专利名称：光学元件形成装置及其方法
技术领域：
本发明涉及光学元件的形成装置和方法，其中光学元件诸如弯月透镜由诸如玻璃或塑料的材料通过压制成形而形成。
背景技术：
弯月透镜是包括将一侧表面限定为凹面并且将另一侧(相反)表面限定为凸面的透镜。弯月透镜在类别上可以宽泛地分为凸弯月透镜和凹弯月透镜。凸弯月透镜是在光学有效区范围内的径向外部薄于其中心部分的透镜。即，在凸弯月透镜中，其凸面的曲率半径小于其凹面的曲率半径。另一方面，凹弯月透镜是在光学有效区范围内的径向外部厚于其中心部分的透镜。即，在凹弯月透镜中，其凸面的曲率半径大于其凹面的曲率半径。在卡片型数字照相机等内部，弯月透镜例如用作光学透镜镜筒的透镜，利用棱镜起所谓光轴弯曲系统作用。特别是，非球面凹弯月透镜由于大量的需求和重要的透镜引起人们注意，因为非球面凹弯月透镜可以简化光学透镜镜筒的结构。
关于弯月透镜的形成(制造)，具有基于研磨和抛光的方法和诸如玻璃或塑料的材料通过压力成形来模制的方法。现在要引起注意的是基于压力成型的制造方法朝非球面化弯月透镜发展(即，朝将弯月透镜设计成非球面发展)。作为压力成形制造弯月透镜的方法，有一种方法是加热预制成颗粒形(球形)的材料，即，称为“预型材料(preform material)”，并利用压力加工变形成弯月透镜，还有一种方法是加热预制成片形的材料，并利用压力加工变形成弯月透镜(例如，参见公开的日本专利申请No.H06(1994)-9228，公开的日本专利申请No.H09(19977)-295817，和公开的日本专利申请No.2002-249327)。
使用颗粒形(球形)预型材料的方法存在这样的问题，颗粒形预型材料需要许多步骤进行变形并且压力加工花很长时间。这是因为将颗粒形预型材料变形成弯月透镜的变形程度(量)很大。
使用片形预型材料的方法具有这样的优点，与使用颗粒形预型材料的情况相比，将变形预型材料变形成弯月透镜的变形程度低，从而可以缩短压力加工所需的时间。这是因为弯月透镜通过弯曲片形预型材料形成。另一方面，当片形预型材料101放在下模102上端的大致球面凹部103上时，如图13所示；片形预型材料101的下端边缘部分101a与大致球面凹部103接触，使得在片形预型材料101的下表面侧产生空间104。在空间104内部，在模制腔(室)内充入的气体诸如氮气被密封。在这种状态下，当片形预型材料101通过上模105下端的大致球面凸部106随着上模105向下移动而变形，如图14所示，结果密封的气体在弯月透镜111下表面侧产生凹陷(凹)部分112，如图15所示。因此，存在影响弯月透镜的产值的问题。
为了解决密封气体的问题，正在研制一种形成装置，其中在真空条件下进行片形预型材料的挤压。而且，还正在研制另一种形成装置，其中通过出口(排气孔)122将密封的气体121排放到外面，如图16所示(参见公开的日本专利申请No.H03(1991)-131537)。
发明内容
可是，采用在真空条件下进行片形预型材料的挤压的形成装置的情况，存在需要真空单元等的问题，从而装置(的系统)复杂化，成本增加。而且，在采用通过出口将密封的气体排放到外面的形成装置的情况，存在这样的问题光学材料诸如玻璃进入出口122，从而在光学元件123中形成突起124，如图17所示。
即使突起124不会很大程度上降低光学元件123诸如透镜的光学性能，最好还是没有突起124。因此，在这种光学元件的形成装置或形成方法中，用更简单的方法更可靠地防止气体的密封(封闭)、不形成上述突起被认为是重要的问题。
因此，期望提供形成装置和形成方法，即使在气体诸如惰性气体(例如，氮气)内形成光学元件的情况下，设法不需要复杂的单元，诸如真空单元，并且防止气体的密封，从而抑制由于气体密封产生的缺陷(低质量)产品。
