专利名称：光学元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用在光学装置例如数码相机或复印机中的光学元件和该光学元件的制造方法。
背景技术：
近年来，对使用注射成型法制造厚光学元件的需求日益增长。然而，当光学元件的厚度增大时，由于在成型过程中先固化的表面塑料层的收缩与随后固化的内塑料部的收缩之间的差异而出现应カ増大。因此，会出现在光学元件中产生真空泡(空洞)以及在光学元件中残留有残余内应カ的问题。另ー个问题是，由于需要显著更长的冷却时间来冷却较厚的光学元件，因此需要相当长的周期时间来成型厚的光学元件。为了解决这些问题，已经公开了ー种涉及光学元件的发明，该光学元件包括芯透镜，该芯透镜的前后光学表面通过覆盖塑料而彼此一体化(日本专利特开No. 8-187793)。随着光学装置例如数码相机和复印件变得越来越紧凑，需要使这些装置的光学元件更小。然而，利用在日本专利特开No. 8-187793中描述的方法，在模具中形成比芯透镜外形更大的模腔空间，并将覆盖塑料引入到芯透镜的前后光学表面上。因此，光学元件的外形变得比芯透镜的外形更大，因而利用该方法难以减小光学元件的尺寸。
发明内容
根据本发明的第一方面，光学元件包括芯透镜和在芯透镜前后表面上由覆盖塑料形成的成型部。芯透镜包括凹进部。根据本发明的第二方面，光学元件的制造方法包括将芯透镜插入到模具中；在芯透镜的前后表面和模具之间形成空间；以及，将覆盖塑料引入所述空间中以与芯透镜ー体化。芯透镜包括凹进部，并且通过该凹进部把覆盖塑料引入所述空间中。利用本发明，能够使光学元件(包括彼此一体化的芯透镜和覆盖塑料)的外形和芯透镜的外形彼此相同。因此，能够获得具有更小尺寸的厚光学元件，不用延长成型时间，同时防止了光学元件内产生真空泡(空洞)和残余内应力。从下面參考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得明显。
图IA和IB示出了第一实施例。图2是模具的剖视图。图3A和3B示出了第一实施例。图4A至4K示出了第一实施例。图5A和5B不出了第一实施例。
图6示出了第一实施例。图7A至7C示出了第二实施例。
图8A至8C示出了第二实施例。图9A至9C示出了第二实施例。图IOA至IOC示出了第二实施例。图IlA至IlD是模具的剖视图。图12示出了根据本发明的光学元件。图13A至13D示出了根据本发明的光学元件的变例。
具体实施例方式根据本发明的光学元件包括芯透镜和在芯透镜的前后表面上由覆盖塑料形成的成型部。该芯透镜包括凹进部，用于将覆盖塑料以分叉方式引到芯透镜的前后光学表面上。 第一实施例图IA至3B示出了根据本发明第一实施例的光学元件。相同的部件用相同的数字表示，并省略重复的描述。图IA是芯透镜I的平面图，图IB是沿图IA中的线IB-IB截开芯透镜I的剖视图。图IA和IB示出了芯透镜I、芯透镜I的外周2、光学有效区域3、凹进部4、前光学表面5和后光学表面6。在本说明书中,表面5和6被称为芯透镜I的前后表面5和6。表面5和6中哪ー个是前表面、哪ー个是后表面并不特别限制。图2是用于成型根据本发明光学元件的模具的实例的剖视图。图2示出了光学元件注射模具7、光学元件8、光学元件8的前光学表面9和光学元件8的后光学表面10。在本申请中，表面9和10被称为光学元件的前后表面9和10。表面9和10中哪ー个是前表面、哪ー个是后表面并不作特别限制。图2还示出了主流道11、分流道12、浇ロ 13和覆盖塑料14。