CN1496964A - 光学玻璃元件的成形方法及成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学元件的成形方法和成形装置，通过积极控制需要成形的光学玻璃坯料内部的加热时和冷却时的温度分布，对形状难度高的光学玻璃元件进行成形。该光学玻璃元件的成形方法在由一对相对的上模具和下模具构成的成形模具之间配置光学玻璃坯料，在加热所述成形模具的同时，把所述光学玻璃坯料加热成可以流动的状态，通过使所述成形模具相对接近，进行模压成形，在冷却后使所述成形模具和所述光学玻璃坯料分离，取出所述光学玻璃坯料，在该方法中，在所述加热时、所述冷却时、或所述加热时及冷却时，给所述成形模具赋予温度分布。

Description

光学玻璃元件的成形方法及成形装置

技术领域

本发明涉及一种光学玻璃元件的成形方法及成形装置。

背景技术

最近，要求扩大透镜***的设计自由度、实现迄今不能做到的小型化或大口径化、以及提高光学性能的要求日益高涨，可以实现该要求的非球面透镜的需求越来越大。作为具有该非球面透镜形状的光学元件的成形方法开发出多种下述方法，即，通过在具有非球面形状的成形模具之间配置光学玻璃坯料的状态下进行模压，来成形获得所需形状的光学元件。

例如，在可滑动地***约呈圆筒形的部件即套筒(以下称为“套筒”)中的一对约呈圆柱状的成形模具之间夹着光学坯料，在该状态下用灯加热器(ランブヒ一タ一)从套筒外周部进行加热，使成形模具相对接近而模压进行成形。该方法用灯加热器均匀加热成形模具和光学玻璃坯料。作为这种均匀加热方法，特开平7-277750号公报等是在成形模具内部设计中空的凹部，通过进行温度控制来抵消成形面的不平整状态。这种成形模具或加热装置从结构上采取的用于使温度分布均匀的各种装置是基于下述概念构成的：即最佳状态是使需要成形的玻璃内部的温度分布维持均匀。

可是，这种方法在光学玻璃坯料厚以及是非球面时，很难进行均匀的温度分布控制，因而不能适用。所以，从以前就开始开发根据光学玻璃坯料的厚度来控制温度的方法。

该方法之一是具有单体加热光学玻璃坯料的工序的方法，在进行单体加热时，根据所需的光学玻璃元件形状的厚度来控制温度分布(参照特开平5-24858号公报)。

其他方法是，在成形后的冷却工序中，使光学面部中心的温度保持高于非光学面部的温度来进行冷却(参照特开平2-55235号公报)。

但是，如特开平5-24858号公报所述，即使通过单体加热工序来对模压成形前的光学玻璃坯料赋予温度分布进行成形，实际上在光学玻璃坯料和成形模具的成形面接触后的极短时间内，在光学玻璃坯料和成形模具之间产生热交换，所以存在所赋予的温度分布消失的问题。这点已被使用最近取得进步的温度分布计算模拟技术所进行的实际温度分布计算结果所证实。

特开平2-55235号公报中，为了给冷却中的模具赋予温度分布，在接触热源的模具局部设计刻纹。但是，该发明未对加热过程、冷却过程进行区分来积极控制温度分布，所以不能可靠准确地进行温度分布控制。

发明内容

本发明的目的在于，通过积极控制需要成形的光学玻璃坯料内部的加热时和冷却时的温度分布，来解决上述现有问题。具体而言，提供一种成形方法和成形装置，其通过不仅控制以往注意到的冷却时的光学玻璃元件的温度，还控制从加热到冷却的过渡温度分布，来解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明的第1方式涉及的一种光学玻璃元件的成形方法，在由一对相对的上模具和下模具构成的成形模具之间配置光学玻璃坯料，在加热所述成形模具的同时，把所述光学玻璃坯料加热成可以流动的状态，通过使所述成形模具相对接近，进行模压成形，在冷却后使所述成形模具和所述光学玻璃坯料分离，取出所述光学玻璃坯料，其特征在于，在所述加热时、所述冷却时、或所述加热时及冷却时，给所述成形模具赋予温度分布。

这样，通过给成形模具赋予温度分布，可以获得高精度的光学玻璃元件。

本发明的第2方式涉及的光学玻璃元件的成形方法是如第1方式所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，从所述光学玻璃坯料由于所述成形模具的相对接近所伴随的所述模压而开始变形起，到所述冷却后使所述成形模具和所述光学玻璃坯料分离为止的时间大于等于50秒。

本发明的第3方式涉及的光学玻璃元件的成形方法是如第1方式所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，进行所述光学玻璃坯料的所述模压加工时，利用气体对所述成形模具和所述光学玻璃坯料相互不接触的部分进行加热或冷却。

本发明的第4方式涉及的光学玻璃元件的成形方法是如第1方式所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予中心部温度高于外周部的温度分布，成形所述光学玻璃元件。

本发明的第5方式涉及的光学玻璃元件的成形方法是如第4方式所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予所述中心部温度高于外周部的温度分布，成形以下光学玻璃元件：外周部的与使所述成形模具相对接近的方向平行的方向的长度长于中心部。

本发明的第6方式涉及的光学玻璃元件的成形方法是如第1方式所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予中心部温度低于外周部的温度分布，成形所述光学玻璃元件。

本发明的第7方式涉及的光学玻璃元件的成形方法是如第6方式所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予所述中心部温度低于外周部的温度分布，成形以下光学玻璃坯料：外周部的与使所述成形模具相对接近的方向平行的方向的长度短于中心部。

本发明的第8方式涉及的光学玻璃元件的成形方法是如第1方式所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，所述成形模具与所述光学玻璃坯料接触的成形面的切线、和垂直于使所述成形模具相对接近的方向的平面形成的角度最大值大于等于15度。