根据本发明的实施例，提供光学元件的成形装置，包括第一成形模，包括具有大致球面的成形凸部，该成形凸部适于使被加热并软化的光学元件材料的第一主面的这侧凹进去成大致球面形式，而且适于使位于与第一主面相反位置的光学元件材料的第二主面这侧突出成大致球面形式；第二成形模，包括具有大致球面的成形凹部，通过将光学元件材料夹入第一成形模的成形凸部和第二成形模的成形凹部之间，该第二成形模的成形凹部适于形成光学元件材料的第二主面这侧；成形模驱动机构，适于沿彼此离开方向和彼此相向方向移动第一成形模和第二成形模；和光学元件材料保持机构，适于在第一成形模和第二成形模之间保持光学元件材料的边缘部分，从而在保持光学元件材料与第二成形模在非接触状态时让第一成形模能够通过压力使光学元件材料变形。
根据本发明另一实施例，提供光学元件的形成方法，包括以下步骤加热和软化光学元件材料；在保持光学元件材料与第二成形模的大致球面成形凹部在非接触状态时，通过将第一成形模的大致球面成形凸部压向光学元件材料的第一主面上，将光学元件材料的第一主面凹进去，同时，使位于第一主面对面的光学元件材料的第二主面这侧、以大致球面的形式突出；将位于光学元件材料的第二主面这侧的突出部分的顶部放置在第二成形模的大致球面成形凹部的中心部分；和通过在第一成形模的成形凸部和第二成形模的成形凹部之间压挤光学元件材料，使光学元件材料的第一主面沿第一成形模的成形凸部的大致球面变形，同时，使光学元件材料的第二主面沿第二成形模的成形凹部的大致球面变形。
图1是表示光学元件形成过程的示意性剖面图。
图2是表示光学元件形成过程的示意性剖面图。
图3是表示光学元件形成过程的示意性剖面图。
图4是表示光学元件形成过程的示意性剖面图。
图5是表示光学元件形成过程的示意性剖面图。
图6是光学元件材料保持机构的斜角透视图。
图7是形成的光学元件的斜角透视图。
图8是表示光学元件形成过程的流程图。
图9是表示根据另一实施例的光学元件形成过程的示意性剖面图。
图10是表示根据另一实施例的光学元件形成过程的示意性剖面图。
图11是表示根据另一实施例的光学元件形成过程的示意性剖面图。
图12是表示根据本发明的形成过程的比较实例的剖面图。
图13是表示现有技术的光学元件形成过程的示意性剖面图。
图14是表示现有技术的光学元件形成过程的示意性剖面图。
图15是表示与用现有技术形成过程形成的光学元件相关的问题的剖面图。
图16是另一现有技术的剖面图。
图17是表示另一现有技术的问题的剖面图。
具体实施例方式
下面描述本发明实施例的光学元件形成装置和形成方法。图1-5是表示光学元件形成装置中形成光学元件的过程的剖面图(在下文中，简称为形成装置1)。形成装置1包括第一成形模3、第二成形模4、和成形模驱动机构。第一成形模3包括具有大致球面(其在截面上具有大致圆弧)的成形凸部3a。成形凸部3a用于将通过加热装置(未示出)加热和软化的光学元件材料2的一个表面2a这侧(在下文中，称为第一主面)凹进去(形成凹陷)，使第一主面2a变成大致球面(其在横截面上具有大致圆弧)。成形凸部3a也用于使位于与第一主面2a相反侧的另一表面2b这侧(在下文中，称为第二主面)突起，使第二主面2b变成大致球面(其在横截面上具有大致圆弧)。第二成形模4包括具有大致球面(其在截面上具有大致圆弧)的成形凹部4a。通过将光学元件材料2夹在成形凹部4a和第一成形模3的成形凸部3a之间并且压挤它，成形凹部4a用于形成大致球面形状的光学元件材料2的第二主面2b这侧。成形模驱动机构5用于沿彼此离开的方向和彼此相向的方向移动第一成形模3和第二成形模4。当形成光学元件时，在气体诸如惰性气体(例如，氮气)内操作形成装置1。
在第一成形模3和第二成形模4之间，设置光学元件材料保持机构6。光学元件材料保持机构6用于保持光学元件材料2的边缘部分(即，外边缘部分)，从而让第一成形模3通过压力能够使光学元件材料2变形，同时光学元件材料2与第二成形模4保持在非接触状态(即，在光学元件材料2与第二成形模4不保持接触的状态)。