采用定位机构(未示出)把芯透镜I插入光学元件注射模具7中。然后，通过芯透镜I的凹进部4引入覆盖塑料14，可把覆盖塑料14引入到芯透镜I的前后表面5和6上。结果，如图3A所示，能够使光学元件8的外周15的尺寸减小为芯透镜I的外周2的尺寸。图3A是根据本实施例的光学元件8的平面图，图3B是沿图3A的线IIIB-IIIB截开光学元件8的剖视图。图3A示出了光学元件的外周15。芯透镜I包括凹进部4，用于以分叉方式引入覆盖塑料，以便可把覆盖塑料引到图I所示芯透镜I的前后表面5和6上。通过凹进部4将覆盖塑料引到芯透镜I的前后表面5和6上，在芯透镜I的前后表面5和6上形成了由覆盖塑料构成的成型部。也就是说，在芯透镜的前表面上形成的成型部和在芯透镜的后表面上形成的成型部至少通过凹进部而彼此相连。图4A至5B示出了根据本实施例的凹进部的形状变例。与图IA和IB相同的部件用相同的数字表示，并省略重复的描述。图4A至4K是芯透镜的平面图。图4A至4E和4F至4K示出了矩形凹进部16、倒圆角的矩形凹进部17、椭圆形/弧形凹进部18、V形凹进部19和D切ロ形凹进部20。图5A和5B也是芯透镜的平面图，示出了芯透镜的纵向表面30和拐角31。如这些附图所示，凹进部可以具有任意形状并可位于任意位置，只要凹进部能够凹入芯透镜I的外周2而形成一空间即可。例如，如果芯透镜I具有圆形形状，则凹进部可以是图4A所示的矩形凹进部16、图4B所示倒圆角的矩形凹进部17、图4C所示的椭圆形/弧形凹进部18、图4D所示的V形凹进部19或图4E所示的D切ロ形凹进部20。但是，凹进部不特别限于此。如果芯透镜I具有矩形形状，则凹进部可以是图4F所示的矩形凹进部16、图4G所示倒圆角的矩形凹进部17、图4H所示的椭圆形/弧形凹进部18、图41所示的V形凹进部19或图4J和4K所示的D切ロ形凹进部20。但是，凹进部的形状不特别限于此，只要凹进部能够在芯透镜I的外周2中形成一空间即可。在图5A和5B中，凹进部4位于芯透镜I上与图4F至4K所示不同的位置。图5A示出了芯透镜I，其中，凹进部4形成在纵向表面30中；图5B示出了芯透镜1，其中，凹进部4位于拐角31的ー个中。但是，凹进部的位置不作特别限制。芯透镜I可以通过注射成型塑料材料来制造。但是，也可以使用其他已有的方法，例如铸塑法或压塑法。塑料材料可以是热塑性。可替换地，可以使用玻璃材料。通过转移在模具上形成的突起形状可以形成凹进部。可替换地，可以使用切割方法或类似方法机械 加工成型的芯透镜来形成凹进部。覆盖塑料的材料不作特别限制，只要该材料是热塑性即可。芯透镜I的折射率和覆盖塑料的折射率之间的差可以较小。折射率的差可以在所用波长下等于或小于0. 001。如果折射率的差等于或小于0.001，则折射率的差对光学性能的影响几乎可以忽略不计。结果，即使在芯透镜I的光学有效区域3中形成凹进部4，也可以忽略凹进部4和由覆盖塑料14形成的成型部之间界面的存在。图6是示出了芯透镜ー个实例的平面图，其中，在芯透镜的光学有效区域3中形成凹进部4。图6示出了芯透镜36和芯透镜36的外周35。如图6所示，凹进部4可布置在光学有效区域3中。利用这种布置，可以使芯透镜36的外周35的尺寸小到几乎与光学有效区域3的尺寸一祥。结果，能够获得具有更小尺寸的厚光学元件，无需延长成型时间，同时防止光学元件内产生真空泡(空洞)和残留内应力。參考图3，芯透镜I和覆盖塑料14可由相同的材料构成。