TWI389787B - 光學元件成形方法 - Google Patents

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Description

光學元件成形方法
本發明有關於光學元件成形方法，特別有關適用於光學玻璃素材的較佳光學元件成形方法。
光學元件(例如：光學透鏡、稜鏡等)的成形方法，例如有使用由設有具光學機能轉印面之轉印面的上模及下模、以及規範上模與下模之水平方向位置的模體所構成之成形模的方法。該方法加熱成形材料(光學玻璃素材)，例如預成形胚，同時推壓成形模而成形光學元件。
通常，在下模中載置1個預成形胚，並將上模載置於預成形胚上，加熱、使其軟化，藉由在上模與下模間推壓，最終成形為1個光學元件。另一方面，例如專利文獻1所揭示之技術，為成形1個光學元件，會有積層2以上預成形胚並推壓而成形的情況。此情況下，並非1次成形，而是分成2次以上成形。其結果，可成形出容量較單1個預成形胚所能收納於成形模中之容量更大的光學元件。此外，可防止因預成形胚形狀與成形模形狀不同，而導致成形後在光學元件中滲入壓縮空氣的問題。
[專利文獻1]日本專利特開2004-10456號公報
上述專利文獻1中，首先推壓1個預成形胚(光學玻璃素材)成形出一端部後，卸除上模。然後，再將另1預成形胚載置於已成形出的一端部上，經加熱、使其軟化，並推壓而成形。其結果，可將2個預成形胚一體化而成形出光學元件。
但是，若欲一體成形，而同時加熱2個預成形胚時，會有其中一預成形胚插入另一預成形胚中的問題。例如圖5(A)所示，積層球狀預成形胚80與圓柱狀預成形胚82，而嘗試成形光學元件的例子。圖5(A)為所示習知例欲成形光學元件，但結果獲得之失敗例90的剖視圖。如圖5(A)所示，其中一預成形胚80會插入於另一預成形胚82中，導致在外面形成溝槽M。其結果，因為預成形胚80與預成形胚82的外面並未平滑地連接，因而會有光學元件未能獲得所需形狀的問題。
緣是，本發明有鑑於上述問題而完成，本發明之目的在於提供新穎且改良的光學元件成形方法，在積層不同成形材料而成形為1個光學元件時，可成形出外面不會殘留溝槽等不良形狀之光學元件。
為解決上述問題，根據本發明觀點所提供的光學元件成形方法，包括有按壓步驟：在由一對上模與下模所構成用以成形出光學元件之成形模的模具間，推壓具有第1黏度的第1成形材料以及具有不同於上述第1黏度之第2黏度的第2成形材料。
在上述推壓步驟前亦可包括有：在下模中載置上述第1成形材料的第1步驟；加熱下模及上述第1成形材料的第2步驟；將黏度較高於第1成形材料狀態的上述第2成形材料載置於上述第1成形材料上的第3步驟；以及在第2成形材料上載置上述上模的第4步驟；而，在推壓步驟中，在上述第2成形材料的黏度較高於上述第1成形材料的狀態下，利用上述上模與上述下模推壓上述第1成形材料與上述第2成形材料。
上述推壓步驟中，第2成形材料亦可具有109 Pa．s以上的黏度。
上述推壓步驟中，第2成形材料亦可處於未達變形點(deformation point)溫度的溫度。上述推壓步驟中，第1成形材料亦可處於玻璃轉化溫度以上的溫度。
上述第1成形材料與第2成形材料亦可為同一素材。
上述推壓步驟後，亦可包括有：將第1成形材料與第2成形材料加熱至玻璃轉化溫度以上溫度的第5步驟。
或者，上述推壓步驟後，亦可包括有：將第1成形材料與第2成形材料加熱至具有1011 Pa．s以下黏度之溫度的第5步驟。
在上述第5步驟後，亦可包括有：冷卻第1成形材料與第2成形材料的第6步驟，以及取出由第1成形材料與第2成形材料所形成之光學元件的第7步驟。
上述第1成形材料亦可為球狀玻璃預成形胚；第2成形材料亦可為圓柱狀玻璃預成形胚。
在上述第5步驟中，亦可推壓第1成形材料與第2成形材料，使上述第1成形材料與上述第2成形材料的外面平滑地相連接。
根據本發明，積層不同的成形材料而成形為1個光學元件時，可成形出外面不會殘留溝槽等不良形狀的光學元件。
