專利名稱：整片式玻璃模造復合鏡片及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種光學元件，更具體地說，涉及一種整片式玻璃模造復合鏡 片及其制造方法。
背景技術：
己知的光學玻璃元件的模造技術中，多采用單個模具的模穴來成形單個的 光學玻璃元件，或者采用具有多個模仁的單個模具來成形多個獨立的光學玻璃 元件，其共同點都是用單一的玻璃材料預形體來成形單一的光學玻璃元件。其
主要的缺陷在，單一玻璃材料預形體的加工，增加了光學玻璃元件的制造成本； 同時，這些已知的技術不易制造微小的光學元件，例如微小光學鏡片(Micro Lens)、微小光學鏡片陣列(Micro Lens Array)等，無法有效地提高產量并 降低生產成本。
在公開號為US 2003/0115907 Al的美國專利申請中，公開了一種多鏡片 模造系統和方法，可用于同時制造多個光學元件。參照圖l,在該方法中，采 用了具有多個玻璃模造成形面的成形模具13，通過將平板玻璃材料的預形體 15壓置于該成形模具13上并進行加熱和加壓，將成形模具13上的多個成形 面轉寫于平板玻璃材料的預形體15上，形成具有多個光學元件的玻璃基板。 之后進行切割，即可得到多個光學元件。這種技術雖然可以使用簡單的平板玻 璃材料的預形體15來進行光學元件或者微小光學元件的玻璃模造成形，具有 量產性并可降低生產成本，但是其模具制造較為復雜，并且，在將單個光學元 件從具有多個光學元件的玻璃基板上分離時，難以控制其尺寸精度，不易獲得 較高精度的光學玻璃元件。
眾所周知，在已知的技術中，為了能夠有效減少色差，會在光學系統中加 入由兩個不同的鏡片接合而成的復合式鏡片。在第一鏡片的表面涂覆黏著劑，再將第二鏡片覆蓋其上，調整兩個鏡片的位置，使兩者的光軸達到同軸后，將
黏著劑以加熱或照射UV線(Ultraviolet Rays，紫外線)等方式予以固化。黏著 劑固化后將使兩個鏡片接合在一起，獲得所需的復合鏡片。
這兩個鏡片需先經研磨或模造成形后，經過定芯工序定義其外徑與偏心狀 況，才能進行黏合工序，因此個別獨立的光學鏡片在黏合過程中易再發生偏心 惡化的狀況，必須改變鏡片的相對位置，予以調芯校正后才能進行接合。
此外，黏著劑固化后將在兩個光學鏡片之間形成界面，該界面具有不同于 這兩個光學鏡片的光學特性，通常會具有較低的折射率、較高的反射率或吸收 率，受此界面的影響，使該復合鏡片并無法充分提升收色差的效果。
黏著劑通常為高子物質所形成，因此其固化后形成的界面易于日后使用中 產生劣化現象，耐久性差。并且，該界面的熱膨脹率與兩個鏡片的熱膨脹率差 異大，易受熱膨脹的影響，于日后使用中可能產生破壞剝離的現象。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的鏡片模造技術僅能制造單 片式鏡片且精度不高、而黏合式的復合鏡片易受到黏著劑不良影響的缺陷，提 供一種整片式玻璃模造復合鏡片及其制造方法，可在模造過程中形成整片式玻 璃模造復合鏡片，避免黏著劑的影響。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種整片式玻璃模造復 合鏡片，包含
第一片體，是由第一玻璃材料制成，該第一玻璃材料具有玻璃轉化溫度， 該第一片體具有頂面、底面、多個沿數切割方向形成于該頂、底面之間而呈多 組式排列的第一光學元件，該第一光學元件分別具有第一接合面部；及
多個第二光學元件，是由多個第二玻璃材料分別制成，每一第二玻璃材料 具有小于或等于該第一玻璃材料的玻璃轉化溫度的成形溫度，該第二光學元件 分別具有融著于該第一接合面部上的第二接合面部。
在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片中，更包含對正標記，位于該第 一片體沿其中任一切割方向設置于該頂、底面的至少其中一者上。
5在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片中，該第一光學組件的第一接合 面部和第二光學組件的第二接合面部均呈球面狀，或者均呈非球面狀。