本发明的第9方式涉及的一种光学玻璃元件的成形装置，在由一对相对的上模具和下模具构成的成形模具之间配置光学玻璃坯料，在加热所述成形模具的同时，把所述光学玻璃坯料加热成可以流动的状态，通过使所述成形模具相对接近来进行模压成形，在冷却后使所述成形模具和所述光学玻璃坯料分离，取出所述光学玻璃坯料，其特征在于，具有给所述成形模具赋予温度分布的温度分布赋予单元。

这样，温度分布赋予单元给所述成形模具赋予温度分布，由此可以获得高精度的光学玻璃元件。

本发明的第10方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第9方式所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述温度分布赋予单元在形成于所述上模具和下模具中至少一方的内部的空间中，配置由热传导率不同于所述成形模具材料的材料构成的温度调节部件。

本发明的第11方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第10方式权所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述温度调节部件接触所述成形模具和用于固定该成形模具的轴部件。

本发明的第12方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第10方式所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述温度调节部件具有加热单元。

本发明的第13方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第11方式所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述温度调节部件的热传递量大于通过所述成形模具和所述轴部件的接触而传递的热传递量。

本发明的第14方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第9方式所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述温度分布赋予单元使气体或液体在设于用于固定所述成形模具的轴部件的所述成形模具附近的通路中流通。

本发明的第15方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第9方式所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述成形模具配置在约呈圆筒状的部件即套筒的内部，并具有从所述套筒外侧加热所述成形模具的光能加热单元。

本发明的第16方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第15方式所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述套筒形成有多个透气孔。

本发明的第17方式涉及的光学玻璃元件的成形装置是如第15方式所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，所述光能加热单元由对应于所述上模具和下模具的两个或两个以上的光能加热单元构成，同时所述套筒具有对应于所述上模具和下模具的绝热边界。

附图说明

图1是表示本发明的成形方法的截面图。

图2是表示成形时的向量变化的截面图。

图3是表示在赋予温度分布状态下成形时的向量的截面图。

图4是表示以往的成形的问题点的截面图。

图5是表示利用本发明的成形条件进行成形的截面图。

图6是本发明的实施方式1的成形装置的截面图。

图7是本发明的实施方式2的成形装置的截面图。

图8是本发明的实施方式3的成形装置的截面图。

图9是本发明的实施方式4的成形装置的截面图。

图10是本发明的实施方式5的成形装置的截面图。

图11是本发明的实施方式6的成形装置的截面图。

图12是本发明的实施方式7的成形装置的截面图。

图13是本发明的实施方式8的成形装置的截面图。

图14是本发明的实施方式9的成形装置的截面图。

图15是本发明的实施方式10的成形装置的截面图。

具体实施方式

以下，使用图1～图5说明本发明的原理。图1所示的成形模具，为相对光轴旋转对称的形状，其用于成形如下双凹透镜：该双凹透镜光轴方向的中心部厚度为1mm而接触成形模具的最外周部的厚度为4mm，直径为15mm，该成形模具的上模具51和下模具52相对配置。上侧的上模具51的成形面51a为非球面形状，下侧的下模具52的成形面52a为球面形状。需要成形的光学玻璃元件的形状也可以是图1所示旋转对称形状以外的形状，例如，也可以是棱镜和二元光学元件等形成环形圆纹曲面的非旋转对称的玻璃元件形状或其他形状。

在上模具51和下模具52之间夹置光学玻璃坯料55，开始给它们加热。在开始模压前，在上模具51及下模具52与光学玻璃坯料55接触的状态下进行加热，但在加热结束后，也可以使上模具51接触光学玻璃坯料55。需要成形的光学玻璃坯料55的形状为两个平面的圆柱形状，但只要光学玻璃坯料55和成形结束时的形状多少有所不同，对光学玻璃坯料55的形状和种类不做特别限定。

光学玻璃坯料55的玻璃转移点例如是510℃，此时的粘度是10^12.75poise，软化点例如是595℃，此时的粘度是10^7.65poise，该区间的温度一粘度曲线约呈直线变化。给该光学玻璃坯料55和上模具51及下模具52加热，在光学玻璃坯料55的温度大于等于550℃、上模具51的成形面51a的光轴中心(面顶)部达到555℃时开始模压。此时，把预定与光学玻璃坯料55接触的上模具51及下模具52的成形面51a、52a的最外周部温度设定为548℃。

模压所用加压力F例如为2000N/cm²。在加压的同时，被加热的光学玻璃坯料55开始变形，沿着上模具51及下模具52，在上模具51及下模具52的成形面51a、52a和与其接触的光学玻璃坯料55之间进行热交换，光学玻璃坯料55的温度边同化成热容量大得多的上模具51和下模具52的温度，光学玻璃坯料55边向周边方向延伸扩展。

图1表示刚开始模压后的状态，位于上模具51的成形面51a中心部的光学玻璃坯料55基本不产生向外周侧的流动，所以垂直于上模具51的切线方向接受加压力F，产生反作用力F’，但由于粘度下降，所以F＞F’，光学玻璃坯料55开始变形。

下面，利用图2，对光学玻璃坯料55由于模压而扩展，成形面的切线与垂直于光轴的平面形成的角度θ为20°时(把此时的上模具51—光学玻璃坯料55的接触部分设为点A)，按以往实施的均匀温度进行成形时的情况进行说明。

图2中，距离中心位置越远，分解后的反作用力越小，与中心部分的反作用力F”相比，点A的反作用力F变得非常小。这是因为与光学玻璃坯料55的中心部分相比，在外周部分存在释放的外周部(光学玻璃坯料55的非成形模具接触部分)，所以流动的自由度高。另外，与使成形模具相对接近的方向平行的方向的长度比中心部长时，释放的面积将变大，作用于成形面的压力降低。同样，相对垂直于外周部光轴的平面形成的角度θ越大，来自光学玻璃坯料55的反作用力越小。此外，该角度θ超过规定角度时，有时光学玻璃坯料55会离开成形面。

