专利名称：具有不透光支架的光学透镜的制作方法
背景技术：
投影电视机通常包括三个对应于红、蓝、绿三原色的阴极射线管(CRT)。投影透镜组件使用多个透镜来放大显示在CRT面板上的图像，并将所述图像投射到非常大的视屏上。用于投影电视的CRT通常具有3到9英寸的直径。投射到屏幕上的图像的大小从对角线进行测量通常是40到60英寸或者更大。
每个CRT都具有相应的放大透镜系统，所述透镜系统邻近CRT面板安装。通常，透镜组件由至少一个“A”透镜元件、至少一个“B”透镜元件和至少一个“C”透镜元件形成。不管透镜元件的数量是多少，这些透镜元件在本领域中通常称为“A”、“B”和“C”透镜组。即，每个“透镜组”都可以由一个或多个透镜元件组成。“B”透镜组通常包括由玻璃制成的透镜，而“A”和“C”透镜组可以包括由塑料制成的透镜。但是，应该理解，每个透镜组都可以包括一个或多个由玻璃制成的透镜以及一个或多个由塑料制成的透镜。或者，透镜组件可以全部是玻璃透镜或者全部是塑料透镜。
这些透镜通常包括安装在透镜上的安装法兰。该安装法兰可以被遮蔽以阻挡不需要的光透过法兰或接近法兰。另外，掩膜可以沿着光学曲线延伸到该曲线的某一位置处，在该位置上允许光通过透镜或“通光孔径”。
此外，也可以将掩膜喷涂到法兰上。然而，喷涂掩膜会带来这些缺点需要施加掩膜的附加步骤以及后续的清洁过程；在喷涂过程中会释放多余的挥发性有机组分；在喷涂和清洁过程中产生有害的废物以及对进一步处理造成的困难等等，这里只列出了其中的几个缺点。
发明内容
一般而言，本发明涉及光学元件，所述光学元件可用于多种应用中，例如，这些应用包括用于显示器(比如投影电视)的光学透镜组件以及含有所述光学元件的显示器和其它设备。
在一个实施例中，光学元件包括非平面透镜，所述非平面透镜具有透镜周边以及围绕该透镜周边的整体法兰。所述法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对。不透明的环形塑料掩膜层熔接到法兰的第一表面或法兰的第二表面，并延伸到非平面透镜上。
在另一个实施例中，投影电视包括光源、显示媒介以及置于该光源和该显示媒介之间的透镜元件。所述透镜元件包括非平面透镜，所述非平面透镜具有透镜周边以及围绕该透镜周边的整体法兰。所述法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对。不透明的环形塑料掩膜层熔接到法兰的第一表面或法兰的第二表面上。
在另一个实施例中，形成光学元件的方法包括如下步骤形成非平面透镜，所述非平面透镜具有透镜周边和围绕该透镜周边的整体法兰，所述法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；将不透明的环形塑料掩膜层熔接到法兰的第一表面或法兰的第二表面，并延伸到非平面透镜上。
本发明的以上概述其本意并不是描述本发明的每一种公开实施例或每一种实施方式。下文中的附图、详细描述和例子更具体地举例说明这些实施例。
考虑到下文结合附图对本发明各种实施例所进行的详细描述，可以对本发明更全面地理解，其中图1是根据本发明实施例的透镜的透视图；图2是图1所示的透镜的正视图；图3是根据本发明实施例的不透明的环形塑料掩膜层的透视图；图4是用于制造图1所示的透镜的模面的正视图；
图5是在形成透镜之前沿图4中的线5，6-5，6截取的模面的剖视图；图6是在形成透镜之后沿图4中的线5，6-5，6截取的模面的剖视图；图7是投影电视显示系统的示意图。
尽管本发明可以有各种各样的修改和可选形式，但其细节已经在附图中以示例的方式示出并将详细地对其进行阐述。不过，应当理解，本发明并不局限于所述的特定实施例。相反地，本发明覆盖落入本发明的精神和范围内的所有的修改、等同物及替换。
具体实施例方式
本发明的光学元件以及制造光学元件的方法被认为可适用于需要带掩膜的光学元件的各种应用，例如，这些应用包括光学组件、光学投影系统(例如投影电视)以及含有光学组件的显示器及其它设备。尽管本发明并不局限于此，但通过以下提供的例子的讨论，将可以更好地理解本发明的各个方面。
对于以下所定义的术语，除了在权利要求书中或在本说明书中另外给出不同的定义之外，这些定义都是适用的。
术语“聚合物”将被理解为包括聚合物、共聚物(例如，用两种或更多不同单体形成的聚合物)、低聚物及其化合物、以及可用例如共挤法或包括酯交换反应的化学反应以可混合的形式形成的聚合物、低聚物、共聚物。除非另外说明，否则嵌段共聚物和无规共聚物都包括在内。
术语“塑料”是指可与其它成分例如固化剂、填料、增强剂、着色剂、增塑剂等化合的聚合物，通常为合成物；该混合物可在热和压力下成形或模制，经过高尺寸精度地加工、修整，然后在其硬化状态下进行精加工。其中，热塑性型塑料通过加热可再软化回其原始状态，热固性性塑料通过加热不能再软化回其原始状态。
术语“熔接”、“正熔接”或“已熔接”是指用能量例如热能将各元件接合、结合、焊接在一起。