材料的实例包括聚碳酸酷、聚甲基丙烯酸甲酷、环烯烃聚合物、环烯烃-a-烯烃共聚物、聚苯こ烯、苯こ烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物和芴聚酷。但是，所述材料不作特别限制，只要该材料是热塑性即可。可以使用其中分散有无机颗粒的塑料材料。通过对于芯透镜I和覆盖塑料14使用不同的材料并在每种材料中分散无机颗粒，可以调节芯透镜I的材料折射率和覆盖塑料14的材料折射率。可替换地，通过在两种材料中的ー种材料中分散无机颗粒，可以调节芯透镜I的材料折射率和覆盖塑料14的材料折射率。第二实施例图7A至SC示出了根据本发明第二实施例的光学元件。与图IA至3B相同的部件用相同的数字表示，并省略重复的描述。至少在光学有效区域中根据本实施例的凹进部4的表面形状的特征在于，该形状连续变化。此外，在本实施例中，至少在光学有效区域中凹进部4的表面形状可以是这样的形状，S卩，至少在光学有效区域中dY/dX是连续的，其中，X是光轴方向，Y是在平行于光轴的横截面中与光轴方向垂直的方向。图7A是根据本实施例的芯透镜的透视图，图7B是沿穿过凹进部4且平行于光轴的平面VIIB截开芯透镜的剖视图，图7C是沿穿过凹进部4并平行于光轴且垂直于平面VIIB的平面VIIC截开芯透镜的剖视图。图7A示出了光轴方向X、垂直于光轴的方向Y、穿过凹进部4并平行于光轴的平面VIIB、以及穿过凹进部4并平行于光轴且垂直于平面VIIB的平面VIIC。图7A和7B示出了表示切开芯透镜I的平面VIIB和凹进部4的表面的相交线的X的函数的极值a。图7A和7C示出了表示切开芯透镜I的平面VIIC和凹进部4的表面的相交线的X的函数的极值b和C。图8A是根据本实施例的光学元件的平面图，图8B是沿图8A的线VIIIB-VIIIB截开光学元件的剖视图，图SC是示出了透镜中的位置和透镜在光轴方向的平均折射率之间关系的概念图。如图7B和7C所示，芯透镜I的凹进部4的表面和平行于光轴的横截面的相交线41和42仅包括平滑曲线。也就是说，相交线的形状至少在光学有效区域内连续变化。该形状可以是使得dY/dX是连续的。已经发现，如果凹进部4具有这种形状，则结合界面变得几乎不可见。这是因为，在光学元件中，芯透镜和由覆盖塑料形成的成型部已通过覆盖塑料而彼此一体化，光学元件没有折射率急剧变化的部分，而是具有折射率在整体结构上平滑变化的结构。当凹进部4具有这种形状吋，即使凹进部4设置在光学有效区域中也能够保持光学元件的光学性能。因此，能够相对于光学设计值而言将光学有效区域扩展到尽可能接近光学元件的外周。也就是说，光学元件的外周不需要设计成具有用于凹进部的余量。結果，能够提供具有更小尺寸的光学元件。此外，由于结合界面变得几乎不可见，因此能够获得具有更高光学性能的光学元件。 例如，图7A示出的芯透镜I从光轴方向来看为圆形。然而，根据本发明的芯透镜的形状不限于该圆形。从光轴方向来看芯透镜的外形可以是矩形、椭圆形、卵形或多边形。如果芯透镜I例如为矩形透镜，则凹进部4可布置在芯透镜I外周短边的中心附近、外周长边的中心附近、或者从光轴方向来看的对角附近。同样地，凹进部4的位置不作特别限制，即使从光轴方向来看芯透镜I具有不同的外形。如图SB所示，光学元件的芯透镜的凹进部4至少在光学有效区域3中仅包括平滑曲线。也就是说，凹进部4的形状至少在光学有效区域连续变化。凹进部4的形状可以为这样的形状，即，至少在光学有效区域中dY/dX是连续的，其中，X是光轴方向，Y是在平行于光轴的横截面中与光轴方向垂直的方向。