塑料光学元件及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种塑料光学元件，特别是一种用于光学仪器（例如数字照相机）的 取景器透镜。
【背景技术】
[0002] 近年来，越来越多地需要通过注射成型方法生产厚光学元件。然而，光学元件厚度 的增大增加了由在模制期间早些固化的表面塑料层和之后固化的内部塑料部分之间的固 化收缩中的差异所引起的应力。这产生了例如在这样的光学元件中生成真空气泡（气孔） 和生成残余内应力的问题。该厚光学元件还产生了例如因为在模具中的冷却时间由于厚度 的增加而急剧增加所引起的模制周期显著增加的问题。
[0003] 为了解决以上问题，日本专利公开No. 8-187793提出了一种发明，在该发明中，塑 料芯部透镜容置于内部且同时塑料涂层一体地形成在芯部透镜的前后光学表面上。
[0004] 使用厚塑料光学元件需要考虑由于吸湿性所引起的塑料光学元件的变形。因此， 该厚塑料光学元件需要由具有低吸水性的塑料制成。然而，目前在注射成型中所使用的具 有低吸水性的塑料中没有具有高表面硬度的塑料。因此，在数字照相机中，当厚塑料光学元 件用于暴露至外部的部分时所要求的耐磨度不能令人满意。在复印机等中，还有厚塑料光 学元件在生产和维护期间被划伤的顾虑。在日本专利公开No. 8-187793中所描述的相关技 术中，因为芯部透镜和塑料涂层由同一材料制成，因此该问题也难以避免。期望通过以由于 吸湿性而引起的变形很小的厚度为芯部透镜涂覆具有高吸水性但具有高表面硬度的材料 而解决该问题。
[0005] 然而，在用于暴露至外部的部分的光学元件中，假定使用者利用有机溶剂擦除附 着至光学元件的污物。因此，不仅暴露至外部的塑料材料，而且用于芯部透镜的材料都需要 具有优异的耐有机溶剂性。然而，简单地由具有优异耐有机溶剂性的材料制成光学元件不 是令人满意。当有机溶剂施加至光学元件且该光学元件暴露至假定长期恶化的恒温恒湿测 试环境下时，有时在芯部透镜中形成裂纹。
【发明内容】
[0006] 根据本发明的一个方面的塑料光学元件包括芯部构件和涂覆芯部构件的前表面 和后表面的塑料涂层，制成该塑料涂层的材料不同于芯部构件的材料。芯部构件包含粘均 分子量在23000以上至31000以下范围内的聚碳酸酯。
[0007] 根据本发明的另一方面的用于生产塑料光学元件的方法包括：使用包含粘均分子 量在23000以上至31000以下范围内的聚碳酸酯的树脂通过注射成型而模制芯部构件，并 且将用于塑料涂层的熔化材料注入至芯部构件的前表面和后表面上。
[0008] 在根据本发明实施例的塑料光学元件中，即使施加有有机溶剂的塑料光学元件暴 露至假定长期恶化的恒温恒湿测试环境，也可抑制在芯部透镜（芯部构件）中形成裂纹。
[0009] 从参考附图对示范性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
【附图说明】
[0010] 图1A是示出了根据本发明实施例的塑料元件的平面图，图1B是示出了塑料元件 的截面图，图1C是示出了根据本发明另一实施例的塑料元件的截面图；
[0011] 图2A至2D是示出了根据本发明实施例的模具的截面图；
[0012] 图3A和3B分别是示出了在根据本发明示例1中的塑料元件的平面图和截面图；
[0013] 图4A和4B分别是示出了在根据本发明示例2中的塑料元件的平面图和截面图；
[0014] 图5A至5F是示出了在根据本发明示例2的模具的截面图。
【具体实施方式】