结果，以往在接近外周部时不能得到确保希望的成形面精度的压力。图3表示与以往相比使用赋予了温度分布的成形模具来进行模压的本发明的方法。

赋予上模具51的温度分布，在图3所示的上模具51的点A比上模具51的光轴中心位置相对低3℃。此时，在点A通过与和上模具51的成形面51a接触的光学玻璃坯料55进行热交换，与中心位置相比，温度下降，粘度变高，所以流动的自由度降低。因此，可以加大点A的反作用力F。即，可以增大对成形面的模压力，提高复制精度。特别是成形面的切线相对垂直于光轴的平面形成的角度大于等于15°时，与图2相比，产生明显效果。

本发明为了降低玻璃粘度，使加热模压时的成形面温度、即成形模具的温度分布呈动态变化，这样，在中心部及外周部，可以控制光学玻璃坯料55及作用于成形面的压力。这里，由于中心部和周边部的理想温度差随模压的玻璃的粘弹性及模压速度、光学玻璃坯料55的体积及成形面的形状变化很大，所以不做特别规定，但希望赋予至少大于温度测定误差的2℃以上的温度差。

例如，在成形形状的外周部厚度小于中心部附近的厚度的凸透镜的情况下，随着上模具51和下模具52的相对距离的变化，越到外周部向直径方向扩展的距离越大。即，光学玻璃坯料55的流动速度变快，但光学玻璃坯料55的流动方向和成形面(例如51a)的模压方向是相对的方向，同时扩展的阻力增加，所以通过提高外周部温度，可以降低模压成形模具的成形压力，同时也能确保外周部的成形面精度。

光学玻璃坯料55的充分变形结束后，转入开始冷却的工序。在此为止的工序，已经具有通过赋给成形模具的温度分布给光学玻璃坯料55赋予温度分布的效果。象以往那样，在开始冷却后再开始赋予温度分布的方法，通过部分冷却或不理想地实施的部分加热，必然会导致周期延长，另外从确保面精度的稳定性方面考虑，成为不稳定因素的可能性高。与此相对，本发明的方法可以把加热时赋予的温度分布原样地、或通过连续改变分布形状以稳定状态转入下道工序，即降低温度的冷却工序。分布状态未必非要变更，但根据本发明的温度分布赋予单元，可以稳定积极地进行改变温度分布的控制。

在冷却工序，象以往那样，在均温状态、即成形模具和光学玻璃坯料没有温度差的状态下开始冷却时，会产生特开平2-55235号公报中利用该公报的图4说明的致命问题。如该公报图4所示，由于基于中心部和外周部的玻璃厚度差产生的收缩量差，外周部的玻璃与模具剥离。此时，如果玻璃粘度充分高，虽不会降低成形面的复制精度，但实际上是在粘度上升不充分的冷却状态发生剥离，所以不能获得所希望的复制精度。

以往，向接触成形模具的光学玻璃坯料的中心部到周边部赋予温度分布时，不进行特别控制。而本发明的方法与此不同，积极地对赋予成形模具的温度分布进行控制，从而可以解决上述问题。

图4用于说明这一点，表示利用成形模具进行的模压结束时，光学玻璃坯料55扩展至希望的范围开始冷却前的状态。在光学玻璃坯料55的模压扩展结束前，进行连续控制，使中心部温度为555℃、外周部温度为545℃，压力保持与模压时相同的状态。

整体温度随着冷却时间的经过而降低，最终达到不能流动的状态。在该过程中，利用赋予的温度分布，可以产生使中心部能流动、外周部不能流动的状态。此时，对应外周部的收缩可以使中心部进一步持续变形，以便不发生因外周部的收缩而导致的成形面和光学玻璃坯料55的剥离。严格地讲，通过从离开外周部成形面的位置开始停止流动状态，到外周部有些许流动，可以防止发生上述剥离。

利用该温度分布进行的流动控制，不仅可以简单地防止成形面51a、52a与光学玻璃坯料55的剥离，还可防止冷却时产生的成形品裂纹。即，图示成形面形状用以往的均匀温度进行了模压、冷却时，因为该形状原因而在冷却时产生形状变化(例如“翘曲”)。这种现象是因为在假设相对于通过上下成形模具的面顶间隔的中点的垂直于图5所示成形品的光轴53的平面，非球面侧距离L1和球面侧距离L2不同，用均匀温度冷却后的光学玻璃坯料55内产生应力时，非球面侧的残余应力大而造成的。与此相对，本发明不易产生前述“翘曲”。这是由于可以在冷却时产生流动，从而把应力控制为最小状态，因而可以大幅度减少内部变形。在该状态下，进行充分冷却，使上模具51和下模具52在不产生玻璃流动的区域相对分离，获得需要成形的光学玻璃元件。

本发明在光学玻璃坯料的加热结束后，使成形模具相对接近，光学玻璃坯料开始变形，模压结束后进行冷却，直至使成形模具中任一方从光学玻璃坯料离开，所需的时间约大于等于50秒，在此其间，继续积极地实施温度分布。这样，可以解决温度分布在短时间内消失的现有问题。

本发明通过控制温度分布，可以在保持成形面的复制精度的状态下，利用光学玻璃坯料55内的残余应力状态作出容易脱模的光学玻璃坯料55的“翘曲”。即，通过使用积极改变上下成形模具的温度分布的单元，可以控制成形品中产生的流动状态、应力产生方向及其发生量。