由于凹进部的形状连续变化，因此根据本实施例的光学元件在从光轴方向来看时没有折射率急剧变化的部分，而是具有折射率连续变化的结构。这样，结合界面是不可见的(參见图SC)。因此，能够使光学有效区域扩展到尽可能接近光学元件的外周，从而能获得具有更小尺寸的光学元件8。在本实施例中，芯透镜I具有弯月形。但是，根据本发明的透镜形状不限于此形状。本发明可以应用于各种透镜，例如凸透镜、凹透镜、柱面透镜、f0透镜和菲涅尔透镜。图9A至IOC示出了根据本实施例的芯透镜的凹进部的变例。与图7A至8C相同的部件用相同的数字表示，并省略重复的描述。图9A至9C示出了根据本实施例变例的芯透镜I。图9A是芯透镜I的透视图，图9B是沿穿过凹进部4且平行于光轴的平面IXB截开芯透镜I的剖视图，图9C是沿穿过凹进部4并平行于光轴且垂直于平面IXB的平面IXC截开芯透镜的剖视图。如图9B所示，至少在光学有效区域3中，芯透镜I的凹进部4的表面和平行于光轴的平面IXB的相交线41包括平滑的弯曲部和不与光轴平行的直线部，并且至少在光学有效区域3中连续变化。相交线的形状可以是使得dY/dX是连续的。穿过凹进部4且平行于光轴的平面IXC和芯透镜I的凹进部的表面的相交线42包括平滑的弯曲部和不与光轴平行的直线部，并且至少在光学有效区域3中连续变化。相交线的形状可以是使得dY/dX是连续的。利用这种形状，芯透镜和覆盖塑料已彼此一体化的这种光学元件没有折射率急剧变化的部分，而是具有折射率在整体结构上平滑变化的结构。因此，结合界面变得不可见。结果，由于即使凹进部4布置在光学有效区域3中也能够保持光学性能，因而不必把光学元件的外形设计成使得光学元件相对于光学设计值具有用于凹进部的余量，从而能够提供具有更小尺寸的光学元件。图IOA至IOC示出了根据本实施例另ー个变例的芯透镜I。图IOA是芯透镜I的透视图，图IOB是沿穿过凹进部4且平行于光轴的平面XB截开芯透镜I的剖视图，图IOC是沿穿过凹进部4并平行于光轴且垂直于平面XB的平面XC截开芯透镜I的剖视图。如图IOB所示，至少在光学有效区域3中，芯透镜I的凹进部4的表面和平行于光轴的平面XB的相交线41包括平滑的弯曲部和平行于光轴的直线部，并且至少在光学有效区域3中连续变化。相交线的形状可以是使得dY/dX是连续的。穿过凹进部4且平行于光轴的平面XC和芯透镜I的凹进部的表面的相交线42包括平滑的弯曲部和平行于光轴的直线部，并且至少在光学有效区域3中连续变化。相交线的形状可以是使得dY/dX是连续的。利用这种形状，芯透镜和覆盖塑料彼此一体化的这种光学元件没有折射率急剧变化的部分，而是具有折射率在整体结构上平滑变化的结构。因此，结合界面变得不可见。结果，由于即使凹进部4布置在光学有效区域3中也能够保持光学性能，因而不必把光学元件的外形设计成使得光学元件相对于光学设计值具有用于凹进部的余量，从而能够提供具有更小尺寸的光学元件。 图9A至IOC示出的根据本实施例典型变例的芯透镜形状是例子。根据本实施例的覆盖塑料的材料不作特别限制，只要该材料是热塑性即可。芯透镜I和覆盖塑料之间的折射率之差可以很小。该折射率之差可以在所用波长下等于或小于
