CN1579980A - 玻璃模制透镜的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于生产小直径玻璃模制透镜的方法，该透镜由高折射率光学玻璃制成，并具有小的中心厚度和双凸形，而不会导致透镜的裂化或破裂，该方法包括如下步骤，将由具有1.70或更大折射率nd的光学玻璃制成，并在其表面具有脱模功能膜的玻璃材料引入到模具中，并对该玻璃材料进行压模以得到玻璃模制透镜，当对玻璃材料进行压模时其具有55mJ/m2或更小的表面自由能。

Description

玻璃模制透镜的生产方法
技术领域
本发明涉及一种用于生产玻璃模制透镜(通过模塑生产的玻璃透镜)的方法。更特别地，涉及一种用于生产非球面玻璃模制透镜的方法，该非球面玻璃模制透镜由高折射率的光学玻璃制成，并具有相对较小的中心厚度的双凸形。
根据本发明得到的玻璃模制透镜适合用于如照相机、移动装置等小型光学装置中。
背景技术
在供如照相机等图像感测装置使用的光学系统中，按照惯例，在该光学系统中使用非球面透镜，或者限制透镜数量以简化透镜结构和减轻重量。例如，JP-A-4-46021公开了一种通过再加热压模(re-heat press molding)生产的具有非球面双凸形的压模透镜(press-molded lens)。
发明内容
近年来，对数码照相机和可移动装置为代表的小型便携式光学装置的需求明显增大，并且要求这些装置实现非常规的小型化和非常规的减轻重量，同时能够保持作为图像感测装置的高图像质量。
通过采用非球面透镜和减少光学系统中的透镜数量，可以在某种程度上实现上述光学装置的小型化和重量减轻。为了获得进一步的小型化，需要改进供光学系统中使用的单个透镜。即，当使用具有较小厚度的透镜作为单个透镜时，可以使该光学系统进一步小型化。但是，由于在透镜具有较小厚度时仍需要其达到预定的光学性能，因此需要透镜具有中心厚度小和曲率半径大的形状，并且需要该透镜具有常规透镜所具备的光学性能。
因此本发明的发明人专心于下列事实，即高折射率光学玻璃可以给出与具有大厚度的常规光学玻璃的折射率相等的折射率，即使高折射率光学玻璃具有中心厚度小和曲率半径大的形状。
然而，当尝试获得具有大约1.2至1.8mm中心厚度的双凸小厚度透镜时，透镜的周边部分具有甚至更小的厚度，因此透镜(玻璃模制产品)在压制步骤中非常容易发生裂化或破裂。特别是在生产具有法兰形环状平坦部分的光学透镜中，所述法兰形环状平坦部分位于双凸透镜的光学功能表面附近，透镜容易破裂，其生产的难度很高。此外，本发明的发明人进行了研究，并发现上述高折射率光学玻璃具有低的玻璃稳定性，因此在其压模或从模具释放产品的过程中容易发生特别是裂化或破裂。特别是，关于由折射率(nd)为1.70或更高的高折射率光学玻璃制成的透镜，由于其玻璃组分导致压模的难度很高，并且当尝试生产具有小的厚度的透镜时，极其容易发生破裂。
在这种情况下，一直没有报导过任何用于生产非球面玻璃模制透镜的方法，其中所述透镜由高折射率光学玻璃制成，并具有相对较小中心厚度的双凸形。
本发明是考虑到上述情况而作出的，本发明的一个目的是提供一种用于生产小直径玻璃模制透镜的方法，该透镜由高折射率光学玻璃制成，并具有小的中心厚度和双凸形，而不会发生裂化或破裂。
在压模过程中或者在从模具释放产品的过程中的透镜破裂主要包括取决于透镜表面和模具的模制表面之间的界面在外部发生的破裂，和由透镜内部的残余应力或者应变在内部发生的破裂。
关于上述破裂，本发明的发明人将其注意力集中在外部发生的破裂上。即，小厚度透镜具有相对较大的曲率半径，并因此非常容易粘附到模具的模制表面，从而在小厚度透镜和模具之间的界面上发生摩擦。本发明的发明人将注意力集中于上面这一点，已经发现必须防止由上述摩擦导致的破裂。特别是通过压模由表面上具有脱模功能膜(mold release functional film)的玻璃材料生产凸透镜时，在压制过程中，与透镜周边对应的部分被局部拉长变得更薄，从而使其表面积增大。因此认为上述脱模功能膜的厚度变得不足，并且容易出现外部发生的破裂。这种类型的破裂明显地容易出现在特别是透镜周围具有法兰形环状平坦部分的透镜中。
另一方面，作为高折射率玻璃，例如已知一种具有1.70至2.0的折射率nd和20至28.5的阿贝数νd的磷酸盐基光学玻璃(上述“磷酸盐基”表示主要的成网成分是磷酸)。然而，这种光学玻璃因其主要含有相当大量的磷酸盐，因此具有较低的机械强度，从而使其容易破裂。因此很难通过压模生产这种玻璃，尽管该玻璃在光学功能方面具有显著的优点。