下面，说明在凸透镜形状的冷却状态中的作用。凸透镜与凹透镜相反，在冷却过程中，以赋予中心部即厚度大的部分的温度低、外周部厚度小的部分的温度高的温度分布状态进行冷却，从而即使在中心部粘度高、不能流动状态下产生收缩时，外周部仍处于可流动状态，并且使玻璃向外周部扩展，因此可以防止成形面和玻璃的剥离。另外，以往在均匀冷却即保持温度分布的状态下进行冷却时，即使成形面均匀冷却，中心部的玻璃由于因其形状而产生的热容量不同，致使冷却滞后，最后中心部收缩。随之，由于外周部和中心部相互拉伸，使得成形品破损。这种情况多发于为了缩短周期而在短时间内进行冷却的场合，但通过利用本发明，可以防止这种破损。此外，通过实施本发明的积极的温度分布控制，不仅可以简单地防止成形品的破损，还可以控制成形品的光学面的缺陷的数量及其位置。

以下，利用图示实施方式具体说明本发明。对各实施方式中相同的部件赋予同一标号。

实施方式1

图6表示可以赋予温度分布的实施方式1的成形装置。

上模具1和下模具2是由在成形光学玻璃坯料20所需的温度区域具有足够强度的材料(例如，超硬合金、SIC等)形成的。这些模具1、2通过附件(attachment)16、17连接相对地驱动模具的上轴5和下轴6。为了便于说明，上模具1和下模具2的成形面形状采用平面，但成形面可以是任何喜欢的形状。

在上模具1和下模具2的内部形成空间3和空间4。该空间3、4形成于各个模具1、2的大致中央部分。空间3、4中填充有比构成模具1、2的材料热传导率小的材料，例如高密度氧化铝等。只要热传导率和热容量小于构成成形模具的材料的热传导率，可以针对后述的期望的温度分布，适当选择最佳材料。

在上模具1、下模具2的内部***热电耦10、热电耦11。在上模具1附近周围设置气氛加热炉8，作为加热单元，同样在上模具2附近周围设置气氛加热炉9。加热单元不必限定于气氛加热炉8、9，也可以用灯加热器等代替。为了对应上下成形模具而分为两个气氛加热炉8、9，但如果不需要调整上下模具1、2的温度，也可以使用一个气氛加热炉。这些气氛加热炉8、9通过热电耦12、13来进行温度控制。

在上轴5和下轴6中形成冷却通路18、19，通过将冷却介质提供给冷却通路18、19，可以控制上模具1和下模具2的温度。

该实施方式中，首先利用未图示的方式把光学玻璃坯料20放置在下模具2上，使通过附件16连接上模具1的上轴5和通过附件17连接上模具2的上轴6相对接近，以夹持光学玻璃坯料20，利用气氛加热炉8、9，使用热电耦10、11控制温度，给上模具1、下模具2及光学玻璃坯料20加热。

在上模具1、下模具2及光学玻璃坯料20通过辐射热达到期望的温度的状态下，使用未图示的驱动单元(例如，使用直动型气缸和伺服电机及滚珠丝杠的直动方向驱动机构)进行加压，从而进行光学玻璃坯料20的模压、成形。然后，使上模具1和下模具2接近到期望位置后，停止利用气氛加热炉8、9进行的加热，开始冷却。

与此同时，使此前处于密闭气体状态下的冷却通路18、冷却通路19流过冷却介质，从而开始冷却。所用的冷却介质是被加压到20N/cm²的纯水，但根据期望的冷却速度，也可以使用热容量大的油，例如，ISO VG18级矿油，或热容量小的水蒸气和氮气等。加热时，需要根据上轴5和下轴6的构成材料种类(例如SUS304)，进行控制使上轴5、下轴6的温度不上升到高于上轴5、下轴6的材料强度降低的温度。在本情况下，通过在上轴5和下轴6设置用于测定温度的未图示的热电耦，使冷却通路18、19流过少许冷却介质，来抑制过度的温度上升。这些冷却方法同样也适用于以下各实施方式。

开始冷却后，被加热后的热能传递给模具1、2，并通过在上轴5、下轴6内部的冷却通路18、19内循环的冷却介质传递到***外面。此时，与上模具1及下模具2接触的光学玻璃坯料20的温度分布，根据成形模具的结构特征，热量被外周部夺取，相对于中心部，外周部温度降低。填充在空间3、4中的材料在加热模具1、2时被加热到几乎相同温度，由于热传导率低，所以能够使中心部保持为高温度。

成形模具开始冷却，通过向轴5、6的热传导，温度开始降低，由于填充在空间3、4中的材料的热传导率小于构成成形模具的材料的热传导率，所以相对成形模具的温度降低，其温度降低滞后。这样，与成形模具外周部的温度相比，可以使中心部保持高温，能够把温度分布幅度设定得较大。另外，由于成形模具内部的空间3、4的形状不同，与被模压的光学玻璃坯料20接触的成形面的温度分布状态会发生变化，所以通过根据期望的光学元件形状来自由设定空间3、4的形状，调整冷却速度，结果，可以任意设定温度分布的温度幅度及分布形状。

实施方式2

图7表示本发明的实施方式2的成形装置。本实施方式与实施方式1的不同点是：在上模具1及下模具2内部的空间3、4中***配置热传导轴14、15作为温度调整部件。

热传导轴14、15的其中一侧接触上轴5、下轴6，另一侧接触上模具1、下模具2。在本情况下，把热传导轴14、15配置成接触模具1、2的中心部的状态。

热传导轴14、15***并嵌合在上轴5、下轴6上。热传导轴14、15的材料的热传导率优选大于或大概等同于模具1、2所用的材料，只要至少具有7kcal/mh℃左右的热传导率，就能充分发挥效果。作为材料，例如，成形模具1、2为超硬合金材料，而热传导轴14、15的材料只要不是热传导率低于超硬合金的氧化铝等的组合，就没有问题。

