TWI473768B - 光學元件的製法 - Google Patents

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Description

光學元件的製法
本發明係關於製造光學元件之方法，且特別係關於藉加壓模製製造用於光學設備(如相機和錄影機)之光學元件之方法。
截至目前為止，已經知道藉加壓模製已受熱且軟化的玻璃以得到光學元件之方法。但是，近年來，隨著透鏡單元的效能之增進，要求模製具有特定光學常數之玻璃的技術。
用於特定光學常數的玻璃材料之組成物有時為熱不安定的組成物。組成物的玻璃材料加熱至模製溫度時，揮發性構份的生成量提高。當透鏡係使用此玻璃材料熱模製時，模製因為生成揮發性構份而產生氣泡的霧狀玻璃，使得外觀不佳。因此，模製特定光學常數的玻璃材料時，須要抑制揮發性構份生成的技術。
關於抑制揮發性構份生成的先前技術，提出一種提高室中氛圍的壓力至等於或高於蒸氣壓之方法(日 本專利公開案第2004-107145號)。
但是，在日本專利公開案第2004-107145號描述的先前技術中，氛圍的壓力不會作用於模具和玻璃彼此接觸的表面上，且施加於玻璃的壓力降低，使得因揮發作用而產生的氣泡形成於模製表面中。此外，雖然描述“等於或大於蒸氣壓”的標準，具有特定光學常數的材料，特別是含有10質量%或更高且30質量%或更低的Bi2 O3 之以磷酸鹽為底的玻璃，具有待解決的問題，如即使施加的壓力超過金屬元素的蒸氣壓，仍未得到抑制揮發作用的效果。
 發明總論
本發明提出製造具有良好壓製表面的光學元件之方法，其即使使用以磷酸鹽為底的玻璃材料進行熱壓模製亦然。
解決前述問題之製造光學元件的方法包括，在製造光學元件的方法中，以熱模具對含有10質量%或更高且30質量%或更低的Bi2 O3 之以磷酸鹽為底的玻璃進行壓製，及之後令彼冷卻，其中自玻璃與模具的壓製表面接觸開始(玻璃黏度log η=9[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低)，持續以等於或高於氧的臨界壓力且等於或低於玻璃的強度之壓力施加於玻璃，直到藉冷卻而使得玻璃黏度log η提高至12[dPa．sec]為止。
本發明可提出製造具有良好壓製表面的光學元件之方法，其即使使用以磷酸鹽為基礎的玻璃材料進行熱壓模製亦然。
由例示具體實施例的以下描述及參考圖式，將明瞭本發明的其他特點。
1‧‧‧上模具
2‧‧‧下模具
3‧‧‧吹模
4‧‧‧加熱器
5‧‧‧玻璃預製件
6‧‧‧模製的玻璃透鏡
7‧‧‧上模具凸緣表面
8‧‧‧吹模上表面
P1‧‧‧載重
P2‧‧‧載重
P3‧‧‧載重
圖1A至1E為說明製造本發明之光學元件之方法的一個具體實施例之流程圖。
圖2係與圖1之製造光學元件之方法相關的模製法之圖。
圖3A至3F為說明製造本發明之光學元件之方法的另一具體實施例之流程圖。
圖4係與圖3之製造光學元件之方法相關的模製法之圖。
 具體實施例之描述
製造本發明之光學元件的一個方法包括，在製造光學元件的方法中，以熱模具對含有10質量%或更高且30質量%或更低的Bi2 O3 之以磷酸鹽為底的玻璃進行壓製，及之後令彼冷卻，其中自玻璃與模具的壓製表面接觸開始(玻璃黏度log η=9[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低)，持續以等於或高於氧的臨界壓力且等 於或低於玻璃的強度之壓力施加於玻璃，直到藉冷卻而使得玻璃黏度log η提高至12[dPa．sec]為止。
