專利名稱：樹脂貼合型光學元件、其制造方法、成形模具及光學制品的制作方法
技術領域：
本發明以日本專利申請2000-365992和2001-231933為基礎，其內容在本文中引為參考。
具有這種優良特性的非球面透鏡至今沒有能普及的最主要的原因是加工困難。現有的非球面透鏡只能由精密研磨玻璃母材的方法制造，存在加工成本高的問題。
近年來隨著采用與玻璃精密研磨的方法相比非常容易得到所需形狀的樹脂層制造的非球面形狀的樹脂貼合型光學元件的實用化的發展，非球面透鏡得到迅速普及。
樹脂貼合型光學元件是把樹脂層貼合在玻璃等的母材上。這種樹脂貼合型光學元件使用成形模具(金屬模具等)，通過在母材和成形模具之間注入樹脂組合物(包括樹脂前體組合物)并使其硬化，在母材表面形成所希望形狀的樹脂層的復合型非球面成形法等方法制造的。在本說明書中，把這種用復合型非球面成形法制造的透鏡稱做PAG透鏡。
在用復合型非球面成形法制造樹脂貼合型光學元件時，在母材上使樹脂硬化后，脫模時有時會損壞母材。特別是樹脂層厚的情況下，這種現象更嚴重。實際上不能制造最大膜厚850μm以上的厚樹脂層的PAG透鏡。
這種現象被認為是由于樹脂層和成形模具之間的粘結造成的。一般樹脂的脫模是對于露出元件外緣的母材，用拆卸器(突出的部件)施加脫離成形模具方向的力，從而把在此母材表面形成的樹脂層從成形模具上剝離下來。此時若母材的變形量在允許的范圍內，則樹脂層還粘在成形模具上不能剝離，但若超過了允許的變形范圍則因畸變造成母材破損。
為了達到這個目的，本發明提供一種具有母材和在母材表面形成的樹脂層的樹脂貼合型光學元件，其特征為在外緣(也就是樹脂層外緣端面1mm內的區域或有效直徑外的區域)至少有一部分的樹脂層厚度在300μm以下，樹脂層最厚位置的厚度在850μm以上。
此外，本發明提供一種形成具有母材和在母材表面形成的樹脂層的樹脂貼合型光學元件的樹脂層的成形模具，其特征為在此成形模具外側的外緣具有比此成形面曲率大的凹面；本發明還提供一種制造本發明的樹脂貼合型光學元件的方法，以及具有此種元件的光學制品。
圖2是具有臺階的光學元件的斷面圖。
圖3表示母材表面法線和樹脂層切面所成角度的說明圖。
圖4為表示本發明光學元件結構例的斷面圖。
圖5為表示實施例1的光學元件的制造工序的說明圖。
圖6是表示實施例1中制作的光學元件樹脂厚度的曲線圖。
圖7表示實施例2使用的金屬模具的斷面圖。
圖8表示實施例2使用的金屬模具外緣部位的斷面圖。
圖9表示實施例2使用的金屬模具制造工序的說明圖。
本發明詳述如
圖1所示，本發明的樹脂貼合型光學元件外緣(也就是從樹脂層11外緣端面17開始的1mm內的區域或有效直徑外的區域)的樹脂層11厚度至少有一部分在300μm以下(最好100μm以下)，樹脂層11厚度的最大值在850μm以上(最好1mm以上)此外，為了得到必要的強度以及光學特征等，樹脂層11的厚度不必拘泥于外緣部的內外。通常20μm以上為理想。在圖1中給出的是樹脂層成形面為凸面的光學元件的例子，本發明并不僅限于此。
雖然樹脂層的厚度整個外緣都在300μm以下為最好，但至少有一部分在300μm以下就足夠了。這是由于在把它脫模時，施加脫模的力附近的樹脂膜厚度是這樣大小就可以了。在本發明中距離施加脫模的力的部位(也就是拆卸器推壓的部位)最近的樹脂層端部周圍1mm內的樹脂厚度在300μm以下就可以。
所謂外緣是從樹脂層外緣端面1mm以內的區域，或有效直徑外的區域。所謂有效直徑內的區域是指光學設計中光束通過的區域，即保證設計的光學特性的區域，所謂有效直徑外的區域是指它以外的區域。一般，元件的樹脂層厚度是要根據要求的光學特性嚴格確定的，在有效直徑外的話，對元件的光學特性沒有影響，所以可以適當的選擇層厚。