此外，实施方式1中，形成上模具1及下模具2直接接触上轴5、下轴6的结构，但本实施方式的结构是：上模具1及下模具2从上轴5、下轴6略微浮起，通过附件16、17来固定，所以相应地热传导轴14、15的长度也长了那么多。

本实施方式中，与实施方式1相同，把光学玻璃坯料20夹在上模具1及下模具2之间，使用气氛加热炉8、9给上模具1及下模具2、光学玻璃坯料20加热。上模具1及下模具2达到希望的温度时，使两者相对接近，模压光学玻璃坯料20。

此时，热传导轴14、15位于模具1、2内部，从而加热时的模具1、2成形面的温度分布是中心部低于外周部。这是因为上轴5、下轴6中没有加热单元而温度低，通过与相当于模具1、2成形面中心部的里侧部分接触的热传导轴14、15，热量沿轴方向被夺取。这样，本实施方式可以赋予加热时中心部温度低于外周部的温度分布。

模压成形后，为了进行冷却，使上轴5、下轴6的冷却通路18、19中流通冷却介质。结果，上轴5、下轴6的温度急速降低，继而热传导轴14、15被冷却，其顶端接触的模具1、2成形面中心部的里侧温度降低。即，与实施方式1相反，可以实现冷却时中心部温度低于外周部的分布状态。

开始冷却后，通过不停止气氛加热炉8、9的通电并控制为希望的温度，加热上模具1、下模具2的外周部，并且同时利用从冷却通路18、19通过的冷却介质的热交换进行冷却，由此可以赋予温度幅度更宽的分布。

在该实施方式中，模具1、2的底面与上轴5、下轴6不直接接触，但为了获得以上效果，并非不允许有部分接触。假定模具1、2的底面和上轴5、下轴6的一部分接触，在接触面积不会产生超过热传导轴14、15传递的热容量的热传递的情况下，就能获得上述效果。因此，通过调整模具1、2的底面与上轴5、下轴6的接触面积，可以调整由热传导轴14、15进行温度分布的效果。

实施方式3

图8表示本发明的实施方式3的成形装置。本实施方式在实施方式1的空间3、4内部配置热传导轴14、15，同时在热传导轴14、15中***例如筒形加热器22、23作为加热单元。

与实施方式2不同，***有筒形加热器22、23的热传导轴14、15***在上模具1、下模具2的空间3、4中，不仅密切接触模具1、2的成形面里侧，同时还形成略微嵌合在模具1、2侧面的状态。

本实施方式中，将热传导轴14、15与上轴5、下轴6的接触设定得尽可能少。这是为了把与上轴5、下轴6的热传递抑制到最小限度。因此，如果需要，也可以在热传导轴14、15和上轴5、下轴6之间***绝热材料等。

本实施方式中，首先利用未图示的方式把光学玻璃坯料20夹在上模具1和下模具2之间，利用气氛加热炉8、9进行加热。此时，同时也使用筒形加热器22、23进行加热。其优点是：可以缩短模具1、2的升温时间、可以在赋予中心部温度高于外周部的温度分布状态下进行加热。此时，可以利用气氛加热炉8、9的加热器输出和筒形加热器22、23的输出平衡来改变温度分布，所以通过筒形加热器22、23的输出，可以缩短模具1、2的升温时间，并形成与实施方式1相反的温度分布即中心部温度高于外周部的加热状态。

达到希望的温度后，使模具1、2相对接近以模压光学玻璃坯料20。此时，相对气氛加热炉8、9的设定温度，把热传导轴14、15内的筒形加热器22、23的温度控制为高温，由此使加热时成形面的温度分布为中心部高于外周部。

然后，为了开始冷却，降低或停止气氛加热炉8、9的输出，使在上轴5、下轴6的冷却通路18、19中流通冷却介质。这样，上轴5、下轴6的温度急速降低，但热传导轴14、15与上轴5、下轴6的接触被设定得尽可能少，热传导轴14、15接触的模具1、2的成形面的里侧以及略微接触的侧面不被上轴5、下轴6直接冷却。另外，通过把热传导轴14、15内的筒形加热器22、23保持为高温状态，虽然作为整体***在进行冷却，但可以持续赋予使中心部保持高于模具1、2外周部的温度分布。

实施方式4

图9表示本发明的实施方式4的成形装置。本实施方式的模具1、2被***在内部高精度地嵌合的可以滑动的套筒21内。套筒21为圆筒状，并被固定在上模具1上。所谓套筒是指大致呈圆筒状的部件，虽然套筒21只要是大致呈圆筒状的部件即可，但此处是圆筒状部件。加热单元使用光能，具体来讲使用红外线灯加热器28、29。使用光能的加热单元也可以使用短波长灯加热器或激光。

本实施方式使用石英管7，模具1、2及周边******在由石英管7保持为气密状态的空间内。这样，在高温状态下可以在由惰性气体、例如由氮气形成的非氧化性气氛下进行成形，所以即使使用高温下被氧化的材料，也能大幅度降低腐蚀程度。另外，红外线灯加热器28、29配置在石英管7的外侧，在附近设置用于控制红外线灯加热器28、29的输出的温度传感器即热电耦12、13。

在本实施方式中，模具1、2侧面和套筒21的侧面不是整面嵌合，而是仅有一部分嵌合。这是因为结束成形后开始冷却时，如果热容量大的套筒21与模具1、2的整个侧面嵌合，与实施方式1相比，很难降低外周部的温度分布。通过采用这种结构，可以在容易由套筒21将上下模具1、2的驱动精度即光学玻璃元件的偏心精度地保持为高精度的状态下，进行中心部温度高于外周部的温度分布控制。