在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片中，該第一光學元件是沿兩互相 垂直的切割方向形成于該頂、底面之間而呈多組式排列。
在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片中，該第一片體的橫截面是呈圓 形，該對正標記是位于該第一片體的中心在線并對稱于該第一片體的中心。
本發明還提供了一種整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法，包含
(A) 將第一玻璃材料成形為第一片體，該第一玻璃材料具有玻璃轉化溫 度，該第一片體具有頂面、底面、多個沿數切割方向形成于該頂、底面之間而 呈多組式排列的第一光學元件，該第一光學元件分別具有第一接合面部；及
(B) 將多個第二玻璃材料分別在該第一光學元件的第一接合面部上同步 成形為多個第二光學元件，每一第二玻璃材料具有小于或等于該玻璃轉化溫度 的成形溫度，該第二光學元件分別具有融著于該第一接合面部上的第二接合面 部。
在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法中，在該步驟(A ) 中，至少一對正標記沿其中一切割方向設置于該頂、底面的其中一者上。
在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法中，更包含在該步驟 (B)之后的步驟(C)，在該步驟(C)中，沿該切割方向將該第一光學元件切 割分離。
在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法中，該第一光學組件 的第一接合面部和該第二光學組件的第二接合面部均呈球面狀，或者均呈非球 面狀。
在本發明所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法中，在該步驟(A) 中，該第一片體的橫截面是呈圓形，該對正標記是位于該第一片體的中心線并 對稱于該第一片體的中心。
實施本發明的整片式玻璃模造復合鏡片及其制造方法，具有以下有益效 果在兩個階段的成形過程中，利用Tg點差異大的玻璃材質形成整片式玻璃 模造復合鏡片。在同一模穴中，于不同階段加壓成形的玻璃鏡片會因表面的反應或融著現象，在無須任何接著物質的輔助下仍能緊密結合在一起，且兩個鏡 片在界面處具有共同形狀的曲面，達到收色差的效果。除此之外，在含多個光 學元件的基板上，以對正標記進行精密對準切割制程，提升了產量與制造精度。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中 圖1是現有技術中用于模造多個單鏡片的模具的橫截面圖； 圖2是本發明的模具組的示意圖3是本發明的第一片體在第一階段成形前，模具組與第一片體的橫截面
圖4是本發明的第一片體在第一階段成形時，模具組與第一片體的橫截面
圖5是本發明的玻璃模造復合鏡片在第二階段成形前，模具組、玻璃預形 體、以及第一片體的橫截面圖6是本發明的玻璃模造復合鏡片在第二階段成形時，模具組、玻璃預形 體、以及第一片體的橫截面圖7是本發明的整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板的橫截面圖8是從圖7所示的整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板分離得到的單個整 片式玻璃模造復合鏡片的橫截面圖。
圖9是將單個整片式玻璃模造復合鏡片從整片式玻璃模造復合鏡片陣列 基板上分離的示意圖10是將單個整片式玻璃模造復合鏡片從整片式玻璃模造復合鏡片陣列 基板上分離的橫截面圖。
具體實施例方式
圖2是本發明的模具組的示意圖。參照圖2，該模具組用于成形光學元件 陣列，從而得到例如光學鏡片(Optical Lens)、微小鏡片(Micro Lens)、微 小鏡片陣列(Micro Lens Array)或衍射光學元件(Diffractive OpticalElement)。該模具組100包括多個按照特定規則性陣列排列的成形模仁101、 以及多個對正標記模仁102，模具100的橫截面可以是圓形或者方形。