光学元件材料2形成圆平板形，由具有玻璃转变点温度是550℃和屈服点温度是588℃的特性的光学玻璃制成。
第一成形模用于在光学元件材料2的第一主面2a这侧形成具有预定曲率半径的凹面2c(参见图7)。在第一成形模3的下端部，第一成形模3包括具有横截面为弧形曲面的成形凸部3a。
第二成形模4用于在光学元件材料2的第二主面2b这侧形成具有预定曲率半径的凸面2d(参见图7)。在第二成形模4的上端部，第二成形模4包括具有横截面为弧形的曲面的成形凹部4a。
成形凸部3a的曲率半径形成或设计成小于成形凹部4a的曲率半径。
成形模驱动机构5包括第一驱动部分5a和第二驱动部分5b。第一驱动部分5a适于相对第二成形模4上下移动第一成形模3，第二驱动部分5b适于相对第一成形模3上下移动第二成形模4。
光学元件材料保持机构4包括多个光学元件材料支架7和支架驱动机构8。光学元件材料支架7用于支撑径向地在透镜有效区外面的光学元件材料2的边缘部分。支架驱动机构8在图1-3所示的光学元件材料支撑位置、和图4和5所示的光学元件材料支撑释放位置之间移动多个光学元件材料支架7。
如图6所示，这些光学元件材料支架7的每一个形成将一个圆环分成两半的半圆形。当多个光学元件材料支架7通过支架驱动机构8移到图1-3所示的光学元件材料支撑位置时，这些光学元件材料支架7基本上变成类似圆环形，并通过将光学元件材料2的径向外侧的下端部2e、安装到在类似圆环形的光学元件材料支架7的径向内部设置的光学元件材料容纳部分9上来支撑光学元件材料2。即，每个光学元件材料支架7在其下方的径向内部形成光学元件材料容纳部分9。
接下来，将参照图8的流程图解释利用形成装置1形成光学元件方法的一个实例。
在如图1所示的步骤1的保持和加热过程中，设置在第一成形模3和第二成形模4之间的光学元件材料保持机构6保持光学元件材料2。然后，加热装置(未示出)加热和软化光学元件材料2。当温度达到光学元件材料2的黏度在Logη＝9和Logη＝10之间的预定值时，这种状态保持给定时间周期(例如，持续60秒)，即，直到光学元件材料2内部的温度不变。
在图2所示的步骤2的预压和变形过程中，第一驱动部分5a向下移动第一成形模3，并且将成形凸部3a移到光学元件材料2的第一主面2a。然后，第一驱动部分5a慢慢地降低成形凸部3a，从而使光学元件材料2的第一主面2a凹进去并且使第二主面2b这侧以大致球面形式突出(在横截面具有弧形的曲面)。这个突出部分的曲率半径(因此突出的第二主面2b)变成基本上与第一成形模3的成形凸部3a的曲率半径相同，并且小于第二成形模4的成形凹部4a的曲率半径。
在如图3所示的步骤3的模具安装(放置)过程中，第二驱动部分5b向上移动或放置第二成形模4，使得在光学元件材料2的第二主面2b这侧的突出部分的顶部2f与第二成形模4的大致球面成形凹部4a的中心部分接触。
在图4所示的步骤4的保持释放过程中，支架驱动机构8将光学元件材料支架7移到光学元件材料支撑释放位置，从而释放光学元件材料支架7对光学元件材料2施加的限制。
在如图5所示的步骤5的压挤过程中，第二驱动部分5b向上移动第二成形模4，从而在第一成形模3的成形凸部3a和第二成形模4的成形凹部4a之间压挤光学元件材料2。在压挤过程中，光学元件材料2的第二主面2b被挤压到第二成形模4的成形凹部4a。即，在第二主面2b顶部2f周围的边缘部分逐渐挤压到成形凹部4a上。同时，光学元件材料2的第一主面2a这侧挤压到第一成形模3的成形凸部3a上。然后，光学元件材料2的第一主面2a沿第一成形模3的成形凸部3a的大致球面变形，光学元件材料2的第二主面2b沿第二成形模4的成形凹面4a的大致球面变形。