在构成套筒21的材料的热传导率小于模具1、2的材料的热传导率时，根据热传导率调整嵌合部分的长度即可。

实施方式5

图10表示本发明的实施方式5的成形装置。本实施方式以图7所示的实施方式2为基础，但与实施方式2的不同点是：使用套筒21、使用红外线灯加热器28、29在由石英管7形成的气密状态下进行成形。

与实施方式2的相同之处是：热传导轴14、15***在模具1、2内部，可以把内侧温度设定得高于模具1、2成形面的外周部的温度。套筒21和模具1、2的侧面形成尽可能增加嵌合面积的结构。因此，即使在光学玻璃坯料整体放出热能即被冷却的状态下，也能用红外线灯加热器28、29加热套筒21加热，由此可以实现分布温度幅度大的控制。

实施方式6

图11表示本发明的实施方式6的成形装置。本实施方式相对于图10所示的实施方式5，把筒形加热器22、23分别***热传导轴14、15内部来作为加热单元。

通过设置筒形加热器22、23，可以从内部进行加热，与实施方式5相比，可以实现分布温度幅度大的控制。

实施方式7

图12表示本发明的实施方式7的成形装置。本实施方式相对于图9所示的实施方式4，在冷却时利用填充的或流过的惰性气体G，例如氮气，对模具1、2成形面与光学玻璃坯料20未接触部分的模具1、2和光学玻璃坯料20进行冷却。

圆筒状套筒21在厚度方向贯穿有多个透气孔21a，形成气体可以在套筒21内外流通的状态。在实施方式1～6中，模具1、2的成形面的热分布传递给光学玻璃坯料20来进行温度分布，但本实施方式中，利用惰性气体G更积极地控制成形面与光学玻璃坯料20未接触部分的模具1、2和光学玻璃坯料20的温度，由此能够在加热时或冷却时赋予自由度更高的温度分布。

所用气体未必仅控制模具1、2的成形面与光学玻璃坯料20未接触部分的温度，也可以通过与套筒21的表面或上模具1、下模具2的侧面之间产生热交换，控制光学玻璃坯料20的温度分布。

本实施方式使用了惰性气体，但如果是氧化气氛中可以使用的模具，则不必非是惰性气体。作为气体，通过接触未图示的温度控制单元来进行热交换，可以达到必要的温度，该温度控制单元用于冷却或加热到可以对想改变的希望的部分产生影响的温度。

实施方式8

图13表示本发明的实施方式8的成形装置。本实施方式相对于图1所示的实施方式6而言，套筒21的结构不同。即，本实施方式的套筒21在对应上模具1的套筒部分和对应模具2的套筒部分之间设置绝热边界24。即使在实施方式6中为了进行希望的温度分布或温度分布控制而分别控制灯加热器28、29，但利用套筒21的热传导仍不能向模具1和模具2提供希望的的温度变化时，通过在套筒21中设置绝热边界24可以实现这个目标。

套筒21的绝热边界24，例如，可以通过使厚度变薄、或开孔来减少截面积、或通过热传导率低的材料来连接等方式进行设置。这样，通过设置绝热边界24，可以降低作为连接模具1、2之间的热传递部件的效果。

实施方式9

图14表示本发明的实施方式9的成形装置。本实施方式9中，成形旋转对称形状的双凹透镜来作为光学玻璃元件。

利用超硬合金制作成形模具即上模具1和下模具2，形成各自的直径(φ)为30mm，成形面1a、2a的直径(φ)为27mm，曲率半径(R)为25mm的凸面形状。模具1、2分别通过附件16、17固定在上轴5、下轴6上。在上轴5、下轴6内形成冷却通路18、19，在成形前填充气体(N2)。

模具1、2以可滑动的嵌合状态被***圆筒状套筒21内部，嵌合间隙是直径差为5μm。套筒21的材质使用多孔质氧化铝。在模具1、2的中心部分分别形成圆筒状空间3、4。在上模具1、下模具2的内部***热电耦10、11，在圆筒状空间3、4内部配置热传导轴14、15。

如图所示，热传导轴14、15形成为与成形面1a、2a的里侧和上下轴5、6具有接触面的形状。热传导轴14、15的材料使用不锈钢(SUS304)。在热传导轴14、15内部分别配置输出为600w的小型筒形加热器22、23。套筒21和模具1、2侧面不是整面接触，而是从成形面1a、2a起朝向轴方向设置长度为20mm的非接触部分。

在上轴1和下轴2之间，利用未图示的方式***光学玻璃坯料20，形成以30N负荷被上模具1和下模具2夹持的状态。光学玻璃坯料20是玻璃材料L-LAH53，是直径为25mm、厚度为7mm的圆柱状，两端形成平面研磨面。

由模具1、2和套筒21、轴5、6构成的***，配置在由石英管7和未图示的上下方向的气密部件形成的密闭结构内。另外，在石英管7的外侧设置合计输出为4000W的红外线灯加热器28、29，用于进行温度控制的热传感器即热电耦12、13设置在附近。

实施方式9中，首先把密闭空间内的空气置换为惰性气体(氮气)，一面持续流过流量为10L/min的体积，一面利用灯加热器28、29进行加热。与此同时，用筒形加热器22、23开始加热。加热时，首先使热电耦10、11的测定温度升温到600℃。

在到达600℃时，进行平衡调整，使灯加热器28、29的合计输出W数和筒形加热器22、23的合计输出W数之比为1∶1.2(灯加热器28、29的合计输出约1000W，筒形加热器22、23的合计输出(单侧)约600W)，并持续加热直到热电耦10、11达到610℃。在热电耦10、11的温度达到610℃时，模具1、2的成形面1a、2a的面顶部分的温度为612℃，有效成形面的最外周部的直径为27mm位置处的表面温度为604℃。