0.001。如果折射率的差等于或小于0. 001，则折射率的差对光学性能的影响几乎可以忽略不计。結果，即使在芯透镜I的光学有效区域3中形成凹进部4，也可以忽略凹进部4和由覆盖塑料14形成的成型部之间界面的存在。芯透镜I和覆盖塑料14可由相同的材料构成。材料的实例包括聚碳酸酷、聚甲基丙烯酸甲酷、环烯烃聚合物、环烯烃-a-烯烃共聚物、聚苯こ烯、苯こ烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物和芴聚酷。但是，所述材料不作特别限制，只要该材料是热塑性即可。可以使用其中分散有无机颗粒的塑料材料。通过使用不同的材料并在每种材料中分散无机颗粒，可以调节芯透镜I的材料的折射率和覆盖塑料14的材料的折射率。可替换地，通过在两种材料中的ー种材料中分散无机颗粒，可以调节芯透镜I的材料的折射率和覆盖塑料14的材料的折射率。光学元件的制造方法參考图IlA至13D，将描述根据本发明实施例的光学元件的制造方法的实例。与图IA至3B所示相同的部件用相同的数字表示，并省略重复的描述。首先，使用注射成型法制造芯透镜。然后，将芯透镜插入注射模具的型腔中，并通过凹进部把覆盖塑料引入模具和芯透镜前后表面之间的空间。接着，在芯透镜的前后表面上形成成型部，使芯透镜和成型部彼此一体化，从而制造出光学元件。图IlA至IlD是根据本实施例制造光学元件的模具的剖视图。图IIA和IlB示出了芯透镜注射模具40、型腔41、突出部42和浇ロ 47。图12是利用根据本实施例的光学元件制造方法制造的光学元件的剖视图。如图12所示，由覆盖塑料形成的成型部具有厚度51和52，芯透镜具有厚度53。图13A至13D是利用根据本实施例的光学元件制造方法制造的光学元件的变例的剖视图。图IlA示出了用于形成芯透镜的芯透镜注射模具40，和型腔41。芯透镜注射模具40具有对应于芯透镜凹进部的突出部42，使得能够在芯透镜中形成凹进部。如图IlB所示，通过主流道45、分流道46和浇ロ 47把用于形成芯透镜的熔融塑料引入型腔41中，从而形成具有凹进部4的芯透镜I。此时，浇ロ 47和突出部42之间的位置关系是任意的。接着，使用定位机构(未示出)将芯透镜I插入到图IlC所示的光学元件注射模具7中。光学兀件注射模具7配置成使得在芯透镜的前后表面5和6与模具表面49和50之间形成空间。此外，在芯透镜的凹进部和光学元件注射模具7之间形成空间。然后，如图IlD所示，通过主流道11、分流道12和浇ロ 13将覆盖塑料14引入到光学元件注射模具7和芯透镜I的凹进部4之间的空间中。通过将熔融的覆盖塑料引入凹进部4和模具之间的空间中，能够把熔融的覆盖塑料顺畅地引入到芯透镜的前后表面5和6与模具表面49和50 之间的空间中。随后，通过执行冷却处理、模具打开处理和脱模处理(未示出)，获得了光学元件8，其中，芯透镜I和覆盖塑料14彼此一体化。由于覆盖塑料14被引入模具和芯透镜I的凹进部4之间的空间中，因此光学元件的外周不必比芯透镜I的外周更大。因此，能够获得具有大厚度和更小尺寸的光学元件8。芯透镜的形状不作特别限制。该形状可以是图12所示的弯月形、图13A所示的双凸形、图13B所示的双凹形、图13C所示的平凸形或图13D所示的平凹形。前后表面的形状(特别是光学表面的形状，即光学有效区域3的形状)不作特别限制。前后表面各自可以是球面、非球面或自由曲面。但是，如图12所示，至少在光学有效区域3中，芯透镜I的前后表面5和6的形状可以与光学兀件8的前后表面9和10的形状大体上相似。至少在光学有效区域3中，覆盖了芯透镜I的前后表面5和6的覆盖塑料14的成型部的厚度51和52可以大体上相同。至少在光学有效区域3中，覆盖了芯透镜I的前后表面5和6的覆盖塑料的厚度总和可以等于或小于芯透镜I的厚度53。在这种情况下，能够减小成型后由于收缩导致的光学元件变形。在根据本发明的光学元件制造方法中，成型部可由具有与芯透镜I相同折射率的材料形成。实例下面将描述本发明的各个实例。