參照以下所附圖式，詳細說明本發明之較佳實施形態。另外，本說明書及圖式中，對於實質具有相同機能構造的構成要件，賦予相同元件符號並省略重複說明。
首先，說明本發明一實施形態的光學元件成形裝置之構造。圖1所示係本實施形態的光學元件成形裝置之剖視圖。光學元件成形裝置例如由：下模單元52、上模單元54、加熱器40、及成形室60等構成。
下模單元52可載置：下模102、上模104、模體106(以下亦統稱「成形模」)。並且，下模單元52或上模單元54藉由朝上或朝下之驅動，而使下模單元52接觸到下模102，使上模單元54接觸到上模104。且，下模單元52與上模單元54更進一步推壓下模102與上模104。藉由下模單元52或上模單元54朝與推壓下模102及上模104的方向相反之方向驅動，則可解除下模102及上模104之推壓。
加熱器40係加熱部之一例，設置於模體106周圍，以加熱成形模與預成形胚。加熱器40可將預成形胚加熱至達到變形點溫度At(Ts)以上。本實施形態中例示加熱器40設置於模體106周圍的例子，惟本發明並不僅侷限於此例。例如加熱部亦可內置於下模單元52或上模單元54中。
成形室60收容下模單元52、上模單元54及加熱器40。成形室60之內部例如可充滿惰性氣體或形成真空。此外，因為藉由成形室60使載置成形模的空間形成一定之空間，因而可以高效率加熱或冷卻其內部。
接著，參照圖1說明成形模。成形模由一對上模104與下模102、及模體106所構成。
上模104與下模102例如具有圓柱形狀模體部，在一端側形成含有光學機能轉印面的轉印面，在另一端側形成直徑較大於模體部的凸緣面。上模104與下模102配置為上模104與下模102的轉印面相對向。上模104與下模102的凸緣面分別接觸於上模單元54、下模單元52配置。本實施形態中，下模102具有非球面狀轉印面，上模104具有平面狀轉印面。
的動作。模體106規範上模104與下模102在水平方向的位置。此外，模體106的內面接觸下模102的外面，模體106與下模102相嵌合。
其次，說明本實施形態的光學元件成形方法。圖2所示係本實施形態的光學元件成形方法之流程圖。圖3所示係所成形之預成形胚的溫度對時間變化圖。圖4所示係本實施形態的成形模與預成形胚之剖視圖，配合成形步驟的流程而圖示。
首先，如圖4(A)所示，以搬送裝置30將預成形胚10(球狀預成形胚、第1成形材料)搬運至成形模。此時，成形模亦可載置於下模單元52上，亦可在預成形胚10載置於下模102中之後，才將成形模搬運並載置於下模單元52中。預成形胚10在成形後構成作為成形品的光學元件20之一端側的光學玻璃素材。預成形胚10具有例如球狀之形狀。
接著，如圖4(B)所示，以搬送裝置30將預成形胚10載置於下模102上(步驟S101)。然後，以加熱器40加熱預成形胚10(步驟S102)。此時，至少將預成形胚10加熱至玻璃轉化溫度Tg以上，例如光學玻璃素材的變形點溫度At(Ts)以上(例如變形點溫度At(Ts)+10~40℃等)。變形點溫度At(Ts)係光學玻璃素材在加壓下可變形的溫度，此溫度下光學玻璃素材成為例如1010 ~1011 P(泊)(=109 ~1010 Pa．s)程度的黏度。結果，如圖4(C)所示，預成形胚10亦可能稍微變形而使球形狀些微變扁。預成形胚10的溫度變化如圖3中實線所示。圖3中顯示預成形胚10的溫度在變形點溫度At(Ts)以上呈一定，惟本發明並不僅侷限於呈一定的情況。
其次，如圖4(D)所示，以搬送裝置30將預成形胚12(圓柱預成形胚、第2成形材料)搬運至成形模。預成形胚12在成形後與預成形胚10相接合，而構成作為成形品的光學元件20之另一側的光學玻璃素材。預成形胚12例如具有圓柱狀形狀。