进行以上加热后，为了开始模压，利用未图示的驱动装置、例如气缸和伺服马达与滚珠丝杠的组合，以8000N负荷使上模具1和下模具2相对接近。

此时，因模压而开始变形前的光学玻璃坯料20的温度实际上是608℃，但在通过模压形成流动的同时，从模具1、2的成形面1a、2a的面顶部分起朝向光学玻璃坯料20内部1mm位置处的温度变为610℃，30秒后，通过模压使成形面1a、2a与光学玻璃坯料20接触的范围扩大到直径20mm位置处，该位置处的模具1、2的成形面1a、2a的温度达到606℃。再5秒后，在该位置起朝向光学玻璃坯料20内部1mm位置处的温度达到605℃。此时把灯加热器28、29的合计输出降低为700W，并继续进行模压。

在约100秒后，相对移动模具1、2直到模压结束位置处即成形面1a、2a的间隔达到1mm，光学玻璃坯料20到达模具1、2的成形面1a、2a的最外周部即直径27mm位置处。此时，从光学玻璃坯料20的最外周部的成形面起朝向内部1mm位置处的温度是602℃，由于使光学玻璃坯料20扩展的速度降低，充分进行热交换，所以其达到与模具1、2的有效成形面的最外周表面温度相同的温度。

然后转入冷却工序。首先以流量2L/min开始在冷却通路18、19中循环压力为50N/cm²的40℃纯水。之后马上以合计20W/sec来降低灯加热器28、29的输出，以合计2W/sec来降低筒形加热器22、23的输出。开始冷却约15秒后，模具1、2的成形面1a、2a的面顶温度达到600℃，光学玻璃坯料20的最外周部降低到570℃。

此时，光学面的面顶温度还是可以流动的温度，但外周部已达到流动困难的粘度区域。

之后，把氮气流量增加到30L/min继续冷却。30秒后，光学玻璃坯料20内部整个区域中相对加压压力可以流动的范围消失，光学玻璃元件的形状被确定。光学面的面顶表面温度约为560℃。

根据该温度条件设定来完成成形时，不会产生所成形玻璃粘贴在上模具1、下模具2的成形面1a、2a上的变形，同时光学玻璃坯料20也不会因最外周部收缩量多而从成形面剥离。虽然在把氮气流量变更为30L/min时，改变冷却通路18、19的流量，也能同样控制模具1、2中心部的温度，但在实施方式9中，为了获得面向外周部的温度分布的平衡，根据上述条件来设定温度分布条件。

然后，使灯加热器28、29和筒形加热器22、23的输出为零，把冷却通路18、19中的纯水循环量增加为10L/min。把该状态持续到即使把含有模具1、2的密闭空间暴露于大气气氛中也不易出现氧化影响问题的200℃。然后使上模具1、下模具2相对分离，利用未图示的方式取出完成成形的光学玻璃元件，结束成形。

实施方式9是温度分布赋予单元的一个示例，还可以进一步积极地进行各种各样的温度分布控制。为了简化说明，实施方式9把上模具1和下模具2设为相同的温度分布状态，但也可以变更这些条件，进行希望的收缩状态，或故意降低或提高局部复制精度。

实施方式10

实施方式10成形旋转对称形状的双凸透镜来作为光学玻璃元件。图15表示该实施方式10的成形装置，其与图14的成形装置的差别不大，作为成形模具的上模具1及下模具2与光学玻璃坯料20接触的成形面1a、2a为直径(Φ)为27mm、曲率半径(R)为30mm的凹面形状。在***到模具1、2中的热传导轴14、15和上轴5、下轴6之间，***厚度为1mm的SUS304制垫块31、32，从而使上模具1、下模具2不直接接触上轴5、下轴6。上模具1及下模具2以由热传导轴14、15连接的状态，利用附件16、17固定在上轴5、下轴6上。套筒21是用超硬合金制作的，模具1、2的侧面全部嵌合在套筒21上。

夹在上轴1和下轴2之间的光学玻璃坯料20是商品名为“VC81(住田光学制)”的玻璃材料，其研磨面直径为23.2mm、中心壁厚为8mm、上下面曲率半径(R)为25mm，是双凸形状。

该实施方式10中，首先将密闭空间内置换为氮气，一面持续流过流量5L/min的体积，一面用灯加热器28、29进行加热。同时用筒形加热器22、23开始加热，把热电耦10、11的测定温度升温到540℃。

在到达547℃时，进行平衡调整使灯加热器28、29的合计输出W数和筒形加热器22、23的合计输出W数之比为6∶1(灯加热器28、29的合计输出约1200W，筒形加热器22、23的合计输出(单侧)约100W)，并持续加热直到热电耦10、11达到548℃。在热电耦10、11的测定温度达到548℃时，模具1、2的成形面1a、2a的面顶部分温度为549℃，有效成形面的最外周部的直径为27mm位置处的表面温度为554℃。

加热后，开始模压，以6000N负荷使上模具1和下模具2相对接近。此时，开始变形前的光学玻璃坯料20的温度实际上是547℃，但在通过模压形成流动的同时，从模具1、2的成形面1a、2a的面顶部分起朝向光学玻璃坯料20内部1mm位置处的温度变为549℃，与成形面1a、2a基本相同。

继续进行模压，30秒后成形面1a、2a与光学玻璃坯料20的接触范围扩大到直径20mm位置处，该位置的光学面1a、2a的温度达到550℃。再5秒后，在该位置处朝向光学玻璃坯料20内部1mm位置处的温度达到549℃。此时把灯加热器28、29的合计输出W数与筒形加热器22、23的合计输出W数之比调整为20∶1，并继续进行模压。约30秒后，使模具1、2相对移动到模压结束位置，使光学玻璃坯料20到达模具1、2的成形面1a、2a的最外周部即直径27位置处。此时，光学玻璃坯料20的中心温度降低到547℃，从最外周部的成形面起朝向内部0.2mm位置处的温度是555℃，在粘度相对于玻璃扩展的速度和玻璃扩展的阻力充分低的状态下，光学玻璃坯料被加热成可以流动的状态。