然而，本发明不限于这些实例。实例I将描述实例I。首先，将芯透镜注射模具放置在注射成型机中，并通过主流道、分流道、浇ロ把用于形成芯透镜的熔融塑料(环烯烃)引入模具。随后，执行冷却处理、模具打开处理和脱模处理而获得芯透镜。芯透镜是凹凸透镜，具有6mm的中央厚度，以及高度为16mm、宽度为18mm的卵形。芯透镜的光学有效区域具有高度为12mm、宽度为14mm的卵形。凹进部的宽度为4mm、深度为2mm。凹进部沿拔模斜度形成，且凹进部的一部分布置在光学有效区域中。接着，将光学元件注射模具放置在注射成型机中。使用定位机构把芯透镜插入光学元件注射模具。然后，通过主流道、分流道、浇口和芯透镜的凹进部把覆盖塑料(环烯烃)引入到在模具表面和芯透镜前后表面之间的空间，从而在芯透镜的前后表面上形成成型部。随后，执行冷却处理、模具打开处理和脱模处理而获得光学元件。光学元件的外部尺寸和芯透镜的外部尺寸相同，每个由覆盖塑料形成的成型部的厚度为3_。这样，获得了内部不会产生真空泡(空洞)且外部尺寸减小为与芯透镜外部尺寸相同的光学兀件。实例2将描述实例2。在本实例中，表I所示的熔融塑料组合用于芯透镜和覆盖塑料。表I
权利要求
1.ー种光学元件，包括 芯透镜；和 在芯透镜的前后表面上由覆盖塑料形成的成型部， 其中，芯透镜包括凹进部。
2.根据权利要求I所述的光学元件，其中，在芯透镜前后表面上形成的成型部通过凹进部彼此连接。
3.根据权利要求I所述的光学元件，其中，凹进部的表面形状在光学有效区域中连续变化。
4.根据权利要求I所述的光学元件，其中，当在与光轴平行的横截面中凹进部包括直线部时，光轴和直线部之间的角度等于或大于I度。
5.根据权利要求I所述的光学元件，其中，芯透镜和覆盖塑料具有相同的折射率。
6.根据权利要求I所述的光学元件，其中，芯透镜和覆盖塑料由相同的材料构成。
7.ー种光学元件的制造方法，包括 将芯透镜插入到模具中； 在芯透镜的前后表面和模具之间形成空间；和 将覆盖塑料引入到所述空间中，以与芯透镜一体化， 其中，芯透镜包括凹进部，通过该凹进部把覆盖塑料引入到所述空间中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，凹进部的表面形状在光学有效区域中连续变化。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，当在与光轴平行的横截面中凹进部包括直线部时，光轴和直线部之间的角度等于或大于I度。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，芯透镜和覆盖塑料由具有相同折射率的材料注射成型。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，芯透镜和覆盖塑料由相同的材料构成。
全文摘要
本发明涉及一种光学元件，包括芯透镜；和在芯透镜的前后表面上由覆盖塑料形成的成型部，其中，芯透镜包括凹进部。本发明还涉及一种光学元件的制造方法，包括将芯透镜插入到模具中；在芯透镜的前后表面和模具之间形成空间；和将覆盖塑料引入到所述空间中，以与芯透镜一体化，其中，芯透镜包括凹进部，通过该凹进部把覆盖塑料引入到所述空间中。
文档编号G02B3/00GK102654587SQ201210048228
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年3月4日
发明者小林大吾, 菊池涉 申请人:佳能株式会社