將圖中成形模仁101所排列的行和列的方向分別定義為X和Y方向，這兩 個方向也是所成形的光學元件陣列基板的切割方向。多個成型模仁101的中心 在X方向的間距相等，均為A，且多個成型模仁IOI的中心在Y方向的間距相 等，均為B。 X方向上的模仁中心間距A和Y方向上的模仁中心間距B可以相 等或者不相等，這根據最終光學元件的外觀來確定。當最終的光學元件為長方 形時，A與B不相等；當最終的光學元件為正方形時，A與B相等。
多個對正標記模仁102排列于模具組100的中心及兩側。其數量可以為， 例如兩個，并分別配置于模具組100中心的兩側。對正標記模仁102的排列間 距可以與以上所述的成形模仁101的間距相同，也可以與之不同。但是，對正 標記模仁102需配置于模具組100的中心線上，各對正標記模仁102的間距相 等且關于模具組100的中心對稱。此外，成形模仁101均布且對稱地排列在對 正標記模仁102的兩側。
成形模仁101的外徑或者最終光學元件的光學有效直徑在X方向的間距為 C，在Y方向的間距為D。得到最終的光學元件陣列基板后，將沿著兩個光學 元件的有效直徑之間的部分進行切割，使其相互分離。根據最終的光學元件的 外觀，C和D可以相等或不等。當最終的光學元件為長方形時，C與D不相等； 當最終的光學元件為正方形時，C與D相等。
由于在分離相鄰的光學元件時，需要采用鉆石砥石刀具進行切割，因此成 形模仁101的外徑在X方向的間距C、在Y方向的間距D都必須大于鉆石砥石 刀片的厚度， 一般為100 500um。
模具組100組裝完成后，以具有模仁成形面的方向為鍍膜面施以表面保護 鍍膜工藝，在模仁成形面上形成保護層。該保護層可以是例如鉆石膜、碳塑薄 膜、類鉆碳薄膜、或者含有Pt、 Ir、 Re、 Ru、 Cr、 Ni、 Al、 Ti、 W、 Mo中的一 種或多種的金屬或化合物薄膜。
圖3是本發明的第一片體在第一階段成形前，模具組與第一片體的橫截面 圖。如圖3所示，上模具組100和下模具組200彼此相對設置。其中上模具組100包括如上所述的多個成形模仁101、多個對正標記模仁102、以及固定壓板104。類似地，下模具組200包括多個成形模仁201、多個對正標記模仁202、以及固定壓板204。第一片體300由第一玻璃材質制成，位于上模具組100和下模具組200之間。上模具組100和下模具組200分別帶有模仁成形面103、203，分別用于第一片體300的頂面、底面的成形。
模仁成形面103、 203可以均為凸面，這種情況下所得到第一光學元件的兩面均為凹面；模仁成形面103、 203也可以是其中一個為凸面，另一個為凹面；這種情況下所得到第一光學元件的一面為凹面，另一面為凸面。此外，模仁成形面103、 203可以是球面或者非球面，其尺寸也可以有所差異。這些都可根據要求而改變。
在相同的排列方向上，成形模仁101和成形模仁201具有相同的中心間距E。圖3是沿著圖2中的Y方向得到的橫截面，E與B相等。并且，成形模仁101和成形模仁201的排列方式采用上下一對一的方式，以確保上模具組100的各成形模仁101和對正標記模仁102，能與下模具組200的各成形模仁201和對正標記模仁202的中心軸線重合。
在模造成形前，第一片體300置于模穴中央。當需在第一片體300上成形凸面形光學元件時，對應的成形模仁為凹面形。為了避免凹面的成形模仁內殘留氣體，成形前必須施以真空處理。凹面形光學元件的成形無氣泡殘留的疑慮，因此一般不必施以抽真空處理。
第一片體300的橫截面形狀為圓形或者方形，視模具組100和200的形狀或設計而定。