適當地，自玻璃與模具的壓製表面接觸開始，持續以等於或高於氧的臨界壓力且等於或低於玻璃的強度之壓力施加於玻璃，之後加熱以將玻璃黏度調整為log η=9[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低直到，壓製之後，藉冷卻而使得玻璃黏度log η提高至12[dPa．sec]為止。
下文中，參考圖式，明確地描述本發明的第一個具體實施例。圖1A至1E係說明製造本發明之光學元件之方法的一個具體實施例之流程圖。此模製方法以圖1A至1E的順序進行。模具和玻璃在各模製法中的狀態以示意圖具體說明。圖1A具體說明加熱法，圖1B具體說明上模具壓製法，圖1C具體說明保壓法，圖1D具體說明冷卻和壓製法，而圖1E具體說明抽取法。此圖形包括上模具1、下模具2、吹模3、用以加熱模具和玻璃預製件的加熱器4、玻璃預製件5和模製的玻璃透鏡6。雖未具體說明，可將壓製載重施加於模具的壓製組件(如電伺服裝置)連接至上模具。5所代表的玻璃預製件的材料係含有10質量%或更高且30質量%或更低的Bi2 O3 之以磷酸鹽為底的玻璃。該以磷酸鹽為底的玻璃之Tg(玻璃轉變點)為454℃或更高且483℃或更低。
圖2係與圖1A至圖1E之製造光學元件之方法相關的模製法之圖。此模製法包括以下對應於圖1A至 圖1E的五個方法。圖2的A對應於加熱法，圖2的B對應於於上模具壓製法，圖2的C對應於保壓法，圖2的D對應於冷卻和壓製方法，而圖2的E對應於抽取法。
各方法之解釋述於下文。
圖2的A之加熱法中，玻璃預製件(下文中亦稱為玻璃)5置於下模具2中，之後以加熱器將模具加熱至玻璃黏度降至log η=9[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低的溫度。加熱法的加熱溫度適當地在510℃或更高且545℃或更低的範圍內。黏度極度降至低於log η=9[dPa．sec]時，揮發性提高，使得玻璃因為壓製之前的加熱而造成的揮發作用而變霧，導致外觀不良。另一方面，黏度變得高於log η=10[dPa．sec]時，玻璃於高壓變形至預定厚度，發生破裂情況，此導致玻璃破碎。或者，即使玻璃未破碎，得到預定變形量所須的時間拉長，此導致損及經濟效益。
本發明中之玻璃黏度的值係藉穿透型黏度測量得到之在黏度範圍log η=7.5[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低的測量值或藉電波束彎曲法得到之在黏度範圍log η=11[dPa．sec]或更高且14[dPa．sec]或更低的測量值。
圖2的B之壓製法中，壓力施加於上模具1以壓製玻璃而將上和下模具的形狀轉移至玻璃。此情況中，以等於或高於氧的臨界壓力且等於或低於玻璃的強度之壓力施加於玻璃。適當地，壓力值調整在10MPa或更 高且100MPa或更低的範圍內時，施壓時間相對短，如此可以抑制玻璃之破裂。因此，此壓力值合宜。圖2的C之保壓法中，降低施加於玻璃的壓力，使得在冷卻之前，玻璃中的應力變小以提高表面準確度，但仍保持壓力。保壓值係5.05MPa(此為氧的臨界壓力)或較高和100MPa或較高且300MPa或較低(此為玻璃的強度)之壓力值。玻璃的強度為發生破裂及玻璃破碎時的壓力。欲儘可能控制透鏡的中心厚度在保壓期間內的改變量以有助於控制中心厚度，保壓值在5.05MPa(此為氧的臨界壓力)或較高至10MPa(此約為臨界壓力的兩倍)的範圍內。此情況中，考慮因為透鏡形式的壓力分佈和溫度分佈，在壓製表面中之最小壓力處的壓力等於或高於氧的臨界壓力。許多情況中，此壓力分佈主要源自於透鏡的厚度差。厚度最大的部分之壓力值最小。可以調整施加的壓力值，使得最大厚度部分的壓力等於或高於氧的臨界壓力。在複雜的透鏡形式和溫度分佈之環境下模製時，可以藉由數值分析(如FEM(有限元素法))於初時評估壓力分佈而定出壓力值。