短语“非平面透镜”是指具有球面或非球面透镜的透光制品，所述球面或非球面透镜是凹的、凸的、双凹的、双凸的透镜等等。
由端点值表述的数值范围包括包含在该范围内的所有数值(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
如本说明书以及附加权利要求书中所使用的那样，单数形式的“一种”、“一个“和“这个”包括多个所指对象，除非另有内容明确地指出。因此，例如，包含“一种化合物”的混合物的表述包括含两种或多种化合物的混合物。如本说明书以及附加权利要求书中所使用的那样，术语“或”一般地以包括“和/或”的意义使用，除非另有内容明确地指出。
图1是根据本发明实施例的透镜100的透视图。非平面透镜100的弯曲部分101具有周边110和整体法兰120，该法兰120沿周边110围绕非平面透镜100的弯曲部分101。
法兰120具有第一表面123、与第一表面123相对的第二表面127，以及法兰厚度125，该厚度125由第一表面123和第二表面127之间的距离限定。法兰120可具有任何需要的厚度125。法兰120的厚度125可以为至少0.1mm、或1mm～25mm或者1mm～10mm。法兰的第一表面123和法兰的第二表面127可以是平的。透镜100的法兰120和弯曲部分101可以由热塑性塑料例如聚丙烯酸酯或聚碳酸酯形成。
不透明的环形塑料掩膜层130在透镜周边110内熔接到透镜100的弯曲部分101(形成通光孔径)上，并且熔接到第一表面123或第二表面127上，或者熔接到第一表面123和第二表面127这两个表面上。另外，不透明的环形塑料掩膜层130可以熔接到第一表面123的一部分或者整个第一表面123上。不透明的环形塑料掩膜层130也可以熔接到第二表面127的一部分或者整个第二表面127上。不透明的环形塑料掩膜层130可以仅熔接到第二表面127的一部分上和/或第一表面123的一部分上。此外，不透明的环形塑料掩膜层130可以不延伸在透镜100的透镜周边110或弯曲部分101内，或者甚至可以不延伸到透镜100的透镜周边110或弯曲部分101上，这根据透镜100的具体应用而定。
不透明的环形塑料掩膜层130的厚度可以为0.1mm～1mm(0.004至0.04英寸)或者0.2mm至0.4mm(0.007至0.015英寸)。法兰120和不透明的环形塑料掩膜层130的同心度可以不超过1mm、不超过0.75mm或者不超过0.5mm。
塑料掩膜层130的玻璃化转变温度(Tg)可以等于或大于凹透镜玻璃化转变温度或凸透镜玻璃化转变温度(Tg)。塑料掩膜层130的玻璃化转变温度(Tg)优选比凹透镜玻璃化转变温度或凸透镜玻璃化转变温度(Tg)大1-50％或1-25％、1-15％或1-10％。不透明的环形塑料掩膜层130可以由热塑性塑料例如聚丙烯酸酯或聚碳酸酯形成，并且可以包含染料或颜料(黑色、灰色、褐色等)以提供不透明性。
虽然图1示出“C”透镜100，但是本文涉及含有掩膜层的任何透镜。另外，在投影电视的情况下，透镜100可以是“A”透镜、“B”透镜、“C”透镜等。
图2是图1所示的非平面透镜100的正视图。非平面透镜200具有被透镜周边210围绕的弯曲部分210和围绕该透镜周边210的法兰表面223。不透明的环形塑料掩膜层230可熔接到法兰表面223、透镜周边210以及弯曲部分201上。法兰的宽度Fw为1mm～75mm或者3mm～25mm或者5mm～15mm。不透明的环形塑料掩膜层230可具有大于法兰宽度Fw的宽度Mw，从而使得不透明的环形塑料掩膜层230在透镜周边210内延伸到透镜200的法兰表面223的整个宽度以及弯曲部分201上。不透明的环形塑料掩膜层230的宽度Mw可比法兰宽度Fw大至少1％、10％、20％或30％。不透明的环形塑料掩膜层230的宽度Mw可以等于法兰宽度Fw的宽度Mw。另外，不透明的环形塑料掩膜层230可具有小于法兰宽度Fw的宽度Mw，从而使得不透明的环形塑料掩膜层230从透镜200的弯曲部分201或透镜周边210延伸到法兰表面223上，不透明的环形塑料掩膜层230的宽度Mw可以比法兰宽度Fw小至少1％、10％、20％或30％，这样使得法兰表面223的一部分上没有不透明的环形塑料掩膜层230。
法兰223可具有内法兰直径FID(即Fid)和外法兰直径FOD(即Fod)。掩膜230可具有内掩膜直径MID(即Mid)和外掩膜直径Mod(即MOD)。外掩膜直径Mod可以等于或小于外法兰直径Fod外掩膜直径Mod可以比外法兰直径Fod小1-20％、1-10％或1-5％。内掩膜直径Mid可以等于或小于内法兰直径Fid。另外，内掩膜直径Mid可以比内法兰直径Fid小1-20％、1-10％或1-5％。因此，一部分掩膜230可以熔接到透镜周边210，并且延伸到透镜200的弯曲部分201上。