圖4是本發明的第一片體在第一階段成形時，上、下模具組IOO、 200與第一片體300的橫截面圖。參照圖4，該第一片體300具有頂面304和底面305。上、下模具組IOO、 200將第一片體300夾在中間，成形時，采用例如電阻式或紅外線加熱方式，對上、下模具組IOO、 200以及第一片體300進行直接或間接加熱。當溫度達到第一片體300的軟化點或接近軟化點的成形溫度時，移動上模具組100往下運動；或者移動下模具組200向上運動，并對第一玻璃材質的第一片體300施加適當的成形壓力，直至達到所需的厚度，隨后加以冷卻并取出。此時上、下模具組100、 200的成形模仁101、 201在第一片體300 的頂面和底面之間形成多個第一光學元件301，這多個第一光學元件301沿著 切割方向X、 Y呈多組式排列，其上形成第一結合面部306。同時，對正標記 模仁102、 202的記號也轉印于第一片體300上，形成含有對正標記302、 303 的第一片體300。該第一片體300包括四個對正標記，其中兩個對正標記302 沿著X或Y中的一個切割方向設置于第一片體300的頂面304;另兩個對正標 記303沿著X或Y中的一個切割方向設置于第一片體300的底面305。第一階 段的成形結束。
參照圖5和圖6，在第二階段的成形過程中，會在第一片體300上成形多 個第二光學元件，形成整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板。將第一階段成形時 得到的第一片體300以對正標記303對位后，放置于模穴中，并將多個第二玻 璃材質的玻璃預形體500放置于第一玻璃材料形成的第一片體300的第一結合 面部306上。使用上模具組800、下模具組200將它們夾在中間。在圖5和圖 6所示實施例中，上模具組800包括多個成形模仁801、多個對正標記模仁802、 以及固定壓板804。上模具組800使第二玻璃材質的玻璃預形體500的一面成 形為凸面，因此其模仁成形面803為凹面。這可通過更改成形模仁101或更換 模具組來實現。
第一玻璃材質的第一片體300與第二玻璃材質的玻璃預形體500的差別在 于，這兩種材質的玻璃轉化溫度(Glass Transformation Point, Tg點，玻 璃黏度約1012泊)差異較大，且第一玻璃材質的玻璃轉化溫度(Tg點)必須 大于或等于第二玻璃材質的軟化點溫度(Soft Point, SP點，玻璃黏度約1076 泊)。該第二玻璃材質的成形溫度介于其軟化點溫度與其降伏點溫度之間，并 且，該第二玻璃材質的成形溫度小于或等于其軟化溫度，大于其降伏點溫度。 在模造成形過程中，先在第一階段成形的過程中使第一玻璃材質的第一光學元 件成形；之后在第二階段成形的過程中才使第二玻璃材質的第二光學元件成 形。
之后，采用例如電阻式或紅外線加熱方式，對上模具組800、下模具組200、 以及第二玻璃材質的玻璃預形體500進行直接或者間接加熱。加熱的溫度不高于第一玻璃材質的第一片體300的Tg點，這是考慮到加熱不至于造成較早成 形的第一片體300產生變形現象，并能在模造時維持其應有的曲面形狀與表面 狀況。當溫度達到第二玻璃材質的玻璃預形體500的軟化點或者接近其軟化點 的成形溫度時，移動上模具組100往下運動，或者移動下模具組200往上運動， 并對玻璃預形體500施加適當的成形壓力，直至達到所需的厚度為止，隨后加 以冷卻并取出。此時形成第二光學元件400。
在加熱過程中，第一片體300的第一接合面部306與第二玻璃材質的第二 光學元件400的第二接合面部401相鄰，且兩者之間的界面發生反應或者融著 現象，使得兩者無需任何接著物質的輔助就能夠緊密結合在一起。上模具組 100上的模仁成形面106的形狀將轉印于第二玻璃材質的第二光學元件400 上，且第二玻璃材質的第二光學元件400將貼附于第一片體300的第一光學元 件301上，形成具有對正標記記號302、 303的整片式玻璃模造復合鏡片陣列 基板600 (參照圖7)。其中第一接合面部306和第二接合面部401可以均為球 面，或者均為非球面。
在本發明的第一實施例中，第一玻璃材質是日本OHARA公司的L-LAL13 號玻璃，其Tg二534。C， SP=618°C，在第一階段的成形中，于605t:成形；第二 玻璃材質是日本OHARA公司的L-PHL2號玻璃，其Tg=381°C， SP=440°C，在第 二階段的成形中，于435i:成形。
在本發明的第二實施例中，第一玻璃材質是日本HOYA公司的M-BACD5N 號玻璃，其Tg二480。C， SP=625°C，在第一階段的成形中，于610。C成形；第二 玻璃材質是日本OHARA公司的L-PHL1號玻璃，其Tg二347。C， SP=408°C，在第 二階段的成形中，于40(TC成形。