圖2的C之保壓法的中間處，開始降低模具溫度。因此，玻璃黏度變得更高，但持續施加至少維持等於或高於氧的臨界壓力之壓力直到玻璃黏度達到log η=12[dPa．sec]。此情況中，雖然壓製表面之壓力分佈會因為熱收縮而改變，可以設定保壓值，使得壓力最小的部分之壓力等於或高於氧的臨界壓力。
在圖2的步驟D之冷卻和壓製法中，再度提高施加於玻璃的壓力，以提高表面準確度。壓力範圍設定在變形量大於因為玻璃的熱收縮而產生的下陷量之壓力範圍內。此壓力範圍合宜地設定在50MPa或更高且100MPa或更低的範圍內。表面準確度無不正常情況時，僅持續冷卻，未提高壓力。
圖2的E之抽取法中，釋放施加於玻璃的壓力，開啟模具，之後自模具取出模製的透鏡。藉由在光學顯微鏡下目視評估抽出的透鏡的外觀品質，如起霧和氣泡。此外，藉由以高度量器，藉中心厚度的變化測定，評估光學元件的形成品質。
藉前述方法得到的透鏡外觀良好。認為這是因為，當等於或高於臨界壓力的壓力施於與Bi(其為易揮發的組份)形成共價鍵的氧時，Bi2 O3 不會分解成Bi和O，且可維持此鍵。藉此作用，Bi沉積在壓製表面的前表面上或可防止在玻璃表面中因氧而產生氣泡。
製造本發明之光學組件之方法適合用於使用含有10質量%或更高且30質量%或更低且合宜地含有20質量%或更高且30質量%或更低的Bi2 O3 之以磷酸鹽為底的玻璃作為材料而製造光學組件之方法。即使當含有10質量%或更高且30質量%或更低的Bi2 O3 的玻璃經熱壓模製時，未因揮發作用而在壓製表面中形成氣泡之類，因此而可模製外觀品質極佳的透鏡。在Bi2 O3 含量低於10質量%的玻璃中，來自玻璃之產生揮發性構份的量小，因而 即使並非在本發明的模製法條件下進行模製時外觀品質亦良好。在Bi2 O3 含量高於30質量%的玻璃中，加熱法中產生的揮發性構份量大，因而即使在本發明的模製法條件下進行模製外觀品質亦未能變好。
再者，本發明的第二個具體實施例詳細地對照圖式作描述。不同於第一個具體實施例(僅藉上模具的上-下操作進行模製)，第二個具體實施例描述藉具有上和下雙軸壓力軸桿的模製機械確實地連續將預定壓力施加至玻璃並控制上和下模具之壓力和溫度的方法。
圖3A至3F為說明本發明之製造光學元件之方法的另一具體實施例之流程圖。此模製方法以圖3A至3F的順序進行。模具和玻璃在各模製法中的狀態以示意圖具體說明。圖3A具體說明加熱法，圖3B具體說明上模具壓製法，圖3C具體說明下模具保壓法，圖3D具體說明上模具/下模具撞擊法，圖3E具體說明下模具冷卻和壓製法，而圖3F具體說明透鏡抽取法。圖3包括上模具凸緣表面7和吹模上表面8。其係建構成使得表面7和8因為圖中的載重P1而彼此在圖3D的方法中撞擊，可以高精確度控制透鏡的中心厚度。
圖4係對應於圖3A至3F的各個模製法之模製方法的圖。圖4的A對應於加熱法，圖4的B對應於上模具壓製法，圖4的C對應於下模製保壓法，圖4的D對應於上模具/吹模撞擊法，圖4的E對應於下模具冷卻和壓製法，而圖4的F對應於透鏡抽取法。
各方法之解釋述於下文。
圖4的A之加熱法中，以埋在模具中的加熱器進行加熱，使得玻璃黏度達到log η=9[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低。此處，黏度過度降至log η=9[dPa．sec]的情況中，當在後續之圖4的C的下模具保壓法中，氧的臨界壓力施加於玻璃時，模具之壓力軸方向的變形率變高，使得難以控制中心厚度。因此，調整黏度，使得在施加氧的臨界壓力時，中心厚度的變化率為1微米/秒或更低。此外，適當地將模具製成氣密型結構或使得模具具有狹窄部分以使自中心至周圍的玻璃通道越來越窄，使得即使當高壓施加於玻璃時中心厚度的變化率亦變低。此中心厚度的變化率之調整以初步模製進行。此加熱法的加熱溫度適當地在510℃或更高且545℃或更低的範圍內。