作为另一种高折射率玻璃，可利用具有1.75至1.85的折射率nd和40至55的阿贝数νd的光学玻璃。在许多情况下，这种光学玻璃中具有很大含量的如La2O3，Gd2O3等成分。然而，也可能是具有高软化点的玻璃材料，需要在600℃或更高温度加热玻璃材料以将其粘度调整到适合压模的粘度，该粘度超过了与其挠曲温度(sag temperature)Ts对应的粘度。为此，在玻璃材料表面上提供的脱模功能膜容易劣化，从而在模具和透镜之间的界面上发生摩擦，摩擦可在通过模塑法生产透镜的过程中或者在模塑之后冷却的过程中导致破裂。特别是在将玻璃材料预加热到高于模具温度的过程中，将处于完全软化态的玻璃材料引入模具中，并对其进行压模，已经发现会使脱模功能膜劣化，从而使透镜容易破裂。
本发明的发明人基于上述发现做了进一步的研究，结果，已经发现透镜的裂化和破裂与玻璃材料的表面自由能彼此相关联。
本发明的发明人由具有1.82114的折射率nd，24.1的阿贝数νd，475℃的玻璃化转变温度Tg和525℃的挠曲温度Ts的光学玻璃(与稍后描述的表2中所示玻璃I相对应)来制备光学材料，在玻璃材料的表面上形成含碳膜，并在形成含碳膜之后立即测量其表面自由能。在这种情况下，玻璃材料显示其表面自由能为45mJ/m2。将玻璃材料在590℃加热220秒，然后进行测量，显示出室温下的表面自由能增大到65mJ/m2。本发明的发明人对压模过程中玻璃材料的表面自由能和出现破裂之间的相关性做了研究，已经发现当对玻璃材料进行压模使其具有55mJ/m2的表面自由能时，没有透镜发生破裂，即使由压模容易破裂的高折射率材料制成的具有1.2至1.8mm中心厚度的透镜。
本发明的发明人已经发现了下面的情况。当通过压模法对压模中具有55mJ/m2或更低的表面自由能的玻璃材料进行压模时，可以防止外部发生的破裂，并可以很容易地生产所需的光学透镜，从而完成本发明。
即，根据本发明，提供：
(1)一种用于生产玻璃模制透镜的方法，包括如下步骤，将由具有1.70或更大折射率nd的光学玻璃制成，并在表面配有脱模功能膜的玻璃材料引入到模具中，并对该玻璃材料进行压模以得到玻璃模制透镜，当对玻璃材料进行压模时其具有55mJ/m2或更小的表面自由能，
(2)如上面(1)中所述的方法，其中将玻璃材料引入到模具中之前，在非氧化气氛中将该玻璃材料预加热到与106.5至108.5泊的玻璃粘度对应的温度，
(3)如上面(2)中所述的方法，其中在非氧化气氛下在模具中进行压模，将该模具加热到与107.5至1010.0泊的玻璃粘度对应的温度，
(4)如上面(1)中所述的方法，其中该光学玻璃含有选自TiO2，Nb2O5或者WO3的至少一种，并且TiO2，Nb2O5和WO3的总含量为20至45mol％，
(5)如上面(1)中所述的方法，其中该光学玻璃是磷酸盐玻璃，
(6)如上面(1)中所述的方法，其中该光学玻璃含有选自La2O3或者Gd2O3的至少一种，并且La2O3和Gd2O3的总含量为12至24mol％，
(7)如上面(1)中所述的方法，其中该玻璃模制透镜具有中心厚度为1.2至1.8mm的双凸形，并经压模生产之后具有5至20mm的直径，
(8)如上面(1)中所述的方法，其中该玻璃模制透镜具有在其周边的环状平坦部分，以及
(9)如上面(1)中所述的方法，其中该玻璃模制透镜具有0.1至0.7mm的轮缘厚度。
发明的效果
根据本发明，可以生产一种小直径玻璃模制透镜，该透镜由高折射率光学玻璃制成，并具有中心厚度小的双凸形，而不会发生裂化和破裂。
此外，能够简单地生产一种非球面玻璃模制透镜，该透镜具有高的表面精度和厚度精度，并具有双凸形和小的厚度。
附图说明
图1示出用于解释实施例中双凸透镜的附图。
具体实施方式
由本发明提供的用于生产玻璃模制透镜的方法，包括以下步骤，将由具有1.70或更大折射率nd的光学玻璃制成，并在表面上配有脱模功能膜的玻璃材料引入模具中，并对该玻璃材料进行压模以获得玻璃模制透镜，当对该玻璃材料进行压模时其具有55mJ/m2或更小的表面自由能。
供本发明的方法中使用的光学玻璃是一种高折射率光学玻璃，其折射率nd为1.70或更大，优选为1.70至2.0，更优选为1.75至2.0，仍然更优选为1.75至1.85。此外，上述光学玻璃理想地是一种具有上述折射率和用20至28.5的阿贝数νd所表示的高色散性能的光学玻璃(下文称为“光学玻璃A”)，或者是一种具有上述折射率和用40至55的阿贝数νd所表示的色散性能的光学玻璃(下文称为“光学玻璃B”)。当使用具有高折射率的上述光学玻璃时，可以在小型便携式光学装置等中获得足够的光功率(optical power)，即使透镜具有小的厚度和大的曲率半径。