在本發明的第三實施例中，第一玻璃材質是德國Schott公司的BK7號玻 璃，其Tg二557X:， SP=719°C，在第一階段的成形中，于70(TC成形；第二玻璃 材質是日本Sumita公司的K-PG395號玻璃，其Tg=381°C， SP=420°C，在第二階 段的成形中，于398'C成形。
由于形成整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板600的兩種玻璃材料具有差 異較大的Tg點，并在同一模穴中以不同階段的加壓成形工藝制成，因界面的反應或融著現象而緊密結合，且兩個光學元件在界面處具有共同形狀的曲面， 無異質界面，能充分提升復合式鏡片的收色差效果。此外，兩個光學元件在同 一模穴中直接模造接合成形，可確保同心，無需任何后續調芯工程。并且模造 接合成形的接合強度高，界面無接合物質不發生界面劣化，且受熱膨脹影響小； 接合成形后，可再直接進行退火、定芯、涂墨等工程，而不發生界面剝離現象。
如圖7和圖8所示，整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板600含有上對正標 記302、下對正標記303，其上的整片式玻璃模造復合鏡片為規則形陣列，具 有第一面形601、第二面形602、和第三面形603 (參照圖8)，并且由第一玻 璃材質的第一光學元件301和第二玻璃材質的第二光學元件400組合而成。其 中，第二面形602由第二光學元件400的第二接合面部401融著于第一片體 300的第一接合面部306而形成。之后利用對正標記302、 303以及規則陣列 的特性，沿著切割方向將單個整片式玻璃模造復合鏡片從整片式玻璃模造復合 鏡片陣列基板600上分離，得到所需的整片式玻璃模造復合鏡片700 (如圖8 所示)。以下將參照圖9和圖10描述將光學元件分離的過程。
參照圖9和圖10，將沿著各光學元件之間的X方向的切割道605、 Y方向 上的切割道606來切割整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板600。 X方向的各切 割道605之間的間距必須相等，且Y方向的各切割道606之間的間距必須相等。 根據最終的光學元件的外觀，X方向的各切割道605之間的間距和Y方向的各 切割道606之間的間距可以相等或不等。當最終的光學元件為長方形時，兩者 不相等；當最終的光學元件為正方形時，兩者相等。
將整片式玻璃模造復合鏡片700自整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板600 上切割分離，需先以顯微鏡或CCD校準多個對正標記302、 303的相對位置， 以作為后續鉆石砥石切割時的基準。依此基準，調節數控平臺與待切割基板的 相對位置，使切割過程沿著切割道605、 606進行，最終獲得整片式玻璃模造 復合鏡片700。
在圖9所示的實施例中，整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板600為圓形， 切割得到的整片式玻璃模造復合鏡片700為正方形，且具有凸面和凹面面型。 參照圖10，切割分離時，將整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板600平整黏貼于UV膠帶903上，并固定于切割機的數控平臺905上。隨后采用CCD顯 微鏡頭902校準多個對正標記302的相對位置。校準時，在屏幕906上對準并 重迭經放大的對正標記302與CCD校準記號901,直到多個對正標記302與CCD 校準記號901的相對位置完全吻合。校準記號的形狀為例如方形、菱形、星形、 十字線等。
以多個對正標記302、 303校準所得到的相對基準線為依據，利用計算機 運算并控制相對多個切割道605、 606的位置，以高速回轉的鉆石砥石刀具904 進行切割作業。切割時切刃必須切透整片式玻璃模造復合鏡片陣列基板600， 但不切透UV膠帶903。切割完成后，以UV光照射，分離得到獨立的多個整片 式玻璃模造復合鏡片700。