在圖4的B之上模具壓製法中，載重P1施加於模具以對玻璃施壓而將模具形狀轉移至玻璃。待施加於玻璃的壓力設定於高於氧的臨界壓力且低於玻璃破裂的壓力，以提高玻璃的變形率。特定言之，適當地，作用在玻璃上的壓力設定為略小於玻璃破裂之臨界壓力的壓力值，自100MPa至300MPa，並縮短循環時間。
在圖4的C之下模具保壓法中，施加於玻璃之壓力由5.05MPa(其為氧的臨界壓力)至10MPa(其約施加於玻璃之壓力的兩倍)的載重值以圖中的壓力P2施加於模具。藉由調整壓力，以滿足P1>P2，以防止此模 具向上提升。此狀態中，載重P1(而非載重P2所產生的壓力施加於玻璃。
在圖4的D之上模具/吹模撞擊法中，上模具凸緣表面7和吹模上表面8彼此撞擊。此情況中，載重P1逐漸被吹模所接受，施加於玻璃的壓力自載重P1所產生的壓力轉移至載重P2所產生的壓力。這是因為P1藉撞擊作用在吹模上及玻璃因為載重P1而產生的應力因應力舒緩而降低，使得僅有載重P2產生的壓力作用在玻璃上。
另一方面，作為比較，當條件改為方法C中之載重P2未作用在模具上的條件時，載重P1未藉撞擊而作用在玻璃上，使得玻璃中的壓力隨著時間而變成幾乎為0。此情況中，因為產生大量的易揮發組份，使得透鏡的外觀變差。因此，載重P2施加於玻璃的時間點須設定在撞擊之前。
可以藉由比較模製物件厚度(其中充分提高模製溫度)和上模具之因撞擊而定位的位置座標以計算P1造成玻璃的應力成為0所須的時間。此調整在接續方法中之開始冷卻的時間點。開始冷卻時，使P1造成的玻璃應力儘量小，藉此可穩定表面準確度。
在圖4的E之下模具冷卻和壓製法中，進一步冷卻玻璃。此冷卻於玻璃黏度log η=11[dPa．sec]或更高且15[dPa．sec]或更低進行，且玻璃再度以載重P3(其低於P1且高於P2)加壓。表面準確度沒問題時，載重P3 可以低於P2。但是，至少載重P2持續施加於玻璃直到玻璃黏度達到log η=12[dPa．sec]，及之後施加載重P3。
在圖4的F之透鏡抽取法中，釋放施加於模具的壓力以開啟模具，及之後自模具抽出模製的透鏡。
在光學顯微鏡下，目視評估抽出的透鏡的外觀品質，如起霧和氣泡。此外，以高度量器，藉中心厚度的變化測定，評估光學元件的形成品質。藉前述模製法得到的透鏡外觀良好，且儘管壓力持續施加於玻璃，中心厚度的變化可控制於±10微米或更低。
本發明之製法可用以製造光學元件，例如透鏡和稜鏡。
實例1
此實例中，在以下描述的各種條件下進行模製，並確認透鏡的外觀品質。模製法是基於本發明的第一個具體實施例中描述的圖1A至1E之方法。
首先，描述模製中所用的玻璃材料之條件。製造五種玻璃材料A-1、A-2、A-3、B-1、和B-2作為玻璃材料。所有的玻璃皆為以磷酸鹽為底的玻璃，A-1、A-2、A-3、B-1、和B-2中之易揮發組份Bi2 O3 的含量為5、10、20、30、和40質量%。玻璃材料A-1、A-2、A-3、B-1、和B-2各者的組成比示於表1。
以下，描述模製法條件。
圖1A的加熱法中，玻璃材料A-2、A-3、和B-1置於下模具2中，且此模具以加熱器加熱。欲調整各玻璃的黏度，加熱法中的加熱溫度設定在500℃或更高且545℃或更低的範圍內。在圖1B的上模具壓製法中，在上模具壓製期間內的玻璃黏度η以三階段變化。特定言之，黏度log η=9.0、9.5、和10.0[dPa．sec]。