光学玻璃A包括一种含有选自TiO2，Nb2O5或者WO3的至少一种作为高折射率成分的光学玻璃，并且TiO2，Nb2O5和WO3的总含量为20至45mol％。此外，光学玻璃A优选包括一种含有上述一种或多种高折射率成分的磷酸盐玻璃。
特别地，光学玻璃A优选是这样一种光学玻璃，按摩尔百分比计算，其含有12至34％的P2O5，0.2至15％的B2O3，0至10％的TiO2，0至25％的Nb2O5，0至40％的WO3，其中TiO2，Nb2O5和WO3的总含量为20至45mol％，还含有4至45％的选自Li2O，Na2O，或K2O的至少一种R2O，以及0至30％(不包括30％)的选自BaO，ZnO或SrO的RO，其中所述各种成分的总含量至少为94％。
此外，光学玻璃A更优选是这样一种光学玻璃，按摩尔百分比计算，其含有12至34％的P2O5，0.2至15％的B2O3，P2O5和B2O3的总含量为15至35％，0至45％的WO3，0至25％的Nb2O5，0至10％的TiO2，TiO2，Nb2O5和WO3的总含量为20至45mol％，0至25％的BaO，0至20％的ZnO，BaO和ZnO的总含量小于30％，2至30％的Li2O，2至30％的Na2O，0至15％的K2O，Li2O，Na2O和K2O的总含量为10至45％，0至10的CaO，0至10％的SrO，0至5％的Al2O3，0至5％的Y2O3，0至1％的Sb2O3和0至1％的As2O3，其中所述各种成分的总含量至少为94％。
上面光学玻璃A具有的光学常数，如折射率(nd＝1.70或更大)和阿贝数(νd＝20至28.5)对光学玻璃来说是非常有用的。然而，具有这些光学常数的玻璃制成的透镜机械强度低，并容易破碎，因此可以适当地采用本发明的方法。
光学玻璃B包括一种含有选自La2O3或者Gd2O3的至少一种作为高折射率成分的光学玻璃，并且La2O3和Gd2O3的总含量为12至24mol％，优选为14至23mol％。光学玻璃B优选包括一种含有上述一种或多种高折射率成分的硼酸盐玻璃(这意味着主要的成网成分是硼酸)。
特别地，光学玻璃B优选是这样一种光学玻璃，按摩尔百分比计算，其含有25至50％的B2O3，2至20％的SiO2，5至22％的La2O3，2至20％的Gd2O3，15至29％的ZnO，1至10％的Li2O和0.5至8％的ZrO2，其中B2O3/SiO2的摩尔比率为2至5.5，La2O3和Gd2O3的总含量为12至24％，ZnO和Li2O的总含量为25至30％。
上述光学玻璃B也可以有利地用于小型图像感测装置中的透镜。然而，其具有高的软化温度和600℃或更高的挠曲温度，并且，即使在压模之前在玻璃材料上形成脱模功能膜，该脱模功能膜也容易因压制过程中的热而劣化，从而在模具和透镜之间的界面出现摩擦，使透镜容易破裂。因此本发明的方法可以适当地应用于上述光学玻璃B。
在本发明的方法中，将由上述光学玻璃制成并在表面上具有脱模功能膜的玻璃材料引入到模具中。
根据要获得的作为最终产品的透镜形状，使玻璃材料(玻璃预制品)预成形为具有预定的体积。可以使用球形，椭圆形，圆盘形等形状的预成形玻璃材料。优选由玻璃熔体预成形的无任何表面缺陷的球形或椭圆形玻璃材料。
具有脱模功能的薄膜(脱模功能膜)在玻璃材料的表面上形成。认为当进行压模时，主要由于模制表面和透镜之间的粘附或摩擦而发生透镜的裂化和破裂。当形成脱模功能膜时，由于模具脱模能力和光滑性有所改进，因此可以减少裂化和破裂。
脱模功能膜不受特别地限制，只要其能够确保玻璃材料在模制表面上的光滑性，能够防止熔化，并能够提高模具的脱模能力。脱模功能膜包括含金属或含碳的膜，优选为含碳膜。
上述含碳膜指的是含有碳作为主要成分(50at％至100at％)的膜，并包括仅含有C-C键的膜以及含有C-C键和C-H键的膜。例如，含碳膜包括单一组分膜或者混合膜的碳膜，该混合膜含有选自无定形和/或结晶石墨或者无定形和/或结晶金刚石的至少一种。
含碳膜可以从下列膜中进行选择：类金刚石碳(DLC)膜，氢化的类金刚石碳(DLC:H)膜，四面体无定形碳(ta-C)膜，氢化的四面体无定形碳(ta-C:H)膜，无定形碳(a-C)膜，氢化的无定形碳(a-C:H)膜或者自组织膜(self-organized film)。
脱模功能膜的厚度可以按照需要根据预期的脱模能力来确定。优选为0.1至500nm，更优选为0.1至100nm，仍然更优选为0.1至10nm，特别优选为1至10nm。多个这种脱模功能膜可以根据需要在上述厚度范围内堆叠。
