CN1628950A - 树脂贴合型光学元件的成形模具及光学制品 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造树脂贴合型光学元件的成形模具，是用于在具有母材和在此母材表面上形成的树脂层的树脂贴合光学元件上形成此树脂层的成形模具，其特征为：在成形面外侧的外缘上具有比此成形面曲率大的凹形曲面。

Description

树脂贴合型光学元件的成形模具及光学制品
本申请是2001年11月29日提交、申请号为01139814.0、发明名称为《树脂贴合型光学元件、其制作方法、成形模具及光学制品》的分案申请。
技术领域
本发明涉及在母材表面附有树脂层的树脂贴合型光学元件、用于制造这种元件的成形模具、具有这种元件的光学制品、以及该元件的制造方法。
背景技术
现在在很多领域使用光学元件，有时由于用途的不同，现有的球面透镜难以满足所要求的光学特性，因此非球面透镜逐渐受到关注。这种非球面透镜是指从透镜的中心到边部曲率连续变化的透镜的总称。若光学系统的一部分采用非球面透镜，与仅仅使用球面透镜的光学系统相比，可以大幅度减少为修正像差所需要的透镜片数，且可以使光学系统小型化和轻量化。此外由于使用球面透镜难以高精度修正像差，采用非球面透镜可提高成像性能。
具有这种优良特性的非球面透镜至今没有能普及的最主要的原因是加工困难。现有的非球面透镜只能由精密研磨玻璃母材的方法制造，存在加工成本高的问题。
近年来随着采用与玻璃精密研磨的方法相比非常容易得到所需形状的树脂层制造的非球面形状的树脂贴合型光学元件的实用化的发展，非球面透镜得到迅速普及。
树脂贴合型光学元件是把树脂层贴合在玻璃等的母材上。这种树脂贴合型光学元件使用成形模具(金属模具等)，通过在母材和成形模具之间注入树脂组合物(包括树脂前体组合物)并使其硬化，在母材表面形成所希望形状的树脂层的复合型非球面成形法等方法制造的。在本说明书中，把这种用复合型非球面成形法制造的透镜称做PAG透镜。
在用复合型非球面成形法制造树脂贴合型光学元件时，在母材上使树脂硬化后，脱模时有时会损坏母材。特别是树脂层厚的情况下，这种现象更严重。实际上不能制造最大膜厚850μm以上的厚树脂层的PAG透镜。
这种现象被认为是由于树脂层和成形模具之间的粘结造成的。一般树脂的脱模是对于露出元件外缘的母材，用拆卸器(突出的部件)施加脱离成形模具方向的力，从而把在此母材表面形成的树脂层从成形模具上剥离下来。此时若母材的变形量在允许的范围内，则树脂层还粘在成形模具上不能剥离，但若超过了允许的变形范围则因畸变造成母材破损。
发明内容
本发明的目的是提供不产生母材破损，而且具有厚的树脂层的树脂贴合型光学元件、用于制造这种元件的成形模具和具有这种元件的光学制品。
为了达到这个目的，本发明提供一种具有母材和在母材表面形成的树脂层的树脂贴合型光学元件，其特征为在外缘(也就是树脂层外缘端面1mm内的区域或有效直径外的区域)至少有一部分的树脂层厚度在300μm以下，树脂层最厚位置的厚度在850μm以上。
此外，本发明提供一种形成具有母材和在母材表面形成的树脂层的树脂贴合型光学元件的树脂层的成形模具，其特征为在此成形模具外侧的外缘具有比此成形面曲率大的凹面；本发明还提供一种制造本发明的树脂贴合型光学元件的方法，以及具有此种元件的光学制品。
附图说明
下面结合附图说明
本发明，以明了本发明的以上及其它特征、目的和优点。附图中：
图1表示本发明的光学元件结构例的断面图。
图2是具有台阶的光学元件的断面图。
图3表示母材表面法线和树脂层切面所成角度的说明图。
图4为表示本发明光学元件结构例的断面图。
图5为表示实施例1的光学元件的制造工序的说明图。
图6是表示实施例1中制作的光学元件树脂厚度的曲线图。
图7表示实施例2使用的金属模具的断面图。
图8表示实施例2使用的金属模具外缘部位的断面图。