圖1C的保壓法中，保壓的壓力值以包括氧的臨界壓力之三階段變化。特定言之，壓力值為5.05MPa(氧的臨界壓力)、10.0MPa、和50.0MPa。關於保壓終了時的玻璃黏度，黏度分三階段改變，log η=12.0、12.5、和13.5[dPa．sec]。
圖1D的冷卻和加壓法中，冷卻和加壓的壓力值分兩階段改變，0和100.0MPa。玻璃材料A-2、A-3、和B-1的外觀品質以下依序述於各方法中。
即使圖1B中的上模具壓製法中之上模具壓製期間內的玻璃黏度η改變成log η=9.0、9.5、和10.0[dPa．sec]，仍未發生外觀欠佳(如起霧和破裂)的情況。
由這些結果可確認，在log η=9.0[dPa．sec] 或更高且10.0[dPa．sec]或更低的條件下，抑制起霧之發生，且未破裂，且於標準壓製壓力值50MPa或較高且100MPa或較低的情況，壓力變形可進行至預定厚度。圖1B的上模具壓製法中，壓力值為100MPa的壓力施加至上模具1。
能夠確認，亦在圖1C的保壓法中，當保壓壓力值設定於5.05MPa或更高且保壓終了時的玻璃黏度設定於log η=12.0[dPa．sec]或更高時，得到具有良好外觀品質的光學元件。在圖1D的冷卻和加壓法中，在保壓法中可得到外觀品質良好之所有的模製法條件不隨冷卻和壓製壓力值而變化，並維持良好的外觀品質。可確認，當玻璃黏度η在log η=12.0[dPa．sec]或更高的範圍內時，圖1D的冷卻和壓製壓力值不影響外觀品質。
比較例1
此比較例中，以下條件與實例1不同，之後進行模製。接著，可確認外觀品質是否受損。圖1B的上模具壓製法中，在上模具壓製期間內的玻璃黏度η分二階段改變。特定言之，黏度為log η=8.5和10.5[dPa．sec]。
結果，當條件之設定使得在圖1B的上模具壓製法中之上模具壓製期間內的玻璃黏度η為log η=8.5時，揮發量於壓製之前已高，並在玻璃表面中起霧。即使以下方法的模製條件改為任何條件，仍無法改善此起霧情況，因此，外觀品質仍不佳。另一方面，條件之設定使得 log η=10.5[dPa．sec]時，起霧之產生受到抑制。但是，由於黏度極高，發生即使載重自50MPa或更高且100MPa或更低(此為標準的壓製壓力值)逐漸提高仍無法壓製變形至預定厚度的問題。載重提高至200MPa時，發生破裂情況，使得玻璃破碎，此導致後續方法無法進行。圖1B的上模具壓製法中，以100MPa壓力值的壓力施加至上模具1。
比較例2
此比較例中，以下條件與外觀良好的實例1的條件不同，並於之後進行模製。接著，可確認外觀品質是否受損。
圖1C的保壓法中，保壓的壓力值以三個階段改變。特定言之，壓力值為0.5Pa、2.5MPa、和200.0MPa。設定作為保壓之壓力值的0.5Pa為易揮發的組份Bi在模製法中加熱之最高溫度的蒸氣壓。
結果，在圖1C的保壓法中，保壓的壓力值定地於0.5Pa和2.5Pa時，發生起霧情況。即使以下方法的模製條件改為任何條件，其外觀品質無法令人滿意。在保壓的壓力值為200.0MPa時，可抑制起霧之產生。但是，當壓力值設定為200MPa時，發生破裂情況，使得玻璃碎裂，此導致外觀品質欠佳。由這些結果可確認，即使將Bi模製中之最高加熱溫度的蒸氣壓值設定為保壓的標準值，仍未能避免外觀欠佳。此外，亦可確認當壓力設定 為高於Bi的蒸氣壓且低於氧的臨界壓力時，發生不良外觀。
比較例3
此比較例中，圖1C的保壓法中之保壓終了時的玻璃黏度η自外觀良好的實例1之條件改為log η=11.5[dPa．sec]。接著，可確認外觀品質是否受損。
因此，發生起霧情況，使得外觀品質變差。可確認，當保壓終了時的玻璃黏度低於log η=12.0[dPa．sec]時，外觀品質受損。