形成脱模功能膜的方法并不是唯一的。例如，可以通过下列方法来形成脱模功能膜，即CVD法，等离子体CVD法如DC-等离子体CVD法、RF-等离子体CVD法、微波等离子体CVD法、ECR-等离子体CVD法、光-CVD法或激光CVD法，热解有机化合物(例如烃)的方法，电离汽相淀积法如离子电镀法，溅射法，汽相淀积法，FCA法，或者将玻璃材料浸入自组装膜的涂敷溶液中的方法。优选热解有机化合物(例如烃)的方法。
当采用热分解烃的方法时，将如乙炔、乙烯、丁烷、乙烷等烃在预定温度下引入真空以便将烃分解为碳和氢，由此能够形成膜。例如，将热解作用的压力设置为10至200托，优选为50至200托，热解作用的温度按照需要根据所用烃的热解温度和玻璃材料的软化温度来确定。一般来说，在250至600℃的条件下形成膜。上述压力可以逐渐增加或减小或者可以不变。当通过热分解乙炔来形成膜时，优选在乙炔分压为20至100托和反应温度为400至550℃的条件下形成膜。优选地，烃在使用之前根据其储存状态进行完全地脱水。膜厚度可以根据热解作用过程中的温度、引入的烃的压力以及热解作用的时间来进行控制。
在本发明的方法中，要求具有上述脱模功能膜的玻璃材料在其进行压模时具有55mJ/m2或更小的表面自由能。
玻璃材料在其进行压模时的上述表面自由能指的是当加热的玻璃材料引入到加热模具中并立即进行压模时，在引入的时候玻璃材料的表面自由能，并且指的是当玻璃材料引入到模具中，与模具一起加热并进行压模时，刚好在压模之前的时候该玻璃材料的表面自由能。
根据本发明，取出上述状态的玻璃材料之后在室温下测量其表面自由能。当将加热的玻璃取出，冷却到室温，并测量表面自由能时，表面自由能的值基本上未改变。
当如含碳膜等脱模功能膜在压模步骤中在热作用下消失或部分脱落从而降低玻璃材料表面上的涂层率时，认为在室温下的表面自由能与膜形成之后的表面自由能相比有所提高，并且当表面自由能的值超过55mJ/m2时，容易使透镜裂化或破裂。因此需要将进行压模时的玻璃材料涂敷脱模功能膜，使其具有55mJ/m2或更小的表面自由能。当优选较低的表面自由能时，表面自由能优选为45至55mJ/m2。
在本发明中，通过下面的方法测量表面自由能。前提是固体或液体的表面自由能(γ)由下面的式(1)来表示。
γ＝γd+γP               (1)
其中γd是固体或液体的分散力，γP是固体或液体的极性相互作用力。即，式(1)显示固体或液体的表面自由能可以由其分散力和极性相互作用力的总和来表示。
当固体的表面自由能(γS)由式(1)表示时，如下所示。
γS＝γS d+γS P            (2)
其中下标S表示固体。
当液体的表面自由能(γL)由式(1)表示时，如下所示。
γL＝γL d+γL P            (3)
其中下标L表示液体。
在测量中，首先，使用两种液体(水和二碘甲烷)，等量的每种液体分别滴落在固体(具有脱模功能膜的玻璃材料)上，并且测量每种液体的接触角。然后，根据Owens-Wendt-Kaelble方法(D.K.Owens，R. C.Wendt：J.Appl.PolymerSci.，13，1741(1969))用接触角来计算表面自由能。计算的等式如下。
1/2×γL×(1+cosθ)＝(γS d×γL d)1/2+(γS P×γL P)1/2    (4)
其中θ表示接触角。
两种液体(水和二碘甲烷)的表面自由能γL根据式(3)，用下面表1中示出的两种液体的γL d和γL P的文献值预先进行计算。
将水和二碘甲烷的γL d，γL P和γL值以及水和二碘甲烷的接触角的测量值代入到式(4)中，并将得到的γS d和γS P代入到式(2)中，以确定固体(具有脱模功能膜的玻璃材料)的表面自由能γS。
表1
    γL d     γL P     γL
    水     21.8     51     72.8
    二碘甲烷     50.8     0     50.8
在本发明的方法中，具有上述表面自由能的玻璃材料引入到模具中，并进行压模以产生玻璃模制透镜。压模法是这样一种方法，在该方法中，利用具有精密加工的模制表面的模具对玻璃材料进行压模，该方法使得能够以低成本来生产具有高成型精度和表面精度的光学玻璃元件。
在将表面上具有脱模功能膜的玻璃材料引入到模具中之前，优选地，玻璃材料预加热到使温度等于或高于模具温度，从而使玻璃材料进入软化状态。预加热步骤优选在模具外面和具有足够容量的加热炉内进行。当将处于软化状态的预加热玻璃材料引入模具中时，由于玻璃材料表面和工具之间的接触而产生表面缺陷，该表面缺陷可影响透镜的表面精度或外观。因此，在引入玻璃材料时，优选使用能够在利用喷射的气体使玻璃材料处于漂浮的状态下输送该玻璃材料的工具。