然後，如圖4(E)所示，以搬送裝置30將預成形胚12載置於預成形胚10上(步驟S103)。此時，預成形胚12在維持未受加熱、未呈軟化的狀態下受載置。另一方面，預成形胚10則呈受加熱而軟化的狀態。此外，如圖4(F)所示，上模104載置於預成形胚12上(步驟S104)。另外，在以搬送裝置30載置預成形胚12於預成形胚10之前，可預先將預成形胚12放入於充滿氣壓較高於外壓之惰性氣體(氮氣等)的成形室60內。藉此，載置預成形胚12時，不必開閉成形室60，可防止高溫狀態下的成形模等遭氧化。
然後，如圖4(G)所示，以上模104與下模102推壓預成形胚10與12(步驟S105)。此時，如上所述，預成形胚12在維持未受加熱且未軟化之狀態下受載置，並在此狀態下受推壓。所以，即使預成形胚12接觸到維持在變形點溫度At(Ts)以上之一定溫度的成形模，仍不會達變形點溫度At(Ts)以上。另外，為避免預成形胚12軟化，最好在推壓步驟結束之前，均將上模104溫度設定在玻璃轉化溫度Tg以下的溫度。
另一方面，在先前的步驟中，已先一度將預成形胚10加熱至變形點溫度At(Ts)以上的成形溫度。所以，即使預成形胚10接觸到預成形胚12，仍不會出現急遽溫度下降，而可維持在至少為光學玻璃素材的軟化溫度以上、最好可維持在變形點溫度At(Ts)以上的成形溫度。另外，為維持預成形胚10的溫度，將下模102維持於成形溫度。其結果，在該推壓步驟中，預成形胚10將大幅變形，而預成形胚12則幾乎不變形。另外，變形點溫度At(Ts)係水平放置之玻璃棒會因自體重量而開始急遽彎曲的溫度，此時光學玻璃素材成為例如1010 ~1011 P(泊)(=109 ~1010 Pa．s)以上的黏度。因為預成形胚10具有容易變形的溫度，因而在推壓下便依循下模102、模體106及預成形胚12的形狀而變形。
結果，預成形胚10不會插入預成形胚12中，且預成形胚12亦不會因預成形胚10之插入而朝內側變形。所以，在預成形胚10與預成形胚12外面的接合部分所形成之形狀，可平滑地轉印為成形模的形狀。
其次，如圖4(H)所示，預成形胚10與12藉由加熱器40加熱，而施以均熱(soaking)處理(步驟S106)。此時，預成形胚10與12在光學玻璃素材的玻璃轉化溫度Tg附近受均熱處理。受玻璃轉化溫度Tg附近之均熱處理下，光學玻璃素材會成為例如1012 P(泊)(=1011 Pa．s)程度的黏度。藉由設定在玻璃轉化溫度Tg附近的溫度，可使玻璃中的殘留應變消失。此外，亦可將預成形胚10與12加熱至例如成為107 ~1012 P(泊)(=106 ~1011 Pa．s)黏度。藉由將預成形胚10與12加熱至同一溫度，可防止因二者之收縮差所造成的分離(剝離)。
預成形胚12的溫度變化如圖3中的單點鏈線所示。預成形胚12在步驟S105中受推壓時，如上所述，未達光學玻璃素材的變形點溫度At(Ts)，而經步驟S106的均熱處理後，則成為與預成形胚10相同的溫度。圖3中顯示預成形胚12的溫度在玻璃轉化溫度Tg附近成為一定，惟本發明並不侷限於一定的情況。
接著，如圖3所示，將預成形胚10與12冷卻(步驟S107)。冷卻步驟中，預成形胚10與12在徐冷後施以急冷。然後，如圖4(I)所示，卸除成形模的上模104。經冷卻後，預成形胚10與20成形為光學元件20。然後，如圖4(J)所示，以搬送裝置30將光學元件20從成形模中取出(步驟S108)。
如上所述，習知方法因同時加熱2個預成形胚，導致其中一預成形胚會插入另一預成形胚中。例如圖5(A)所示，其中一預成形胚80插入於另一預成形胚82中，如失敗例90般在周圍形成溝槽M。結果，因為預成形胚80與預成形胚82的外面並未平滑地連接，因而光學元件無法獲得所需形狀。例如預成形胚82側的直徑a1 會與預成形胚80及預成形胚82相連接區域的直徑b1 不同。所以，依照習知方法所獲得的圖5(A)所示失敗例90，並無法達成可作為透鏡等之用的光學機能。
另一方面，根據本實施形態，如圖5(B)所示，可形成光學元件20。圖5(B)所示係利用本實施形態成形方法所成形之光學元件20的剖視圖。預成形胚10不會插入預成形胚12中，預成形胚12也不會因預成形胚10之插入而造成朝內側變形。結果，光學元件20外面呈平滑，預成形胚12側的直徑a2 和預成形胚10與預成形胚12相連接區域的直徑b2 相同。結果，光學元件20可形成所需形狀，可達成透鏡等的光學機能。