本發明的光學元件，理想的情況為在外緣至少有一部分樹脂層厚度向外緣逐漸減薄。最好樹脂層的厚度不是隨著形成臺階發生急劇的變化，這樣不僅容易制作成形模具，還可以避免在注入樹脂組合物成形時樹脂不流入而產生的缺陷。
通過本發明，如以下a～k所示，即使是對于以往不可能具有的最大膜厚850μm以上樹脂層的樹脂貼合型光學元件，脫模時也不會損壞母模，而且制造的成品率也會提高。
a.如圖1所示，樹脂層11的最大膜厚12是最小膜厚13的4倍。
b.樹脂層11的總質量為700mg以上。
c.樹脂層11的外徑14為34mm以上。
d.母材10的厚度最大值為10mm以上。
e.母材10的厚度最小值為1mm以上。
f.母材10的外徑15為35mm以上。
g.如圖2所示，母材10的樹脂層11成形面為凹面，母材10的外緣有向外周突出的臺階16(例如用于安裝在鏡筒上的固定部位)。為了表示清楚，省略了圖2的剖面線。
h.如圖3所示，母材10和樹脂層11的界面20的法線21，與此法線21相交的樹脂層11外側切面22的夾角23的最小值為80°以下。
i.如圖4所示，母材10的樹脂層11成形面為凹面，此樹脂層11的外徑14為此凹面曲率半徑31的1.2倍以上。
j.如圖4所示，母材10的樹脂層11成形面為凹面，此樹脂層11成形面的凹面曲率半徑31為24mm以下。
k.母材的樹脂層成形面為凸面，樹脂層外徑為此凸面曲率半徑的1.2倍以上。
通過本發明可以得到合格率高的、具有最大膜厚更大的樹脂層的樹脂貼合型光學元件。
本發明的光學元件使用的母材沒有特別的限定，可使用溶膠凝膠玻璃、無機玻璃、有機玻璃等，一般采用折射率nd＝1.4～2.0、vd＝20～100左右的透明材料。可是在不使用曝光進行樹脂硬化的情況下，作為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況下，從成型模具側曝光時作為母材也可使用不透明材料或半透明材料。
無機玻璃的組成成分有SiO2、B2O3、P2O5、Na2O、K2O、CaO、BaO、MgO、ZnO、PbO、MnO、Al2O3、Fe2O3等。有機玻璃的組成成分有聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酯、賽璐珞、纖維素衍生物等。
在本發明中構成樹脂層的樹脂沒有特別的限定，用成形模具可以成形的話，可適當選用感光性樹脂、熱固化性樹脂、熱可塑性樹脂等。本發明中適宜的熱固化性樹脂有環氧樹脂、聚氨脂樹脂、硫代氨基甲酸乙酯、不飽和聚酯樹脂、鄰苯二甲酸二烯丙基酯樹脂、以及眾所周知的商品名CR-39的二甘醇二烯丙基碳酸酯等。此外熱可塑性樹脂有聚甲基甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。而且感光性丙烯基樹脂和感光性甲基丙烯樹脂等為本發明優選。本發明的光學元件使用的樹脂組合物聚合前的粘度在室溫為50000cP以下最理想。超過50000cP的話，有時會使工藝性惡化和產生混入氣泡的問題。
本發明用的樹脂組合物包括樹脂(或其前體)，根據需要適當加入聚合劑(硬化劑)、聚合開始劑、脫模劑、耐擦傷劑等。
聚合劑和聚合開始劑可根據使用的樹脂種類、硬化條件、需要的膜的特性等適當選擇。脫模劑可使用中和性或非中和性磷酸鹽乙醇等。耐擦傷劑具有使硬化物表面平滑，從而提高耐擦傷性，抑制缺陷發生的效果。此擦傷劑有四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯羥基三甲氧基硅烷、γ-環氧丙基羥基三甲氧基硅烷，或主鏈的一部分有Si-O結合(聚合物)的丙烯酸酯等的硅氧化物。
本發明的樹脂貼合型光學元件有透鏡、棱鏡、衍射光柵等，本發明特別適于使用非球面透鏡的情況，能夠得到很好的效果。也適用于非球面反射鏡。