将该玻璃材料在一定温度下预加热，在该温度下玻璃材料变得具有足以压模的玻璃粘度，并且在玻璃材料内部的温度和玻璃材料外部的温度之间基本上没有差别。
玻璃材料优选在非氧化气氛中预加热，并且预加热达到与玻璃粘度为106.5至108.5泊对应的温度，更优选地，达到与玻璃粘度为107.0至108.0泊对应的温度。尽管区别取决于所用的玻璃组分(玻璃物质)，但是加热温度优选在大约550至720℃的范围内。
根据玻璃材料的体积，预加热所需的时间不同。例如，与玻璃粘度为106.5至108.5泊对应的温度为600至700℃，当预加热时间超过150秒时，玻璃材料表面上的如含碳膜等脱模功能膜消失，改变或者部分脱落，可消除玻璃材料表面上的脱模能力和光滑性，这很容易导致裂化或破裂。另一方面，当上述预加热时间少于60秒时，可获得不充分的压模粘度。
因此，优选将预加热时间调整到150秒或更少，更优选调整到至少60秒但不超过150秒。
引入模具中的玻璃材料在通过预加热产生的软化状态中进行压模。优选将模具加热到与玻璃粘度为107.5至1010.0泊对应的温度，更优选地，加热到与玻璃粘度为108.0至109.0泊对应的温度。优选地，模具的上模具构件和下模具构件之间的温度差为10℃或更小，更优选地，上模具构件和下模具构件具有相同的温度。
此外，优选地，该模具的温度低于玻璃材料的温度。这是因为当模具具有较低温度时能够降低制模周期时间，并能够增加模具的寿命。
另一方面，当用于加热玻璃材料的温度升高过度而不能使模具温度较低时，很容易发生如含碳膜等脱模功能膜的劣化，并导致透镜裂化或破裂。特别是，当玻璃材料具有容易导致裂化或破裂的玻璃物质形态或者由容易导致裂化或破裂的玻璃物质制成时，优选将玻璃材料和模具调整到相同的温度。
模具可以选自例如由碳化硅、硅、氮化硅、碳化钨、氧化铝或者碳化钛的金属陶瓷制成的模具，或者通过在上述模具表面上涂敷具有脱模功能的薄膜而制备的模具。该脱模薄膜(mold release film)可以选自由难熔金属的陶瓷，贵金属合金，碳化物，氮化物，硼酸盐，氧化物等制成的金属涂层，或者可以选自如类金刚石碳(DLC)膜、氢化的类金刚石碳(DLC:H)膜，四面体无定形碳(ta-C)膜，氢化的四面体无定形碳(ta-C:H)膜，无定形碳(a-C)膜，氢化的无定形碳(a-C:H)膜的碳涂层。
特别是，优选使用通过以下步骤制备的模具：利用CVD方法由碳化硅形成模具的基质材料，对该基质材料进行加工使其具有最终形状，并形成脱模薄膜。
脱模薄膜的厚度优选为0.1至1,000nm，更优选为10至500nm。多个这种脱模薄膜可以堆叠，只要总厚度在上述范围内。
通过下列方法在模制表面上形成脱模薄膜，所述方法为等离子体CVD方法如DC-等离子体CVD法，RF-等离子体CVD法，微波等离子体CVD法，ECR-等离子体CVD法，光-CVD法或激光CVD法，电离汽相淀积法如离子电镀法，溅射法或汽相淀积法。
当玻璃材料表面上的脱模功能膜是含碳的膜时，或者当模具的模制表面上存在的脱模薄膜是含碳膜时，由于玻璃材料的预加热或者在模具中加热，这些膜可能消失，改变或者脱落。特别是，认为由于玻璃材料表面上的脱模功能膜具有大约100nm或更小的厚度，因此脱模功能膜容易劣化，透镜容易裂化或破裂。
因此优选在无氧化气氛中进行压模。无氧化气氛包括例如氮气气氛和含有0.2至0.5体积％的氢的氮气气氛。
在将玻璃材料引入到模具中之后，立即对该玻璃材料进行压模。压模例如以下面的方式进行，即模具的下模具构件向上移动，或者上模具构件向下移动，用以在玻璃材料上施加预定的载荷，从而充分压制玻璃材料。
在压模中，优选地，施加于玻璃的压制载荷为500kg/cm2或更小。此外，当要压制的玻璃材料具有7.0mm或更大的直径D1时，优选将压制载荷调整到150至250kg/cm2。
在压模之后，当玻璃(透镜)与模具接触时将其冷却，并且在玻璃冷却到预定温度之后，将透镜从模具中释放。在这种情况下，优选将冷却速率调整到1至3℃/秒。当在一定温度下将透镜从模具中释放时，该温度高于与玻璃粘度为1011.0泊对应的温度，透镜可以进入其附着于上模具构件的状态，并且透镜不能光滑地取出。此外，当用于释放透镜的温度低于与玻璃粘度为1015.0泊对应的温度时，生产效率很低。因此，释放温度优选是与玻璃粘度为1011.0至1015.0泊对应的温度，更优选是与玻璃粘度为1012.0至1013.0泊对应的温度。
如上所述，本发明的方法通过压模方法来实现，根据本发明的方法，可以容易地和稳定地以高产率生产薄透镜，同时防止透镜的裂化和破裂。
通过本发明的方法得到的玻璃模制透镜具有中心厚度为1.2至1.8mm的双凸形，以及经压模生产之后5至20mm的直径。