图9表示实施例2使用的金属模具制造工序的说明图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的树脂贴合型光学元件外缘(也就是从树脂层11外缘端面17开始的1mm内的区域或有效直径外的区域)的树脂层11厚度至少有一部分在300μm以下(最好100μm以下)，树脂层11厚度的最大值在850μm以上(最好1mm以上)此外，为了得到必要的强度以及光学特征等，树脂层11的厚度不必拘泥于外缘部的内外。通常20μm以上为理想。在图1中给出的是树脂层成形面为凸面的光学元件的例子，本发明并不仅限于此。
虽然树脂层的厚度整个外缘都在300μm以下为最好，但至少有一部分在300μm以下就足够了。这是由于在把它脱模时，施加脱模的力附近的树脂膜厚度是这样大小就可以了。在本发明中距离施加脱模的力的部位(也就是拆卸器推压的部位)最近的树脂层端部周围1mm内的树脂厚度在300μm以下就可以。
所谓外缘是从树脂层外缘端面1mm以内的区域，或有效直径外的区域。所谓有效直径内的区域是指光学设计中光束通过的区域，即保证设计的光学特性的区域，所谓有效直径外的区域是指它以外的区域。一般，元件的树脂层厚度是要根据要求的光学特性严格确定的，在有效直径外的话，对元件的光学特性没有影响，所以可以适当的选择层厚。
本发明的光学元件，理想的情况为在外缘至少有一部分树脂层厚度向外缘逐渐减薄。最好树脂层的厚度不是随着形成台阶发生急剧的变化，这样不仅容易制作成形模具，还可以避免在注入树脂组合物成形时树脂不流入而产生的缺陷。
通过本发明，如以下a～k所示，即使是对于以往不可能具有的最大膜厚850μm以上树脂层的树脂贴合型光学元件，脱模时也不会损坏母模，而且制造的成品率也会提高。
a.如图1所示，树脂层11的最大膜厚12是最小膜厚13的4倍。
b.树脂层11的总质量为700mg以上。
c.树脂层11的外径14为34mm以上。
d.母材10的厚度最大值为10mm以上。
e.母材10的厚度最小值为1mm以上。
f.母材10的外径15为35mm以上。
g.如图2所示，母材10的树脂层11成形面为凹面，母材10的外缘有向外周突出的台阶16(例如用于安装在镜筒上的固定部位)。为了表示清楚，省略了图2的剖面线。
h.如图3所示，母材10和树脂层11的界面20的法线21，与此法线21相交的树脂层11外侧切面22的夹角23的最小值为80°以下。
i.如图4所示，母材10的树脂层11成形面为凹面，此树脂层11的外径14为此凹面曲率半径31的1.2倍以上。
j.如图4所示，母材10的树脂层11成形面为凹面，此树脂层11成形面的凹面曲率半径31为24mm以下。
k.母材的树脂层成形面为凸面，树脂层外径为此凸面曲率半径的1.2倍以上。
通过本发明可以得到合格率高的、具有最大膜厚更大的树脂层的树脂贴合型光学元件。
本发明的光学元件使用的母材没有特别的限定，可使用溶胶凝胶玻璃、无机玻璃、有机玻璃等，一般采用折射率nd＝1.4～2.0、νd＝20～100左右的透明材料。可是在不使用曝光进行树脂硬化的情况下，作为母材可使用不透明材料或半透明材料，即使利用曝光硬化的情况下，从成型模具侧曝光时作为母材也可使用不透明材料或半透明材料。
无机玻璃的组成成分有SiO2、B2O3、P2O5、Na2O、K2O、CaO、BaO、MgO、ZnO、PbO、MnO、Al2O3、Fe2O3等。有机玻璃的组成成分有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酯、赛璐珞、纤维素衍生物等。
在本发明中构成树脂层的树脂没有特别的限定，用成形模具可以成形的话，可适当选用感光性树脂、热固化性树脂、热可塑性树脂等。本发明中适宜的热固化性树脂有环氧树脂、聚氨脂树脂、硫代氨基甲酸乙酯、不饱和聚酯树脂、邻苯二甲酸二烯丙基酯树脂、以及众所周知的商品名CR-39的二甘醇二烯丙基碳酸酯等。此外热可塑性树脂有聚甲基甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。而且感光性丙烯基树脂和感光性甲基丙烯树脂等为本发明优选。本发明的光学元件使用的树脂组合物聚合前的粘度在室温为50000cP以下最理想。超过50000cP的话，有时会使工艺性恶化和产生混入气泡的问题。