本發明的光學元件特別適合用于要求小型化和輕量化的模擬照片照相機、數字照片照相機的照片照相機、攝像機、以及它們的替換透鏡、眼鏡鏡片、望遠鏡、雙筒鏡、顯微鏡、光盤和光磁盤讀取用的拾波透鏡等的光學制品。因此在本發明中還提供具有本發明光學元件的這些光學制品。
本發明的樹脂貼合型光學元件的樹脂層，其成形面可以利用與上述樹脂形狀相反形狀的成形模具成形。通過本發明的樹脂貼合型光學元件樹脂層的成形，由于成形時可以使樹脂層外緣的外側產生積存樹脂的厚度更薄，所以最好在成形面外側的外緣(以下有時僅稱為成形面外緣)使用具有比此成形面曲率大的凹狀曲面的成型模具。
因此，在本發明中提供樹脂貼合型光學元件樹脂層成形用成形模具，其成形面外側的外緣具有比此成形面曲率大的凹狀的曲面。采用這樣的成形模具成形，要成形的樹脂層表面(母材一側為里面)凹凸都可以，既有凹又有凸的透鏡成形也可以使用，特別是凹透鏡(樹脂層表面為凹形的透鏡)成形時效果更好。
成形面外緣的凹形曲面(以下有時僅稱為凹形曲面)在有效直徑外0.1mm以上較為適宜，最好在有效直徑外0.2mm以上。理想情況下此曲面端部(從有效直徑內側看的曲面開始的位置，也就是從成形面曲率開始發生曲率改變的位置)距有效直徑不要大于0.5mm。此凹形曲面凹陷成與包括對應的成形樹脂層光軸的軸的斷面相反的圓弧狀最為適宜，它的曲率比成形面大的話，可適當確定，一般半徑0.6～1.5mm。成形對象元件的母材和成形模具外緣的間隔在1mm以內最為適宜。
本發明的成形模具其材質可以通過切削加工制造，也可以通過研磨加工制造。例如用非電解鎳這樣的可切削加工的材料制作成形模具時，用切削面曲率小的切削工具通過仿型切削加工，可以形成成形模具的成形面外緣的凹形曲面。
但是，雖然這種可以切削的材料成形容易，但也容易受到損傷，所以經常使用壽命短。此外，由于使用這種方法在切削的中途需要更換切削工具，從而不但使成本提高，而且容易在成形面形成臺階。
因此，為了大量生產光學元件，使用單晶硅、SiC、CVD(化學蒸鍍)-SiC、WC、SKD、淬火鋼等硬材料制作成形模具最為適宜。可是這些材料不能用切削加工成形，必須要用研磨加工成形，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(也就是曲率半徑小)的凹形曲面。
通過研磨加工制作成形模具時，要使用成形砂輪，成形砂輪的研磨面至少有一部分具有與要求的成形模具的成形面相反的形狀，利用此研磨面的形狀進行仿型，就可以得到在成形面外緣具有比成形面曲率大的凹形曲面的成形模具。用這種使用成形砂輪仿型研磨面形狀的方法，即使是曲率半徑小(例如曲率半徑3mm以下)的凹形曲面也可以低成本方便的成形。
例如可以把黃銅等可切削加工的材料進行切削加工，制成成形砂輪的基底，在此研磨面上粘上磨料，制作成形砂輪。磨料最好使用單晶或多晶的金剛石、CBN(Cubic Boron Nitride)等硬質磨料。此外磨料的粘接可通過鎳合金等的電鍍進行。
優選實施例下面的實施例從母材一側用光(紫外線)照射樹脂層，成形模具使用金屬模具。但是本發明并不限于這種方式，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過光的材料的情況下，由于通過從模具一側照射使樹脂組合物硬化，母材不透明也可以。
然后用拆卸器推壓玻璃母材10的外緣54，使樹脂層11脫離模具52，得到PAG透鏡。樹脂層11的外徑38mm、最大樹脂層厚度850μm、有效直徑外(從樹脂層外緣端面向內1mm以內)的樹脂層厚度300μm以下、樹脂量700mg。脫模時玻璃的變形量為20μm。
本實施例得到的PAG透鏡的樹脂層具有最大樹脂層厚度850μm、最小厚度100μm的大的非球面形狀。盡管是做這樣大的非球面形狀，也能在樹脂層上正確地仿型成所希望的非球面形狀，脫模時不損壞母材，能夠得到具有精密的非球面的PAG透鏡。曾經以同樣條件做10個PAG透鏡透鏡，任何一個透鏡都沒有使母材發生損壞。