玻璃模制透镜优选具有1.4至1.6mm的中心厚度。在本发明中，中心厚度指的是透镜最厚部分的厚度，即透镜光轴部分的厚度。
经压模生产之后，玻璃模制透镜优选具有8至15mm的直径。经压模生产之后的直径指的是在玻璃材料压模之后(在进行如对准中心和磨边加工等后加工之前)立即得到的透镜的直径。当压模之后不再进行这种后加工时，经压模生产之后的直径是玻璃模制透镜的最终直径。
在本发明的玻璃模制透镜中，该透镜周边的厚度优选为0.1至0.7mm，更优选为0.2至0.5mm。上述透镜周边指的是该透镜的圆周边缘部分。
上述透镜包括在其周边具有环形平坦部分的玻璃模制透镜，该环形平坦部分的厚度为0.1至0.7mm，优选为0.2至0.5mm。在该透镜中，透镜的周边部分没有曲率，并具有法兰形平坦部分，特别地，包括稍后进行描述的如图1中B所示的形状。
特别地，玻璃模制透镜优选是满足8≤D1/d1≤22的透镜，其中d1是周边平坦部分的厚度，D1是在压模之后生产的透镜的直径，更特别地，透镜满足10≤D1/d1≤16。
此外，本发明的玻璃模制透镜包括轮缘厚度为0.1至0.7mm，优选为0.2至0.5mm的玻璃模制透镜。上述轮缘厚度指的是经过对准中心和磨边加工的透镜的周边厚度，或者是当不进行上述加工时在压模之后立即得到的透镜的轮缘厚度。
特别地，包括稍后进行描述的如图1中A或C所示的形状。优选满足10≤D2/d2≤16的透镜，其中d2是周边厚度，D2是经过对准中心和磨边加工之后的透镜的直径。玻璃模制透镜优选具有至少一个曲率半径为80mm或更大的表面，更优选具有曲率半径为100mm或更大的表面。当透镜具有这种大的曲率半径时，由于将模具和透镜在其界面处粘合，因此容易使透镜破裂。然而，根据本发明的方法，通过模塑可以稳定地生产具有高精度的透镜。另一表面的曲率半径不受限制，可以具有各种曲率半径。
在本发明中，可以获得这样一种玻璃模制透镜，该透镜的厚度精度在20μm内，有关散光(astigma)和不规律性的表面精度为一个牛顿环或更小。
通过本发明的方法得到的玻璃模制透镜的使用领域没有特别地限制。通过本发明的方法得到的玻璃模制透镜适合用作供小型图像感测装置的光学系统中使用或者供移动装置中安装的光学系统中使用的非球面玻璃透镜。
实施例
在下文参考实施例更加详细地解释本发明，但是本发明不应该受这些实施例的限制。
在实施例和比较例中，每项玻璃粘度通过下面的方法来确定。
即，根据JIS Z 8803规定的测量方法，利用同轴双圆筒旋转粘度计(高温粘度测量装置，RHEOTRONIC，由Tokyo Kogyo K.K.提供)在一定温度下测量稍后描述的表2中玻璃I至III所示的光学玻璃的粘度，并得出温度和粘度的关系式。
当模制玻璃材料时，基于预先获得的关系式，根据玻璃材料的预加热温度和模具的温度来计算玻璃的粘度。
实施例1
具有如表2中玻璃I所示组分的高折射率高色散磷酸盐光学玻璃(折射率(nd)：1.82114，阿贝数(νd)：24.1，玻璃化转变温度(Tg)：475℃，挠曲温度(Ts)：525℃)以熔融状态滴落，并预成形为椭圆形，从而制备玻璃材料。
然后，将该玻璃材料放置于反应器中，将乙炔气引入到反应器中与玻璃材料接触，通过乙炔的热分解在玻璃材料表面上形成作为脱模功能膜的含碳膜。在这种情况下，反应器中的乙炔具有30托的分压，反应器内部的温度是480℃。
将具有上述脱模功能膜的玻璃材料置于漂浮工具上，并传送到加热炉中，同时利用气流使其轻微地漂浮。将玻璃材料加热到与玻璃粘度为107.0泊对应的温度(600℃)，持续130秒，并滴落和引入到模具中，该模具加热到与玻璃粘度为108.0泊对应的温度(580℃)。
当根据Owens-Wendt-Kaelble方法，通过测量水和二碘甲烷的接触角来确定滴落到和引入到模具中的玻璃材料表面的表面自由能时，该表面自由能为53.5mJ/m2。
上面使用的模具经下面步骤来制备，通过CVD法形成由SiC制成的模具基质材料，精密加工具有非球面形状的模制表面，然后进一步在模制表面上堆叠通过离子电镀法形成的碳膜和通过溅射法形成的碳膜。压模在含有0.5体积％的氢的氮保护气氛中，在160kg/cm2的压强下进行30秒。在压制之后，去掉压力，在上模具构件和下模具构件接触的状态下将压模产品冷却到与玻璃粘度为1013.0泊对应的温度(470℃)。将玻璃模制产品从压制装置中取出，从而得到透镜。当按照上述方式通过连续压模生产3,000个透镜时，没有透镜发生裂化或破裂，它们得以稳定地生产。