本发明用的树脂组合物包括树脂(或其前体)，根据需要适当加入聚合剂(硬化剂)、聚合开始剂、脱模剂、耐擦伤剂等。
聚合剂和聚合开始剂可根据使用的树脂种类、硬化条件、需要的膜的特性等适当选择。脱模剂可使用中和性或非中和性磷酸盐乙醇等。耐擦伤剂具有使硬化物表面平滑，从而提高耐擦伤性，抑制缺陷发生的效果。此擦伤剂有四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯羟基三甲氧基硅烷、γ-环氧丙基羟基三甲氧基硅烷，或主链的一部分有Si-O结合(聚合物)的丙烯酸酯等的硅氧化物。
本发明的树脂贴合型光学元件有透镜、棱镜、衍射光栅等，本发明特别适于使用非球面透镜的情况，能够得到很好的效果。也适用于非球面反射镜。
本发明的光学元件特别适合用于要求小型化和轻量化的模拟照片照相机、数字照片照相机的照片照相机、摄像机、以及它们的替换透镜、眼镜镜片、望远镜、双筒镜、显微镜、光盘和光磁盘读取用的拾波透镜等的光学制品。因此在本发明中还提供具有本发明光学元件的这些光学制品。
本发明的树脂贴合型光学元件的树脂层，其成形面可以利用与上述树脂形状相反形状的成形模具成形。通过本发明的树脂贴合型光学元件树脂层的成形，由于成形时可以使树脂层外缘的外侧产生积存树脂的厚度更薄，所以最好在成形面外侧的外缘(以下有时仅称为成形面外缘)使用具有比此成形面曲率大的凹状曲面的成型模具。
因此，在本发明中提供树脂贴合型光学元件树脂层成形用成形模具，其成形面外侧的外缘具有比此成形面曲率大的凹状的曲面。采用这样的成形模具成形，要成形的树脂层表面(母材一侧为里面)凹凸都可以，既有凹又有凸的透镜成形也可以使用，特别是凹透镜(树脂层表面为凹形的透镜)成形时效果更好。
成形面外缘的凹形曲面(以下有时仅称为凹形曲面)在有效直径外0.1mm以上较为适宜，最好在有效直径外0.2mm以上。理想情况下此曲面端部(从有效直径内侧看的曲面开始的位置，也就是从成形面曲率开始发生曲率改变的位置)距有效直径不要大于0.5mm。此凹形曲面凹陷成与包括对应的成形树脂层光轴的轴的断面相反的圆弧状最为适宜，它的曲率比成形面大的话，可适当确定，一般半径0.6～1.5mm。成形对象元件的母材和成形模具外缘的间隔在1mm以内最为适宜。
本发明的成形模具其材质可以通过切削加工制造，也可以通过研磨加工制造。例如用非电解镍这样的可切削加工的材料制作成形模具时，用切削面曲率小的切削工具通过仿型切削加工，可以形成成形模具的成形面外缘的凹形曲面。
但是，虽然这种可以切削的材料成形容易，但也容易受到损伤，所以经常使用寿命短。此外，由于使用这种方法在切削的中途需要更换切削工具，从而不但使成本提高，而且容易在成形面形成台阶。
因此，为了大量生产光学元件，使用单晶硅、SiC、CVD(化学蒸镀)-SiC、WC、SKD、淬火钢等硬材料制作成形模具最为适宜。可是这些材料不能用切削加工成形，必须要用研磨加工成形，用仿型加工的方法因被加工件和切削工具相互干涉，不能制作曲率大(也就是曲率半径小)的凹形曲面。
通过研磨加工制作成形模具时，要使用成形砂轮，成形砂轮的研磨面至少有一部分具有与要求的成形模具的成形面相反的形状，利用此研磨面的形状进行仿型，就可以得到在成形面外缘具有比成形面曲率大的凹形曲面的成形模具。用这种使用成形砂轮仿型研磨面形状的方法，即使是曲率半径小(例如曲率半径3mm以下)的凹形曲面也可以低成本方便的成形。
例如可以把黄铜等可切削加工的材料进行切削加工，制成成形砂轮的基底，在此研磨面上粘上磨料，制作成形砂轮。磨料最好使用单晶或多晶的金刚石、CBN(Cubic Boron Nitride)等硬质磨料。此外磨料的粘接可通过镍合金等的电镀进行。
优选实施例
下面的实施例从母材一侧用光(紫外线)照射树脂层，成形模具使用金属模具。但是本发明并不限于这种方式，例如成形模具使用玻璃等透明材料也可以。在成形模具使用可以透过光的材料的情况下，由于通过从模具一侧照射使树脂组合物硬化，母材不透明也可以。
实施例1
把下述结构式(1)的二聚丙烯酸酯80％(重量)、下述结构式(2)的尿烷改性六(甲基丙烯酸酯)19.5％(重量)、乙酰苯系光开始剂0.5％(重量)混合，调制成重量的平均分子量为800的感光性树脂组合物。