然后转入冷却工序。首先，以流量6L/min开始在冷却通路18、19中循环压力为40N/cm²的20℃纯水。之后马上以10W/sec来降低灯加热器28、29的输出，停止给筒形加热器22、23通电。

开始冷却10秒后，模具1、2的成形面1a、2a的面顶温度降低到530℃，光学面的最外周部降低到550℃。此时，光学面的外周部还是可以流动的温度，但中央附近已达到流动困难的粘度区域。再30秒后，光学玻璃坯料内部整个区域中相对加压压力可以流动的范围消失，光学玻璃元件的形状被确定。光学面的最外周部表面温度约为520℃。

根据该温度分布条件，以往很难成形直径大于等于25mm、最外周部厚度(コバ厚)小于等于1mm的透镜，但通过积极赋予温度分布，可以没有任何问题地完成成形。另外，以前中心部的面精度因收缩致使成形面的复制不稳定，本发明中该问题也可以得到解决。

然后，使灯加热器28、29和筒形加热器22、23的输出为零，把冷却通路18、19中的纯水循环量增加为10L/min，冷却到即使把含有模具1、2的密闭空间暴露于大气气氛中也不易出现氧化影响问题的200℃。然后使上模具1、下模具2相对分离，利用未图示的方式取出完成成形的光学玻璃元件。

该实施方式10也是温度分布赋予单元的一个示例，还可以进一步积极地进行其它各种各样的温度分布控制。

如上所述，根据本发明，可以实施以往不能实现的各种各样温度分布的成形条件，从而可以成形以往不能成形的形状难度高的光学玻璃元件。另外，可以大幅度提高成形面精度或成形稳定性，制造光学玻璃元件，而且可以控制光学玻璃元件中产生的形状变化(例如“翘曲”)和容易脱模的形状收缩量，此外，不必象以往的均温加热成形那样，必须采取成形压力的微妙控制及其保持等提高精度的方法，所以能够缩短成形周期。

Claims (17)

1.一种光学玻璃元件的成形方法，在由一对相对的上模具和下模具构成的成形模具之间配置光学玻璃坯料，在加热所述成形模具的同时，把所述光学玻璃坯料加热成可以流动的状态，通过使所述成形模具相对接近，进行模压成形，在冷却后使所述成形模具和所述光学玻璃坯料分离，取出所述光学玻璃坯料，其特征在于，

在所述加热时、所述冷却时、或所述加热时及冷却时，给所述成形模具赋予温度分布。

2.如权利要求1所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，从所述光学玻璃坯料由于所述成形模具的相对接近所伴随的所述模压而开始变形后，到所述冷却后使所述成形模具和所述光学玻璃坯料分离为止的时间大于等于50秒。

3.如权利要求1所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，进行所述光学玻璃坯料的所述模压加工时，利用气体对所述成形模具和所述光学玻璃坯料相互不接触的部分进行加热或冷却。

4.如权利要求1所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予中心部温度高于外周部的温度分布，成形所述光学玻璃元件。

5.如权利要求4所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予所述中心部温度高于外周部的温度分布，成形以下光学玻璃元件：外周部的与使所述成形模具相对接近的方向平行的方向的长度长于中心部。

6.如权利要求1所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予中心部温度低于外周部的温度分布，成形所述光学玻璃元件。

7.如权利要求6所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，给所述成形模具赋予所述中心部温度低于外周部的温度分布，成形以下光学玻璃坯料：外周部的与使所述成形模具相对接近的方向平行的方向的长度短于中心部。

8.如权利要求1所述的光学玻璃元件的成形方法，其特征在于，所述成形模具与所述光学玻璃坯料接触的成形面的切线、和垂直于使所述成形模具相对接近的方向的平面形成的角度最大值大于等于15度。

9.一种光学玻璃元件的成形装置，在由一对相对的上模具和下模具构成的成形模具之间配置光学玻璃坯料，在加热所述成形模具的同时，把所述光学玻璃坯料加热成可以流动的状态，通过使所述成形模具相对接近来进行模压成形，在冷却后使所述成形模具和所述光学玻璃坯料分离，取出所述光学玻璃坯料，其特征在于，

具有给所述成形模具赋予温度分布的温度分布赋予单元。

10.如权利要求9所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述温度分布赋予单元在形成于所述上模具和下模具中至少一方的内部的空间中，配置由热传导率不同于所述成形模具材料的材料构成的温度调节部件。

11.如权利要求10所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述温度调节部件接触所述成形模具和用于固定该成形模具的轴部件。

12.如权利要求10所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述温度调节部件具有加热单元。

13.如权利要求11所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述温度调节部件的热传递量大于通过所述成形模具和所述轴部件的接触而传递的热传递量。

14.如权利要求9所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述温度分布赋予单元使气体或液体在设于用于固定所述成形模具的轴部件的所述成形模具附近的通路中流通。

15.如权利要求9所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述成形模具配置在约呈圆筒状的部件即套筒的内部，并具有从所述套筒外侧加热所述成形模具的光能加热单元。

16.如权利要求15所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述套筒形成有多个透气孔。

17.如权利要求15所述的光学玻璃元件的成形装置，其特征在于，

所述光能加热单元由对应于所述上模具和下模具的两个或两个以上的光能加热单元构成，并且所述套筒具有对应于所述上模具和下模具的绝热边界。

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