比較例4
此比較例中，確認使用實例1中描述的玻璃材料B-2，在與實例1相同的模製法條件下，模製的光學元件之外觀品質。
結果，由於玻璃材料B-2中的Bi2 O3 含量高至40質量%，所以在圖1A的加熱法中產生的揮發性構份的量大，使得在所有的模製條件下之外觀品質皆無法令人滿意。
參考例1
此參考例中，確認使用實例1中描述的玻璃材料A-1，在與實例1相同的模製法條件下，模製的光學元件之外觀品質。
結果，由於玻璃材料A-1中的Bi2 O3 含量僅5質量%，所以自玻璃產生的揮發性構份的量小，使得除了發生碎裂情況的模製條件以外，在所有的模製條件下之外觀品質皆良好。
在Bi2 O3 含量低於10質量%之以磷酸鹽為底的玻璃的情況中，外觀品質良好，即使模製並非在本發明的模製法條件下進行亦然。
實例2
此實例中，圖3B至3E中具體說明之P1至P3的壓力各者之設定使得本發明的第二具體實施例中所描述之圖3A至3E的方法中之作用在玻璃上的壓力變化與實例1相同。特定言之，圖1B中之施加在玻璃的壓力對應於P1，且類似地，圖1C的壓力對應於P2及圖1D的壓力對應於P3。此透鏡具有直徑14毫米的凸面新月形，其中凸面表面的R為21毫米，凹面表面的R為14毫米，且中心厚度為1.3毫米。使用實例1中描述的材料B-1作為材料。在前述條件下確認光學元件的外觀品質和中心厚度準確度。
結果，關於外觀品質，得到與實例1相同的結果。在施加於玻璃的壓力變化相同的情況中，即使結構為上和下雙軸模製模具結構，亦得到良好的外觀品質。
另一方面，關於形狀品質，在圖3C的下模具保壓法中之透鏡的變形率低的條件(即，開始保壓時的玻 璃黏度較高且保壓的壓力質較低之條件)下，中心厚度準確度獲改良。此實例的透鏡形式之模製中，在所有外觀品質良好的模製條件下(其中開始保壓時，玻璃黏度log η=9[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低，且保壓的壓力值為5.05MPa或更高且50MPa或更低)，保壓期間內的透鏡變形率可設定為1微米/秒或更低。
在以上和下雙軸模製模具結構進行撞擊上模具和下模具的方法且在保壓期間內的透鏡變形度設定為1微米/秒或更低的情況中，即使模製條件為持續施加壓力之條件，中心厚度準確率在±10微米內，因而得到良好形式品質。
根據本發明之製法，壓製表面良好，即使使用以磷酸鹽為底之玻璃材料進行熱壓模製亦然。因此，本發明之製法可用於製造光學元件(如透鏡和稜鏡)之方法。
已經以參考例示具體實施例的方式描述本發明，應瞭解本發明不限於所提出的例示具體實施例。以下申請專利範圍之範圍應賦予最寬闡釋，以涵蓋所有的修飾和對等結構和功能。

Claims (2)

  1. 一種製造光學元件之方法，其包含：以熱模具對含有10質量%或更高且30質量%或更低的Bi2 O3 之以磷酸鹽為底的玻璃進行壓製；及之後令彼冷卻，其中自玻璃與模具的壓製表面接觸開始(玻璃黏度log η=9[dPa．sec]或更高且10[dPa．sec]或更低)，持續以等於或高於氧的臨界壓力且等於或低於玻璃的強度之壓力施加於玻璃，直到藉冷卻而使得玻璃黏度log η提高至12[dPa．sec]為止。
  2. 如申請專利範圍第1項之製造光學元件之方法，其中自玻璃與模具的壓製表面接觸開始，持續以等於或高於氧的臨界壓力且等於或低於玻璃的強度之壓力施加於玻璃，之後加熱以將玻璃黏度調整至log η=9或更高且10[dPa．sec]或更低，直到在壓製之後，玻璃黏度log η藉冷卻而提高至12[dPa．sec]為止。
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