本發明在兩個階段的成形過程中，利用Tg點差異大的玻璃材質形成整片 式玻璃模造復合鏡片，解決了平板玻璃形成凸面面行的成形干涉問題。在同一 模穴中，于不同階段加壓成形的玻璃鏡片會因表面的反應或融著現象，因此在 無須任何接著物質的輔助下仍能緊密結合在一起，且兩個鏡片在界面處具有共 同形狀的曲面，達到收色差的效果。除此之外，在含多個光學元件的基板上， 以對正標記進行精密對準切割制程，提升了產量與制造精度。
權利要求
1.一種整片式玻璃模造復合鏡片，其特征在于，包含第一片體，是由第一玻璃材料制成，該第一玻璃材料具有玻璃轉化溫度，該第一片體具有頂面、底面、多個沿數切割方向形成于該頂、底面之間而呈多組式排列的第一光學元件，該第一光學元件分別具有第一接合面部；及多個第二光學元件，是由多個第二玻璃材料分別制成，每一第二玻璃材料具有小于或等于該第一玻璃材料的玻璃轉化溫度的成形溫度，該第二光學元件分別具有融著于該第一接合面部上的第二接合面部。
2. 根據權利要求1所述的整片式玻璃模造復合鏡片，其特征在于，更包含 對正標記，位于該第一片體沿其中任一切割方向設置于該頂、底面的至少其中 一者上。
3. 根據權利要求1所述的整片式玻璃模造復合鏡片，其特征在于，該第一 光學組件的第一接合面部和第二光學組件的第二接合面部均呈球面狀，或者均 呈非球面狀。
4. 根據權利要求1所述的整片式玻璃模造復合鏡片，其特征在于，該第一 光學元件是沿兩互相垂直的切割方向形成于該頂、底面之間而呈多組式排 列。
5. 根據權利要求2所述的整片式玻璃模造復合鏡片，其特征在于，該第一 片體的橫截面是呈圓形，該對正標記是位于該第一片體的中心在線并對稱于 該第一片體的中心。
6. —種整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法，其特征在于，包含(A) 將第一玻璃材料成形為第一片體，該第一玻璃材料具有玻璃轉化溫 度，該第一片體具有頂面、底面、多個沿數切割方向形成于該頂、底面之間而 呈多組式排列的第一光學元件，該第一光學元件分別具有第一接合面部；及(B) 將多個第二玻璃材料分別在該第一光學元件的第一接合面部上同步 成形為多個第二光學元件，每一第二玻璃材料具有小于或等于該玻璃轉化溫度 的成形溫度，該第二光學元件分別具有融著于該第一接合面部上的第二接合面部。
7. 根據權利要求6所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法，其特征在 于，在該步驟(A 〕中，至少一對正標記沿其中一切割方向設置于該頂、底面 的其中一者上。
8. 根據權利要求6所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法，其特征在 于，更包含在該步驟(B)之后的步驟(C),在該步驟(C)中，沿該切割方 向將該第一光學元件切割分離。
9. 根據權利要求6所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法，其特征在 于，該第一光學組件的第一接合面部和該第二光學組件的第二接合面部均呈球 面狀，或者均呈非球面狀。
10. 根據權利要求7所述的整片式玻璃模造復合鏡片的制造方法，其特征 在于，在該步驟(A)中，該第一片體的橫截面是呈圓形，該對正標記是位于 該第一片體的中心線并對稱于該第一片體的中心。
全文摘要
本發明涉及一種整片式玻璃模造復合鏡片及其制造方法，該整片式玻璃模造復合鏡片，包含第一片體，是由第一玻璃材料制成，該第一玻璃材料具有玻璃轉化溫度，該第一片體具有頂面、底面、多個沿數切割方向形成于該頂、底面之間而呈多組式排列的第一光學元件，該第一光學元件分別具有第一接合面部；及多個第二光學元件，是由多個第二玻璃材料分別制成，每一第二玻璃材料具有小于或等于該玻璃轉化溫度的成形溫度，該第二光學元件分別具有融著于該第一接合面部上的第二接合面部。該整片式玻璃模造復合鏡片能收色差。
文檔編號C03B23/22GK101665321SQ200810149108
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月2日 優先權日2008年9月2日
發明者王坤池 申請人:亞洲光學股份有限公司