再者，因為可防止上述其中一預成形胚插入於另一預成形胚中的問題，因此亦可考慮使用玻璃轉化溫度Tg不同的預成形胚。藉此，任一預成形胚可在未軟化的狀態下接合於另一預成形胚，便可防止一預成形胚插入於另一預成形胚。但是，因為玻璃轉化溫度Tg不同的預成形胚，膨脹係數亦會不同，因此所成形的光學元件成為容易依原預成形胚而各自分離(剝離)的構造。
另一方面，本實施形態則接合同一素材的2個預成形胚，因而只要施以均熱處理，便不會發生分離(剝離)的問題。且，因為係同一素材之接合，因而不需要考慮接合面的折射問題，易於進行光學設計。
以上，參照所附圖式詳細說明本發明較佳實施形態，惟本發明並不僅侷限於此例。舉凡在本發明所屬技術領域中具有通常知識者，均可在申請專利範圍所記載的技術思想範圍內，輕易思及各種變更例或修正例，此等當然均涵蓋於本發明技術範圍內。
例如上述實施形態中，例示以1組下模單元52與上模單元54，實施對成形模的加熱、推壓、冷卻的光學元件成形裝置例，惟本發明並不僅侷限於此例。例如亦可為依加熱步驟、推壓步驟、冷卻步驟分別設置下模單元52與上模單元54的連續式光學元件成形裝置。連續式光學元件成形裝置由複數組下模單元52與上模單元54所構成。例如在加熱步驟用的下模單元52與上模單元54完成加熱步驟後，成形模移往相鄰接的推壓步驟用下模單元52與上模單元54。然後，以推壓步驟用下模單元52與上模單元54推壓成形模。然後，在推壓步驟完成後，成形模再移往相鄰接之冷卻步驟用下模單元52與上模單元54。依此，藉由依序移動成形模而成形光學元件。
再者，本實施形態的成形裝置亦可為例如上模104經常固定於上模單元54中的構造。且，上述實施形態中，上模單元54可朝上或朝下驅動，而下模單元52則呈固定，但亦與此相反，使上模單元54固定，而使下模單元52可朝上或朝下驅動。
再者，上述實施形態所說明之例中，所成形的光學元件20在一端側具有非球面之光學機能面，而另一側則為平面狀，惟本發明並不僅侷限此例。例如亦可在光學元件之任一端面或二端面具有凹面、或凸面。此外，上述實施形態中，說明積層2個預成形胚的情況，惟本發明並不僅侷限此例。例如亦可適用於3以上預成形胚相接合的情況。
10、12、80、82‧‧‧預成形胚
20‧‧‧光學元件
30．．．搬送裝置
40．．．加熱器
52．．．下模單元
54．．．上模單元
60．．．成形室
90．．．失敗例
102．．．下模
104．．．上模
106．．．模體
M．．．溝槽
圖1為本發明一實施形態的光學元件成形裝置之剖視圖。
圖2為同實施形態的光學元件成形方法之流程圖。
圖3為所成形之預成形胚的溫度對時間變化圖。
圖4A(A)至(F)為同實施形態的成形模與預成形胚之剖視圖，配合成形步驟依流程圖示。
圖4B(G)至(J)為同實施形態的成形模與預成形胚之剖視圖，配合成形步驟依流程圖示。
圖5中，(A)為由習知例所成形，結果獲得之失敗例的剖視圖，(B)為依照同實施形態的成形方法所成形的光學元件之剖視圖。
20．．．光學元件
40．．．加熱器
52．．．下模單元
54．．．上模單元
60．．．成形室
102．．．下模
104．．．上模
106．．．模體

Claims (20)

  1. 一種光學元件成形方法，其包括有推壓步驟：在由一對上模與下模所構成用以成形光學元件之成形模的模具間，推壓具有第1黏度的第1成形材料以及具有不同於上述第1黏度之第2黏度的第2成形材料；在上述推壓步驟之前包括有：在上述下模中載置上述第1成形材料的第1步驟；加熱上述下模及上述第1成形材料的第2步驟；將黏度較高於上述第1成形材料狀態的上述第2成形材料載置於上述第1成形材料上的第3步驟；以及在上述第2成形材料上載置上述上模的第4步驟；而，上述推壓步驟中，在上述第2成形材料的黏度較高於上述第1成形材料的狀態下，以上述上模與上述下模推壓上述第1成形材料與上述第2成形材料。