图3是根据本发明实施例的不透明的环形塑料掩膜层300的透视图。不透明的环形塑料掩膜层300具有第一掩膜表面323和相对的第二掩膜表面327以及掩膜厚度Mt，该掩膜厚度Mt由第一掩膜表面323和第二掩膜表面327之间的距离的限定。不透明的环形塑料掩膜层300被熔接到透镜100，200之前可以是平的。不透明的环形塑料掩膜层300具有如上所述的内掩膜直径Mid和外掩膜直径Mod。
图4是用于制造图1所示的透镜100的模面400的正视图。所示的模面400用于注模成型过程，但是本文涉及任何使用热和压力以形成透镜的过程。模面400可具有非平面透镜表面410。所示的透镜表面410是凸表面。法兰凹部420围绕透镜表面410，在法兰凹部420和透镜表面410之间设有过渡部405。真空孔430可以设置在法兰凹部420内。外壁415围绕法兰凹部420。允许熔融透镜材料进入模面400中的闸道440贯穿法兰凹部420而设置。
图5是在形成透镜100之前沿图4中的线5，6-5，6截取的模面的剖视图。模面500可具有非平面透镜表面510。所示的透镜表面510是凸表面。法兰凹部520围绕透镜表面510，在法兰凹部520和透镜表面510之间设有过渡部505。真空孔530可以设置在法兰凹部520内。外壁515围绕法兰凹部520。允许熔融透镜材料进入模面500中的闸道540贯穿法兰凹部520而设置。
不透明的环形塑料掩膜层550被示出设置在法兰凹部520内。不透明的环形塑料掩膜层550包括超出过渡部505而延伸到透镜表面510上的部分555。该部分555可以在透镜表面510之上延伸任何距离，例如延伸1mm～5mm或者2mm～4mm。模面500可足够热以使得不透明的环形塑料掩膜层550发生如图5所示的变形，或者由于用力将透镜材料推入模具内所施加的压力、或由如图6所示的模具面板施加的压力而使得不透明的环形塑料掩膜层550可以发生如图5所示的变形。
真空孔530可以对不透明的环形塑料掩膜层550施加真空，以使不透明的环形塑料掩膜层550保持在位，但是也可以使用其它的定位装置。闸道540可设置在外壁515内，这样使得熔融的透镜材料在不透明的环形塑料掩膜层550的顶部流动。掩膜层550可稳固地安装在法兰凹部520中，以紧靠外壁515而形成紧密配合，或者掩膜层550可安装在法兰凹部520中，但是该掩膜层550与外壁515隔开一定距离，例如隔开0.1mm～1mm(0.004至0.04英寸)或者0.2mm～0.4mm(0.007至0.015英寸)或0.3mm(0.012英寸)。
图6是在形成透镜100之后沿图4中的线5，6-5，6截取的模600的剖视图。模具面板670可以放置在透镜表面610上，从而形成型腔，在该型腔中可形成透镜100。熔融透镜材料可以是任何透明的热塑性材料，该熔融透镜材料通过闸道640进入模600，并且流到不透明的环形塑料掩膜层650(包括延伸超过过渡部605的部分655)之上。同时，熔融透镜材料也流到形成透镜的弯曲部分660的透镜表面610之上。从而熔融透镜材料形成法兰665和透镜的弯曲部分660。熔融透镜材料与不透明的环形塑料掩膜层650熔接，以形成单一元件。
在形成透镜100的过程中，模600的温度可以是足以使不透明的环形塑料掩膜层650变形成法兰凹部630和透镜表面610的任何有用温度，例如70℃至100℃。熔融透镜材料可以具有足以使不透明的环形塑料掩膜层650熔接到法兰665和/或透镜的弯曲部分660上的任何有用温度，例如200℃至300℃。可以在任何有用的压力例如7,000kPa下填充模600。可以在任何有用的压力例如70,000kPa下形成透镜100。
图7是投影电视显示系统700的示意图。投影电视显示系统700包括光源710(例如阴极射线管)、显示媒介730以及置于光源710和显示媒介730之间的透镜组件720。光源710发射光715。透镜组件720将发射光715转换成投影到显示媒介上的光725。在例如美国专利No.6,441,976和美国专利申请公报US 2002/0101668A1中可以找到透镜组件720的细节。
不应认为本发明局限于上述特定的例子，而应认为它覆盖了如所附的权利要求中所清楚地提出的本发明的所有方面。对于本领域的技术人员而言，经过对本发明的说明书的阅读，本发明可适用的各种修改、等效处理、以及各种结构都是显而易见的。
权利要求
1.一种光学元件，包括a)非平面透镜，其具有透镜周边和围绕所述透镜周边的整体法兰，所述法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及b)不透明的环形塑料掩膜层，其熔接到所述法兰的第一表面或所述法兰的第二表面，并延伸到所述非平面透镜上。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述不透明的环形塑料掩膜层的厚度为0.2mm～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述法兰的厚度为1mm～25mm。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述法兰和所述不透明的环形塑料掩膜层具有不超过0.5mm的同心度。