这样得到的透镜是中心厚度为1.6mm并且在经压模生产之后直径为10mm的双凸透镜。它们的厚度精度在20μm内，有关散光和不规律性的表面精度为一个牛顿环或更小。这些透镜进行对准中心和磨边的加工，以得到具有8.0mm的透镜直径(在对准中心和磨边加工之后的直径)，0.5mm的周边厚度，以及具有如图1中A所示的形状的光学透镜。这些光学透镜的D2/d2比率为16.0，其中D2是在对准中心和磨边加工之后的直径，d2是轮缘厚度。
比较例1
具有如图1中A所示形状的光学透镜按照与实施例1相同的方式生产，除了用于预加热玻璃材料的时间变为160秒。
当对玻璃材料进行压模时，其表面自由能为55.3mJ/m2，并且通过压模获得的光学透镜的15％发生裂化或破裂。
实施例2
具有如图1中A所示形状的光学透镜按照与实施例1相同的方式生产，其不同之处在于光学玻璃由具有表2中玻璃II所示组分的光学玻璃代替，并且如表3所示改变条件。
当对该玻璃材料进行压模时，其表面自由能为53.2mJ/m2，通过压模获得的光学透镜不会发生裂化和破裂，并且可稳定地生产。此外，它们的厚度精度在20μm内，有关散光和不规律性的表面精度为一个牛顿环或更小。
实施例3
采用具有如表2中玻璃I所示组分的高折射率高色散光学玻璃，具有如图1中B所示形状的光学透镜按照与实施例1相同的方式生产，其不同之处在于如表3所示改变条件。在压模之后，这些光学透镜不进行对准中心和磨边加工。当对玻璃材料进行压模时，其表面自由能为52.7mJ/m2，通过压模获得的光学透镜不会发生裂化和破裂，并且可稳定地生产。
这样获得的光学透镜具有1.6mm的中心厚度，在压模之后8.0mm的直径，以及在其周边0.5mm厚的环形平坦部分。这些光学透镜的D1/d1比率为16.0，其中D1是压模之后的直径，d1是平坦部分的厚度。此外，它们的厚度精度在20μm内，有关散光和不规律性的表面精度为一个牛顿环或更小。
实施例4
采用具有如表2中玻璃I所示组分的高折射率高色散光学玻璃，具有双凸形和如图1中C所示形状的光学透镜按照与实施例1相同的方式生产，其不同之处在于如表3所示改变条件。
当对玻璃材料进行压模时，其表面自由能为52.9mJ/m2，通过压模获得的光学透镜不会发生裂化和破裂，并且可稳定地生产。这样获得的透镜是中心厚度为1.35mm，直径为5.5mm(压模之后)的双凸透镜，并且它们的厚度精度在20μm内，有关散光和不规律性的表面精度为一个牛顿环或更小。对这些透镜进行对准中心和磨边加工，以得到具有4.0mm的透镜直径，0.38mm的轮缘厚度，以及具有如图1中C所示形状的透镜。这些光学透镜的D2/d2比率为10.5，其中D2是对准中心和磨边加工之后的直径，d2是轮缘厚度。
实施例5
具有如图1中B所示形状的光学透镜按照与实施例1相同的方式生产，其不同之处在于光学玻璃由具有表2中玻璃III所示组分的高折射率光学玻璃代替，并且如表3所示改变条件。在压模之后，这些光学透镜不进行对准中心和磨边加工。当对玻璃材料进行压模时，其表面自由能为52.7mJ/m2，通过压模获得的光学透镜不会发生裂化和破裂，并且可稳定地生产。
这样获得的光学透镜是具有1.6mm的中心厚度，在压模之后8.0mm的直径，以及在其周边0.5mm厚的环形平坦部分的光学透镜。这些光学透镜的D1/d1比率为16.0，其中D1是压模之后的直径，d1是平坦部分的厚度。此外，它们的厚度精度在20μm内，有关散光和不规律性的表面精度为一个牛顿环或更小。
比较例2
具有如图1中B所示形状的光学透镜按照与例5相同的方式生产，除了用于预加热玻璃材料的时间变为160秒。
当对玻璃材料进行压模时，其表面自由能为57.8mJ/m2，并且通过压模获得的光学透镜的50％发生裂化或破裂。
表2
    玻璃成分(mol％)     玻璃I     玻璃II     玻璃III
    P2O5     24.0
    B2O3     3.0     36.8     49.6
    Si2O     12.8     6.9
    TiO2     6.0
    Nb2O5     18.0
    WO3     8.0
    La2O3     8.0     9.5
    Gd2O3     8.0     9.5
    Li2O     21.0     5.6     3.0
    Na2O     12.0
    K2O     2.0
    BaO     3.0
    ZnO     3.0     22.4     15.5
    ZrO2     4.8     5.2
    Ta2O5     1.6     0.9
    (玻璃性能)
    折射率：nd     1.82114     1.77377     1.76802