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟中，上述第2成形材料具有109 Pa．s以上的黏度。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟中，上述第2成形材料具有109 Pa．s以上的黏度。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟中，上述第2成形材料的溫度未達變形點 (deformation point)溫度。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟中，上述第2成形材料的溫度未達變形點溫度。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟中，上述第1成形材料的溫度在玻璃轉化溫度以上。
  7. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟中，上述第1成形材料的溫度在玻璃轉化溫度以上。
  8. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述第1成形材料與第2成形材料係同一素材。
  9. 如申請專利範圍第1項之光學元件成形方法，其中，上述第1成形材料與第2成形材料係同一素材。
  10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟後，包括有：將上述第1成形材料與上述第2成形材料加熱至玻璃轉化溫度以上溫度的第5步驟。
  11. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之光學元件成形方法，其中，上述推壓步驟後，包括有：將上述第1成形材料與上述第2成形材料，加熱至具有1011 Pa．s以下黏度之溫度的第5步驟。
  12. 如申請專利範圍第10項之光學元件成形方法，其中， 在上述第5步驟後，包括有：冷卻上述第1成形材料與上述第2成形材料的第6步驟；以及取出由上述第1成形材料與上述第2成形材料所形成之光學元件的第7步驟。
  13. 如申請專利範圍第11項之光學元件成形方法，其中，在上述第5步驟後，包括有：冷卻上述第1成形材料與上述第2成形材料的第6步驟；以及取出由上述第1成形材料與上述第2成形材料所形成之光學元件的第7步驟。
  14. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之光學元件成形方法，其中，上述第1成形材料係球狀玻璃預成形胚；上述第2成形材料係圓柱狀玻璃預成形胚。
  15. 如申請專利範圍第10項之光學元件成形方法，其中，上述第1成形材料係球狀玻璃預成形胚；上述第2成形材料係圓柱狀玻璃預成形胚。
  16. 如申請專利範圍第11項之光學元件成形方法，其中，上述第1成形材料係球狀玻璃預成形胚；上述第2成形材料係圓柱狀玻璃預成形胚。
  17. 如申請專利範圍第1至9項中任一項之光學元件成形方法，其中，推壓上述第1成形材料與上述第2成形材料，使上述第1成形材料與上述第2成形材料的外面平滑地相連接。
  18. 如申請專利範圍第10項之光學元件成形方法，其中，推壓上述第1成形材料與上述第2成形材料，使上述第1成形材料與上述第2成形材料的外面平滑地相連接。
  19. 如申請專利範圍第11項之光學元件成形方法，其中，推壓上述第1成形材料與上述第2成形材料，使上述第1成形材料與上述第2成形材料的外面平滑地相連接。
  20. 如申請專利範圍第12項之光學元件成形方法，其中，推壓上述第1成形材料與上述第2成形材料，使上述第1成形材料與上述第2成形材料的外面平滑地相連接。
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