[0015] 图1A是示出了根据本发明实施例的塑料光学元件的一个示例的平面图，而图1B 是示出了该塑料光学元件的示例的截面图。图1C是示出了根据不同于图1B的实施例的 另一实施例的塑料光学元件的示例的截面图。在这些图中，塑料光学元件3包括芯部透镜 1 (此后称之为"芯部构件"）、塑料涂层2以及肋4,附图标记5表示肋4的厚度。肋4形成 在芯部构件1的侧表面的一部分上。由于肋4仅形成在侧表面的一部分上，当塑料涂层在 模具中模制时，未形成肋的侧表面可接触该模具且可被稳固地固定。附图标记211和212 均代表塑料光学元件的光学表面。在本发明的一个实施例中，在图1中所示的芯部构件1 包含粘均分子量在23000以上至31000以下范围内的聚碳酸酯。因此，即使有机溶剂施加 至塑料光学元件3,也可抑制由于塑料光学元件3暴露至假定长期恶化的恒温恒湿测试环 境而在芯部构件1中形成裂纹。已用于光学元件的聚碳酸酯的粘均分子量为大约15000至 21000。这是因为具有小分子量的聚碳酸酯在模制期间呈现出良好的流动性且能在低压下 模制，因此可获得高光学表面精度。然而，在根据该实施例的塑料光学元件中，由于在芯部 构件和塑料涂层之间的收缩和吸湿性的差异，容易产生应力。特别是，当施加有有机溶剂 的塑料光学元件暴露至假定长期恶化的恒温恒湿测试环境下时，有时在芯部构件中形成裂 纹。已经确定裂纹的形成是由如下因素所引起的：在产生应力的状态中由于有机溶剂施加 的刺激和恒温恒湿的刺激所施加的释放应力的力超过了分子间力并且包含在芯部构件中 的聚碳酸酯被水解。已经通过增加芯部构件的分子量而找到解决方案。芯部构件的分子量 的这样的增加被认为难以获得高光学表面精度。然而，由于芯部构件的表面涂覆有塑料涂 层，可使用具有高分子量的材料。该分子量例如是23000以上至31000以下。如果分子量 小于23000,就难以抑制由于施加有有机溶剂的塑料光学元件暴露至假定长期恶化的恒温 恒湿测试环境而在芯部构件中形成裂纹。如果分子量大于31000,就难以进行模制。粘均分 子量的值通过在JIS K 7252-4的"塑料-使用体积排阻色谱法的聚合物的平均分子质量和 分子质量分布的测定"中所描述的测量方法确定。
[0016] 如图1C所示，芯部构件1可具有三层结构，该三层结构包括芯部部分27和形成在 芯部部分27的前表面和后表面上的涂层部分28。芯部构件1的肋31形成在芯部部分27 的侧表面的一部分上。由于肋31仅在芯部部分27的侧表面的一部分上形成，当涂层部分 28在模具中模制时，未形成肋31的侧表面可与模具接触并被稳固地固定。
[0017] 该三层结构可提供较厚的塑料光学元件，同时保持良好的光学性质。较厚的塑料 光学元件的一次模制有时增加了在模制期间早些固化的表面塑料层和之后固化的内部塑 料部分之间的固化收缩中的差异所引起的应力。结果，在光学元件中产生残余应力和真空 气泡（气孔），这可能影响光学性质。此外，由于在模具中的冷却时间因为厚度的增加而 急剧增加，模制周期显著地增加。在该三层结构中，即使在生产较厚的塑料光学元件时，一 次模制的光学元件的厚度也可减小。因此，可抑制在光学元件中产生残余应力和真空气泡 (气孔）。
[0018] 在该实施例中，至少涂层部分28由包含粘均分子量在23000以上至31000以下范 围内的聚碳酸酯的材料所制成。因此，即使采用施加有有机溶剂的塑料光学元件3,也可抑 制由于塑料光学元件3暴露至假定长期恶化的恒温恒湿测试环境而在芯部构件1中形成裂 纹。此外，芯部部分27和涂层部分28例如由同一材料制成。当它们由同一材料制成时，消 除了在芯部部分27和涂层部分28之间的界面处的折射，这样降低了芯部部分27的光学表 面所要求的精度。因此，可缩短模制周期。