在步骤6的冷却和取出过程中，在第一成形模3的成形凸部3a和第二成形模4的成形凹部4a之间压挤和变形的光学元件材料2通过冷却机构(未示出)冷却到预定温度，例如，200℃。然后，移动或打开第一成形模3和第二成形模4取出产品2。如图7所示，由平板形光学元件材料2，制造出第一主面2a这侧凹面2a的曲率半径小于第二主面2b这侧凸面2b曲率半径的凹弯月透镜(产品2)。
在形成凹弯月透镜的情况下，具有大致球面(弧形表面)的成形凹部4a的曲率半径形成(设计成)大于具有大致球面(弧形表面)的成形凸部3a的曲率半径。因此，当光学元件材料2的第一主面2a凹进去、并且使第二主面2b这侧以大致球面的形式突出时，通过抵靠光学元件材料的第一主面2a挤压第一成形模3的成形凸部3a、并降低成形凸部3a，如图2所示，该突出部分的曲率半径变成基本上与第一成形模3的成形凸部3a的曲率半径相同，并且小于第二成形模4的成形凹部4a。因此，如图3所示，因为光学元件材料2的第二主面2b这侧的突出部分的顶部2f与第二成形模4的成形凹部4a接触，因而防止在光学元件材料2下表面的中心部分产生气体存储空间(气孔)。当第二驱动部分5b升高第二成形模4时，光学元件材料2的第二主面2b挤压到第二成形模4的成形凹部4a上，从而使顶部2f周围的边缘侧从顶部2f连续地挤压到具有大致球面的成形凹部4a，如上所述，同时消除或去除在顶部2f周围存在的气体。即，强迫成形凹部4a从顶部2f逐渐朝第二主面2b与顶部2f周围的径向外部接触。最后，在第二主面2b这侧存在的气体完全排出到外面，因此，可靠地防止含有气体。
在形成凸弯月透镜的情况下，与形成凹弯月透镜的情况相反，具有大致球面的成形凹部4a的曲率半径形成(设计)为小于具有如图9所示的大致球面的成形凸部3a的曲率半径。因此，当通过将第一成形模3的成形凸部3a压靠光学元件材料2的第一主面2a并且如图10所示下降成形凸部3a、光学元件材料2的第一主面2a凹进去并且第二主面2b这侧形成为以大致球面的形式突出时，这个突出部分的曲率半径变成基本上与第一成形模3的成形凸部3a的曲率半径相同，并且大于第二成形模4的成形凹部4a的曲率半径。因此，如图11所示，光学元件材料2的第二主面2b这侧的突出部分的外边缘部分(外缘部分)2g与第二成形模4的成形凹部4a接触，从而在光学元件材料2的下表面侧密封气体。然而，多于接触部分(外边缘部分2g)的径向内侧进入第二成形模4的成形凹部4a，因为在光学元件材料2的第二主面2b这侧的突出部分具有大致球面(弧形表面)。因此，与如图12所示、作为比较实例的平板形光学元件材料101相比，能够减小存储在成形凹部4a内部空间的气体量。因此，能够最小化由于密封气体造成的不利影响。
在上述实施例中，以采用玻璃作为光学元件材料的情况作为例子。然而，例如，由ZEON公司制造的光学塑料ZEONEX(注册商标)或丙烯酸树脂可以用作光学元件材料2。而且，在上述实施例中，光学元件材料保持机构6包括在透镜有效区外面径向地制成光学元件材料2的边缘部分的多个弧形光学元件材料支架7。然而，通过朝光学元件材料2充入压缩气体等，光学元件保持机构6可以构成为在漂浮状态保持光学元件材料2。而且，上述实施例的大致球面(弧面)不仅意味着球面，而且意味着非球面。而且，在上述实施例中，光学元件的凹面和凸面形成球面形式。然而，光学元件的凹面和凸面可以形成非球面形式，或者光学元件的凹面和凸面可以以这样方式构成，凹面和凸面之一形成球面形式，凹面和凸面的另一个形成非球面形式。
本领域的普通技术人员应该理解，在附加权利要求或其等同物的范围内，根据设计要求和其它因素，可以存在各种变形、组合、次组合和变化。
本发明包含与2006年4月25日向日本专利特许厅提交的日本专利申请JP 2006-120183相关的主题，该申请的全部内容在本文中并入作为参考。
权利要求