Figure A20041010454100101
Figure A20041010454100111
其中R为：
Figure A20041010454100112
如图5所示，预先对外径(直径)40mm、中心厚度1mm、最大厚度10mm树脂层成形面曲率18mm的玻璃母材(BK7)10的树脂层成形面(凹面)进行有机硅烷偶合处理，提高与树脂的贴合性，然后把上述感光性树脂组合物51滴在凹面上，再把玻璃母材10翻过来，压在非球面模具52的凸面上，挤压树脂组合物51成所需要的形状以后，从母材一侧用高压水银灯以10mW/cm2的照度照射5分钟紫外线53，使其硬化，制成如图6所示厚度分布的树脂层11。
然后用拆卸器推压玻璃母材10的外缘54，使树脂层11脱离模具52，得到PAG透镜。树脂层11的外径38mm、最大树脂层厚度850μm、有效直径外(从树脂层外缘端面向内1mm以内)的树脂层厚度300μm以下、树脂量700mg。脱模时玻璃的变形量为20μm。
本实施例得到的PAG透镜的树脂层具有最大树脂层厚度850μm、最小厚度100μm的大的非球面形状。尽管是做这样大的非球面形状，也能在树脂层上正确地仿型成所希望的非球面形状，脱模时不损坏母材，能够得到具有精密的非球面的PAG透镜。曾经以同样条件做10个PAG透镜透镜，任何一个透镜都没有使母材发生损坏。
实施例2
本实施例使用成形面外缘具有凹形曲面的模具，进行PAG透镜成形。图7表示的断面，是在本实施例中用的非球面模具70的一个断面，该断面是将包括对应要成形透镜光轴的轴71(在本实施例中为回转中心轴)的面切断而得到的。图8表示成形状态下其外缘72放大的图示。
如图7和图8所示，本实施例使用的模具70在成形面外缘有凹形曲面。为了使包含对应于要成形的树脂层光轴的轴71的断面形成曲率半径1mm的相反的圆弧状，此凹形曲面从有效直径一侧看的开始位置83在要成形透镜有效直径(33.4mm)外0.3mm。
通过本实施例的模具70，由于在成形面外缘有凹形曲面73，与使用没有本实施例那样的凹形曲面的实施例1的模具52的情况下成形时的积存树脂82相比，积存树脂81可以薄得多。
本实施例模具70是这样制作的。首先把黄铜进行切削加工，制作如图9(a)所示的成形砂轮的基底90，然后在研磨面上使用混合磨料的镀液，进行镍合金镀。用这样的方法可以得到图9(b)所示的在研磨面有磨料的镀层91的成形砂轮92。该砂轮92的研磨面是成形对象的模具70的成形面相反的形状。也就是此成形砂轮92的研磨面的内侧有凸形曲面93。
然后如图9(c)所示，使砂轮92转动，同时利用研磨液供应装置95不断向研磨面供给研磨液96，将模具70的成形面的侧表面压在砂轮92的研磨面上，就可以使模具70表面形成砂轮92的研磨面的形状。如图7和图8所示，采用这样的方法就可以得到成形面外缘呈凹形曲面73的模具70。
除了用上述方法制作的非球面模具70代替非球面模具52以外，与实施例1相同，制作PAG透镜时都没有使母材发生损坏。
对比例1
与实施例1相同曾经制作了10个PAG透镜，但是有效直径外的树脂层膜厚为800μm。各透镜脱模时玻璃的变形量平均为80μm，发现10个中有5个使母材发生损坏。
尽管以上已经图示并说明了按照本发明的几个实施例，但应理解，在不偏离本发明范围的前提下可以对以上所述实施例进行修改和变换。这里所图示和说明的细节不对本发明构成任何限制，本发明包含所有在所附权利要求范围内的修改和变换。

Claims (2)

1.一种用于制造树脂贴合型光学元件的成形模具，是用于在具有母材和在此母材表面上形成的树脂层的树脂贴合光学元件上形成此树脂层的成形模具，其特征为：在成形面外侧的外缘上具有比此成形面曲率大的凹形曲面。
2.一种树脂贴合型光学元件的制造方法，其特征为：使用在成形面外侧的外缘具有比此成形面曲率大的凹形曲面的成形模具，在具有母材和此母材表面形成树脂层的树脂层贴合光学元件上形成此树脂层。
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