如圖7和圖8所示，本實施例使用的模具70在成形面外緣有凹形曲面。為了使包含對應于要成形的樹脂層光軸的軸71的斷面形成曲率半徑1mm的相反的圓弧狀，此凹形曲面從有效直徑一側看的開始位置83在要成形透鏡有效直徑(33.4mm)外0.3mm。
通過本實施例的模具70，由于在成形面外緣有凹形曲面73，與使用沒有本實施例那樣的凹形曲面的實施例1的模具52的情況下成形時的積存樹脂82相比，積存樹脂81可以薄得多。
本實施例模具70是這樣制作的。首先把黃銅進行切削加工，制作如圖9(a)所示的成形砂輪的基底90，然后在研磨面上使用混合磨料的鍍液，進行鎳合金鍍。用這樣的方法可以得到圖9(b)所示的在研磨面有磨料的鍍層91的成形砂輪92。該砂輪92的研磨面是成形對象的模具70的成形面相反的形狀。也就是此成形砂輪92的研磨面的內側有凸形曲面93。
然后如圖9(c)所示，使砂輪92轉動，同時不斷向研磨面供給研磨液，將模具70的成形面的側表面壓在砂輪92的研磨面上，就可以使模具70表面形成砂輪92的研磨面的形狀。如圖7和圖8所示，采用這樣的方法就可以得到成形面外緣呈凹形曲面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，與實施例1相同，制作PAG透鏡時都沒有使母材發生損壞。對比例1與實施例1相同曾經制作了10個PAG透鏡，但是有效直徑外的樹脂層膜厚為800μm。各透鏡脫模時玻璃的變形量平均為80μm，發現10個中有5個使母材發生損壞。
盡管以上已經圖示并說明了按照本發明的幾個實施例，但應理解，在不偏離本發明范圍的前提下可以對以上所述實施例進行修改和變換。這里所圖示和說明的細節不對本發明構成任何限制，本發明包含所有在所附權利要求范圍內的修改和變換。
權利要求
1.一種樹脂貼合型光學元件，具有母材和在此母材表面形成的樹脂層，其特征為上述的樹脂層在其外緣端面內1mm區域，至少有一部分厚度在300μm以下，上述樹脂層最厚位置的厚度為850μm以上。
2.一種樹脂貼合型光學元件，具有母材和在此母材表面形成的樹脂層，其特征為上述的樹脂層有效直徑外的區域至少有一部分厚度在300μm以下，上述樹脂層最厚位置的厚度為850μm以上。
3.如權利要求2所述的樹脂貼合型光學元件，其特征為上述樹脂層有效直徑外區域的至少一部分其樹脂層厚度向外周逐漸減薄。
4.一種成形模具，是用于在具有母材和在此母材表面上形成的樹脂層的樹脂貼合光學元件上形成此樹脂層的成形模具，其特征為在成形面外側的外緣上具有比此成形面曲率大的凹形曲面。
5.一種光學制品，其特征為具有如權利要求1所述的樹脂貼合型光學元件。
6.一種光學制品，其特征為具有權利要求2所述的樹脂貼合型光學元件。
7.一種光學制品，其特征為具有權利要求3所述的樹脂貼合型光學元件。
8.一種樹脂貼合型光學元件的制造方法，其特征為使用在成形面外側的外緣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樹脂層的樹脂層貼合光學元件上形成此樹脂層。
全文摘要
本發明提供了一種樹脂貼合型光學元件,其具有母材10和在此母材表面形成的樹脂層11,在外緣(也就是樹脂層外緣端部17向內1mm的區域,或有效直徑外的區域)至少有一部分樹脂層11的厚度在300μm以下,樹脂層最厚位置的厚度12在850μm以上;本發明還提供上述光學元件的成形模具和制作方法及含有該光學元件的光學制品。
文檔編號C03C17/32GK1356564SQ0113981
公開日2002年7月3日 申請日期2001年11月29日 優先權日2000年11月30日
發明者宮川晶子, 石山裕史 申請人:株式會社尼康