[0019] 芯部构件1可为任何形状，例如弯月透镜形状、双凸透镜形状、双凹透镜形状、平 凸透镜形状或者平凹透镜形状。
[0020] 光学表面211和212可为任何表面，例如球面、非球面或者自由形态表面。
[0021] 塑料涂层2可由环烯烃树脂等制成，但是期望地由包含甲基丙烯酸甲酯的树脂制 成。包含甲基丙烯酸甲酯的树脂的使用可提供表面具有较好耐磨度的塑料光学元件3。此 外，塑料涂层包含例如至少一种具有吸附紫外线特性的添加剂。这可提供具有较好的抗紫 外线性的塑料光学元件3。具有吸附紫外线特性的添加剂例如包含苯并三唑化合物、二苯甲 酮化合物或者三嗪类化合物。添加的添加剂的数量不影响塑料涂层2的物理性质，该数量 例如为基于每个塑料涂层2的总重量在0. 1重量份数以上至5重量份数以下的范围内。
[0022] 图2A至2D是示出了在用于生产根据该实施例的塑料光学元件的方法中所使用的 模具的截面图。在图2A和2B中，用于在芯部构件上实现注射成型的芯部构件模制模具10 包括固定模具11和可动模具12。在图2C和2D中，用于通过注射成型用塑料涂层涂覆芯部 构件的塑料涂层模制模具13包括用于塑料涂层2的固定模具14、可动模具15和浇口 16。 在该实施例中，首先，芯部构件1在图2A中所示的芯部构件模制模具10中模制。含有聚碳 酸酯的熔化树脂注入至芯部构件模制模具10中以执行模制。除了聚碳酸酯之外，含有聚碳 酸酯的熔化树脂还可包含紫外光吸收剂和脱模剂。含有聚碳酸酯的熔化树脂的粘均分子量 在23000以上至31000以下范围内。
[0023] 随后，将生成的芯部构件1插入塑料涂层模制模具13的可动模具15中。在此，用 于模制塑料涂层2以涂覆芯部构件1的前表面和后表面的空间和用于模制要形成在芯部构 件的侧表面上的肋4的空间形成在塑料涂层模制模具13中。用于模制肋4的空间仅形成 在芯部构件1的侧表面的一部分上。因此，其上未形成该空间的侧表面可与塑料涂层模制 模具13接触。因此，芯部构件1可稳固地固定至塑料涂层模制模具13上。浇口 16在用于 模制肋4的空间中制成，该浇口是用于将树脂注入至空间中的孔。用于塑料涂层2的熔化 材料同时从浇口 16通过肋4注入芯部构件1的前表面和后表面上所形成的空间中。肋4 的存在不要求用于塑料涂层2的熔化材料分别注入芯部构件1的前表面和后表面中所通过 的流动路径（注入口、流道以及浇口）。结果，在塑料涂层材料2被模制时所使用的注射成 型机（未示出）的缸数量可减少，并且模具结构也被简化。
[0024] 肋的厚度5在0· 5mm以上至3mm以下范围内。如果肋厚度5小于0· 5mm，贝1J当用于 塑料涂层2的熔化材料注入至模具中时所施加的应力增加，这可引起缩痕并增加了残余应 力。如果肋厚度5大于3_，则当塑料涂层2模制时所要求的模制压力增加，这可引起芯部 构件1变形。
[0025] 即使有机溶剂施加至由上述生产方法所生产的塑料光学元件，也可抑制由于塑料 光学元件暴露至假定长期恶化的恒温恒湿测试环境而在芯部构件1中形成裂纹。
[0026] 示例 1
[0027] 接着，将描述根据本发明的示例1。
[0028] 图3A和3B示出了示例1的结构。图3A是示出了根据示例1的塑料光学元件的 平面图，图3B是示出该塑料光学元件的截面图。在图3A中，附图标记20表示塑料光学元 件在横向方向上的最大外部尺寸，附图标记21表示塑料光学元件在竖直方向上不包含肋 的最大外部尺寸。此处，在横向方向上的最大外部尺寸20为20mm，在竖