    阿贝数：νd     24.1     47.2     49.2
    玻璃化转变温度：Tg(℃)     475     570     605
    挠曲温度(℃)     525     615     645
表3
玻璃物质 形状*1   用于预加热玻璃材料的时间(秒) 用于预加热玻璃材料的温度(℃) 与用于预加热玻璃材料的温度对应的玻璃粘度(泊)
  实施例1   玻璃I   A     130     600     107.0
  实施例2   玻璃II   A     110     690     107.5
  实施例3   玻璃I   B     95     600     107.0
  实施例4   玻璃I   C     90     580     108.3
  实施例5   玻璃III   B     95     700     107.2
  比较例1   玻璃I   A     160     600     107.0
  比较例2   玻璃III   B     160     700     107.2
*1：图1中示出的形状A、B和C。
表3(续)
  表面自由能(mJ/m2)   模制温度(℃) 与模制温度对应的玻璃粘度(泊) 用于压模的压强(kg/cm2) 用于从模具释放的温度(℃)
  实施例1     53.5     580     108.0     160     470
  实施例2     53.2     680     108.0     160     575
  实施例3     52.7     580     108.0     220     495
  实施例4     52.9     560     109.0     420     500
  实施例5     52.7     690     107.5     220     610
  比较例1     55.3     580     108.0     160     470
  比较例2     57.8     690     107.5     220     610
表3(续)
    裂开，破裂   轮缘厚度(mm)     D/d*2
    实施例1     0％     0.5     16.0
    实施例2     0％     0.5     16.0
    实施例3     0％     0.5     16.0
    实施例4     0％     0.38     10.5
    实施例5     0％     0.5     16.0
    比较例1     15％     0.5     16.0
    比较例2     50％     0.5     16.0
*2：D/d＝对准中心和磨边加工之后的直径/形状A和C的轮缘厚度。
D/d＝压模后的直径/形状B的平坦部分的厚度。
工业实用性
根据本发明的方法，可以生产出由高折射率光学玻璃制成并且具有小的中心厚度和双凸形的小型玻璃模制透镜，而不会发生裂开或破裂。

Claims (9)

1.一种用于生产玻璃模制透镜的方法，其包括如下步骤：将由具有1.70或更大折射率nd的光学玻璃制成的，并在表面上具有脱模功能膜的玻璃材料引入到模具中，对该玻璃材料进行压模以得到玻璃模制透镜，当该玻璃材料被压模时，其具有55mJ/m2或更小的表面自由能。
2.如权利要求1的方法，其中在将该玻璃材料引入到模具中之前，在非氧化气氛中将该玻璃材料预加热到最高达与106.5至108.5泊的玻璃粘度对应的温度。
3.如权利要求2的方法，其中在模具中的压模在非氧化气氛下进行，该模具被加热到最高达与107.5至1010.0泊的玻璃粘度对应的温度。
4.如权利要求1的方法，其中该光学玻璃含有选自TiO2，Nb2O5或WO3的至少一种物质，并且TiO2，Nb2O5和WO3的总含量为20至45mol％。
5.如权利要求1的方法，其中该光学玻璃是一种磷酸盐玻璃。
6.如权利要求1的方法，其中该光学玻璃含有选自La2O3或Gd2O3的至少一种物质，并且La2O3和Gd2O3的总含量为12至24mol％。
7.如权利要求1的方法，其中该玻璃模制透镜具有中心厚度为1.2至1.8mm的双凸形，并且经压模生产之后的直径为5至20mm。
8.如权利要求1的方法，其中该玻璃模制透镜在其周边具有环状平坦部分。
9.如权利要求1的方法，其中该玻璃模制透镜具有0.1至0.7mm的轮缘厚度。
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