1.一种光学元件的形成装置，包括第一成形模，包括具有大致球面的成形凸部，该成形凸部适于使已经加热和软化的光学元件材料的第一主面这侧凹进去成大致球面的形式，适于使位于第一主面对面的光学元件材料的第二主面这侧突出成大致球面的形式；第二成形模，包括具有大致球面的成形凹部，通过将光学元件材料夹入第一成形模的成形凸部和第二成形模的成形凹部之间，该第二成形模的成形凹部适于形成光学元件材料第二主面这侧；成形模驱动机构，适于沿彼此离开的方向和彼此相向的方向移动第一成形模和第二成形模；和光学元件材料保持机构，适于在第一成形模和第二成形模之间保持光学元件材料的边缘部分，从而在保持光学元件材料与第二成形模在非接触状态时让第一成形模能够通过压力使光学元件材料变形。
2.如权利要求1所述的形成装置，其中所述光学元件材料保持机构包括多个光学元件材料支架，适于支撑在透镜有效区外面的光学元件材料的边缘部分，和支架驱动机构，适于在光学元件材料支撑位置和光学元件材料支撑释放位置之间移动所述多个光学元件材料支架。
3.如权利要求1所述的形成装置，其中所述第一成形模的大致球面成形凸部的曲率半径形成为小于所述第二成形模的大致球面成形凹部的曲率半径。
4.一种光学元件的形成方法，包括以下步骤加热和软化光学元件材料；在保持光学元件材料与第二成形模的大致球面成形凹部在非接触状态时，通过将第一成形模的大致球面成形凸部压到光学元件材料的第一主面上，使光学元件材料的第一主面凹进去，并且同时，使位于第一主面对面的光学元件材料的第二主面这侧、以大致球面的形式突出；将位于光学元件材料的第二主面这侧的突出部分的顶部放置在第二成形模的大致球面成形凹部的中心部分；和通过在第一成形模的成形凸部和第二成形模的成形凹部之间压挤光学元件材料，使光学元件材料的第一主面沿第一成形模的成形凸部的大致球面变形，并且同时，使光学元件材料的第二主面沿第二成形模的成形凹部的大致球面变形。
5.如权利要求4所述的形成方法，其中利用所述第一成形模的大致球面成形凸部压挤和变形的所述光学元件材料的第一主面的凹面曲率半径形成为小于所述光学元件材料的第二主面的凸面曲率半径。
6.如权利要求4所述的形成方法，其中在所述变形步骤中，所述第一成形模的成形凸部挤压光学元件材料，该光学元件材料的位于第二主面这侧的顶部已经放置在所述第二成形模的大致球面成形凹部的中心部分，从而使位于第二主面这侧的顶部周围的边缘部分逐渐从所述顶部被压向所述第二成形模的大致球面成形凹部。
7.如权利要求4所述的形成方法，其中在所述加热和软化步骤中，待加热和软化的光学元件材料是平板形式的。
8.如权利要求4所述的形成方法，其中所述光学元件材料在所述光学元件材料被光学元件材料保持机构保持的条件下被加热和软化；和所述第一成形模的大致球面成形凸部被压向所述光学元件材料的第一主面，同时，所述光学元件材料保持机构保持所述光学元件材料，使其处于与所述第二成形模的大致球面成形凹部非接触的状态。
9.如权利要求4所述的形成方法，其中所述光学元件材料由玻璃制成。
10.如权利要求4所述的形成方法，其中所述光学元件材料由塑料制成。
全文摘要
一种光学元件的形成装置，包括具有成形凸部的第一成形模和具有成形凹部的第二成形模，成形模驱动结构，和光学元件材料保持机构。成形凸部适于将光学元件材料的第一主面这侧凹进去，而且适于将光学元件材料的第二主面这侧突出。成形凹部适于将光学元件夹入成形凸部和成形凹部之间而形成第二主面这侧。成形模驱动机构适于沿彼此分离和相向的方向移动第一成形模和第二成形模。光学元件材料保持机构适于保持光学元件材料的边缘部分，从而在保持光学元件材料与第二成形模在非接触状态时让第一成形模通过压力能够使光学元件材料变形。
文档编号B29D11/00GK101063722SQ20071010187
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者山道伸浩 申请人:索尼株式会社