kv，以及从6.7×10-3Pa到6.7×10-2Pa的范围内选择。因此，在本实施例中，加速电压为600V，气体压力为2.0×10-2Pa。另外，这时的加速电流为120mA，减速电压为-200V。
接着，成形模10的成形模控制角度γ取5度，再用Ar气的离子束从离子束射出孔向成形面12照射8分钟，进行刻蚀处理。
这时，测定经过处理后的成形面12表面形状的结果表明，与除膜之前的表面形状相比，表面形状变化的PV(峰)值低于0.1μm。
然后，转移到在成形面12上形成新的覆盖膜的翻新工序，在成形面上形成中间层15和表面层16的膜，以便构成与除膜之前同样结构的膜，获得翻新了的成形模10。
使用按上述方法翻新后的成形模10，进行玻璃压制成形的时候，成形面上不会出现剥离等现象，而且还能够形成加工得很好的，具有高精度表面的光学玻璃元件(光学元件)。
按照这种成形模的表面处理方法，能在尽可能防止成形面12的表面形状发生变化的状态下，除去在成形面12上形成的中间层15和表面层16。而且，在除膜之后的成形面12上再次成膜的时候，可以不经过研磨工序，直接进入翻新工序进行成膜，从而能在短时间内，以很高的精度翻新成形模。
此外，通过用这种成形模压制成形，可以得到具有高光学精度的光学玻璃元件。
其次，参照与第1实施例的同样的图1，说明本发明的第2实施例。另外，在以下的说明中，对在上述实施例中已经说明了的构成要素标以同样的标号，并省略其说明。
第2实施例和上述第1实施例的不同点是，在第1实施例中，是对表面形状与设计值相同状态的成形面12实施表面处理，而在第2实施例中，则是在成形模进一步变劣后，对表面形状与设计值相比发生了变化的成形模20上的成形面21实施表面处理。
即，不仅是成形面的覆盖膜，而且对包括覆盖膜下面的基体，都要通过刻蚀处理进行成形。
这种成形模20的成形面21具有曲率半径为20mm，外径为9mm的凸面，成形面21的表面形状，与设计值相比，从周边部位到表面顶端方向的凸出的形状大约高出0.2μm。
下面，说明使用本实施例的成形模的表面处理方法对表面进行处理的实际例子。
因为构成成形模20的材质与第1实施例相同，所以使用图5和图6中所示的刻蚀程度分布。
接着，与第1实施例一样，把成形模20布置在真空容器11内。这时的成形模控制角度γ为50度。
然后，与第1实施例一样，使真空容器11保持真空状态，并使用与第1实施例相同状态的Ar气的离子束，通过离子束射出孔照射在成形面21上，进行刻蚀处理，照射时间为20分钟。
对经过这样处理后的成形面21的表面形状进行测定，结果表明，与设计值的表面形状之间的变化量的PV值小于0.1μm。
然后，转移到在成形面21上形成新的中间层15和表面层16的翻新工序，翻新成形模20，在其上形成与除膜之前的膜结构相同的膜。
使用上述翻新的成形模20进行玻璃压制成形，结果，没有发生剥离等问题，成形情况良好。
按照这种成形模的表面处理方法，能把成形模20的成形面21按设计值的表面形状进行修正，同时还可以除去在成形面21上形成的中间层15和表面层16。还有，在除膜之后的成形面21上重新成膜的过程中，不用经过研磨工序就能够进入翻新工序进行成膜，而且能在短时间内获得高精度的翻新的成形模。
此外，与第1实施例一样，借助于这种成形模的压制成形，能获得具有高光学精度的光学玻璃元件。
另外，本发明的技术范围并不局限于上述实施例，在不超出本发明宗旨的范围，还可以进行各种变化。
即，在上述实施例中，在进行离子束照射的第1阶段或第2阶段，改变成形模控制角度γ，但是照射次数并不局限于两次。
此外，成形模的中间层的材料是膜厚为0.5μm的Cr，成形模的表面层的材料是膜厚为0.2μm的CrN，但是，如果材质和膜厚可以用离子切削法进行刻蚀时，则通过预先求出各种材料的离子束入射角与刻蚀程度分布之间的关系，就能根据这个关系获得相同的作用和效果。
并且，不仅对于那些在成形过程中表面变劣的成形模，而且对于成形之前的成形模，和成膜之前的模具的基体，都可以用同样的方法进行形状修正加工。
Claims (7)
1、一种具有把离子束照射在至少有曲面的成形面上，对成形面进行刻蚀处理的离子束照射工序的成形模的表面处理方法，其特征在于，在上述离子束照射工序中，预先求出上述离子束相对于上述成形面中心轴线的入射角，和与成形面上刻蚀程度分布之间的关系，然后根据这个关系，决定上述入射角和上述离子束的照射时间中的至少一项。
2、如权利要求1所述的成形模的表面处理方法，其特征在于，在上述离子束照射工序中，改变上述入射角及上述照射时间，用上述离子束进行多次照射。
3、如权利要求1或2所述的成形模的表面处理方法，其特征在于，在上述离子束照射工序中，在所确定的上述入射角与照射时间的情况下，上述离子束使上述成形面形状在照射前后的变化最小。
4、如权利要求1或2所述的成形模的表面处理方法，其特征在于，在上述离子束照射工序中，用上述离子束照射具有覆盖膜的上述成形面，而且对上述覆盖膜与上述覆盖膜下面的基体的材质中的至少一方进行刻蚀处理；
在上述工序之后，还有在上述成形面上形成新的覆盖膜的翻新工序。
5、如权利要求4所述的成形膜的表面处理方法，其特征在于，在上述离子束照射工序中，根据上述覆盖膜的成分和上述覆盖膜下面的基体材质中的至少一项求出的上述关系，决定上述入射角以及上述照射时间。
6、一种成形模，其特征在于，借助于权利要求1所述的成形模的表面处理方法，进行成形面的表面处理。
7、一种光学元件，其特征在于，它使用权利要求6所述的成形模进行成形。
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