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述不透明的环形塑料掩膜层具有塑料掩膜层玻璃化转变温度，凹透镜或凸透镜具有凹透镜玻璃化转变温度或凸透镜玻璃化转变温度，并且所述塑料掩膜层玻璃化转变温度大于所述凹透镜玻璃化转变温度或所述凸透镜玻璃化转变温度。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述不透明的环形塑料掩膜层由聚丙烯酸酯制成，所述凹透镜或凸透镜由聚丙烯酸酯制成。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述不透明的环形塑料掩膜层直接熔接到所述法兰的第一表面或所述法兰的第二表面上。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述不透明的环形塑料掩膜层具有宽度，所述法兰具有宽度，并且所述不透明的环形塑料掩膜层的宽度大于所述法兰的宽度。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述法兰的第一表面和所述法兰的第二表面是平的。
10.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述不透明的环形塑料掩膜层熔接到所述透镜周边和整个所述法兰的第一表面或整个所述法兰的第二表面上。
11.一种投影电视，包括a)光源；b)显示媒介；以及c)透镜元件，其置于所述光源和所述显示媒介之间；其中，所述透镜元件包括i)非平面透镜，其具有透镜周边和围绕所述透镜周边的整体法兰，所述法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及ii)不透明的环形塑料掩膜层，其熔接到所述法兰的第一表面或所述法兰的第二表面上。
12.根据权利要求11所述的投影电视，其中，所述不透明的环形塑料掩膜层延伸到所述非平面透镜上。
13.根据权利要求11所述的投影电视，其中，所述光源是阴极射线管。
14.一种形成光学元件的方法，包括如下步骤a)形成非平面透镜，所述非平面透镜具有透镜周边和围绕所述透镜周边的法兰，其中，所述法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对；以及b)将不透明的环形塑料掩膜层熔接到所述法兰的第一表面或所述法兰的第二表面，并且延伸到所述非平面透镜上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，对所述不透明的环形塑料掩膜层进行熔接的步骤与形成所述非平面透镜的步骤是同时进行的，所述非平面透镜具有透镜周边和围绕所述透镜周边的平面法兰，所述平面法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述非平面透镜的步骤还包括通过注模成型形成非平面透镜的步骤，所述非平面透镜具有透镜周边和围绕所述透镜周边的平面法兰，所述平面法兰具有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述非平面透镜的步骤还包括如下步骤在模面上形成所述非平面透镜之前，将所述不透明的环形塑料掩膜层设置在所述模面上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，形成所述非平面透镜的步骤还包括如下步骤在足以使所述不透明的环形塑料掩膜层与非平面透镜材料熔接的温度，将所述非平面透镜材料注入到所述不透明的环形塑料掩膜层上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，形成所述非平面透镜的步骤还包括如下步骤设置不透明的环形平面塑料掩膜层具有宽度，并且设置所述法兰具有宽度，所述掩膜层的宽度大于所述法兰的宽度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，对所述不透明的环形塑料掩膜层进行熔接的步骤还包括对所述法兰和所述不透明的环形塑料掩膜层进行熔接的步骤，所述法兰和所述不透明的环形塑料掩膜层的同心度不超过0.5mm。
全文摘要
本发明公开了一种光学元件，该光学元件包括非平面透镜，所述透镜具有透镜周边和围绕该透镜周边的整体法兰。所述法兰具有第一表面和第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对。不透明的环形塑料掩膜层熔接到第一法兰表面或第二法兰表面，并延伸到非平面透镜上。
文档编号G02B5/00GK1836183SQ200480023080
公开日2006年9月20日 申请日期2004年6月29日 优先权日2003年8月11日
发明者卡尔·P·朱尔斯, 詹姆斯·J·库申贝里, 凯瑟琳·E·艾伦 申请人:3M创新有限公司