用于形成一光学元件的方法及其中所用衬底技术

本发明专利技术涉及一种用以形成一光学元件的方法。使用一成形工具，在该成形工具的表面上形成有复数个模压或热压部分，以在一衬底上模压或热压光学结构。在所述衬底的表面上，形成有至少一个预成形部分。将所述衬底加热至高于转变温度的温度，并使所述成形工具和所述衬底互相挤压，以形成一具有复数个具有一光学效应的结构的光学元件，其中所述具有一光学效应的结构的形状是由相应的相关联模压或热压部分给定。根据本发明专利技术，在所述成形工具和所述衬底互相挤压时，所述衬底的相应预成形部分首先在中心区接触相关联模压或热压部分或接触所述成形工具，从而使一形成于所述相应预成形部分的表面与相关联模压或热压部分或所述成形工具的表面之间的压区从所述中心区朝所述相应预成形部分或所述衬底的边缘延伸并展宽。根据本发明专利技术，所述衬底以及所述成形工具具有基本上相同的基材，从而使所述衬底的变形比率有利地较低。

Method for forming an optical element and substrate used therein

The invention relates to a method for forming an optical element. Using a forming tool, a plurality of die pressing or hot pressing sections are formed on the surface of the forming tool to mold or heat the optical structure on a substrate. At least one preformed portion is formed on the surface of the substrate. The substrate is heated to a temperature above the transition temperature, and the forming tool and the substrate against each other, to form an optical element with a plurality of having an optical effect structure, wherein the structure has an optical effect shape is determined by the corresponding associated press or part of a hot press. According to the invention, the forming tool and the substrate against each other, the corresponding pretreatment of the substrate forming part of the first contact in the central area of associated molding or hot pressing part or in contact with the forming tool, thereby forming a nip between the surface to the corresponding pre forming part of the surface and the associated press or hot pressing part or the forming tools from the center toward the corresponding pre forming part or the substrate edge extending and broadening. According to the invention, the substrate and the forming tool have substantially the same substrate, so that the deformation ratio of the substrate is advantageously lower.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体而言涉及通过对光学衬底进行热成形、尤其是通过对一光学衬底进行挤压或热压或模压，来生产光学元件。更具体而言，本专利技术涉及一种通过一热成形工艺形成一光学元件的方法，以及用于此一方法的一种衬底及一种成形刀具。
技术介绍
衍射光学元件(DOE)、透镜阵列以及折射微光学元件作为现代光学中的元件正变得越来越重要。当今许多用于消费市场应用的电子装置经常也含有光学元件，这些光学元件对所述电子装置的主要功能发挥决定性作用。作为一实例，带有集成式数字照相机的移动电话当今正在日益流行。另外，在光学记录装置中，用于精确成像和在读取及/或写入的过程中形成光线的光学元件也必不可少。特别是对于消费市场应用，开发用于制造具有一足够精度的光学元件的低成本制造方法非常重要。一般而言，在光学表面的热成形方面，“挤压”工艺与“热压”或“模压”工艺有所区别。当采用“挤压”工艺时，拟制造的光学元件的衬底或半成品的表面形状会完全改变。作为一实例，一球形表面或平面表面可变形为一特定的非球形表面。但时，当采用“热压”或“模压”工艺时，为形成所述光学元件，衬底或半成品的表面外形只作局部性改变。这样，当生产衍射光学元件或微光学元件(也即相对较小的结构)时，可以保持表面(该表面在大多数情况下为平面或相对于将要制造的微型结构来说只是局部微量弯曲)不变，而只是在表面上热压或模压出局部的凹陷或凸起。与挤压工艺相比，热压或模压所造成的变形比率明显较低。如果不再需要对已发生变形的光学元件表面上具有光学效应的结构(即衍射或折射结构)进行精加工，则光学元件的热成形具有特别的经济优势。众所周知，这需要用于热成形的成形工具具有一高的精度。衍射光学元件(例如微透镜)要求表面质量处于光线波长的四分之一数量级。衍射微光学的制造精度甚至应更高。在采用热成形来制造光学元件时遇到的一个问题是在热成形过程中，会在光学元件的表面中夹含工艺气体，因为这会导致干扰光学元件表面上的凹坑状凹陷。根据当前技术，已知有各种措施可用于在一热压成形工艺中避免在光学元件的表面上夹进工艺气体。根据一第一方法，在一真空腔室中实施热成形。作为一实例，市场上可购得一种由美国东芝机器有限公司生产的GMP-211V型商用高精度玻璃成形挤压设备，其可以在高于6×10-1Pa的真空条件下为最大外径高达110mm的压模提供19.6kN的最大挤压压力。但是，本方法耗时而且要求配备真空泵。根据第2002-293 553 A号日本公开专利申请案所揭示的另一种方法，采用一预成形步骤制造一玻璃预成形件，所述玻璃预成形件的表面上已经形成结构，且所述结构在一后续的主要模压步骤中经变形制成所需要的结构。由于变形比率较小，夹含在压模与所述玻璃预成形件之间的工艺气体的总量也较小。但是，这种方法不能可靠地避免工艺气体的夹含。另外，还需要一额外的模压工具和一额外的工艺步骤，从而降低了效率。EP 648 712 A2揭示光学元件的一种模压成形工艺，其中将一坯料放置在一模压模具内，周期性地加大或减小用于挤压的力。在压力增大时，与模具表面相接触的坯料表面发生变形，直至一工艺气体泡形成于由变形表面所包围的一体积内。当压力降低时，夹含在所述体积内并处于某种过压状态的工艺气体可沿模具的表面横向逸出。由于所述压力中间性降低，总挤压时间较长。另外，由于难于对夹含气体进行预测和建模分析，所以事先难于规定将要生产的光学元件的精度。即使周期性地多次加大或减少压力，仍会留有残留夹含气体，这会损害所述光学元件的表面质量。US 6,305,194 B1揭示了一种用于模压成形一光学元件阵列的工艺和装置。一相对较小的光学材料球被放置在一压模的壳形中心穴窝。当两个压模互相挤压在一起时，球体被逐渐压平。在此过程中，所述光学材料向外径向流动，将残余工艺气体赶出压模的体积。在此过程中，所述光学元件的材料发生剧烈变形，导致相对较长的处理时间和较高的制造费用。如果在所述模具的表面上形成相对较小的结构(例如，用于形成微透镜或衍射结构)，则在此过程中无法控制材料流入所述结构(例如凹窝)。因此，在所述热成形过程中无法避免残余工艺气体夹含在所述光学元件的表面内。US 6,305,194 B1还揭示了一种方法，其中一成形工具的上半部分包括一呈凸曲形的模压或热压部分；及其中一成形工具的一下半部分包括一呈凹曲形的模压或热压部分。一平凸预成形件被放置在所述成形工具的所述两半之间，从而所述预成形件被变形为一凹凸透镜。所述凹曲模压或热压部分的曲率半径小于所述凸曲模压或热压部分的曲率半径，从而在所述成形工具的两半互相挤压在一起时，各模压或热压部分均在一中心区附近与所述预成形件接触，从而在所述预成形件的熔化或软化材料径向外流时，不会有气体被捕捉于各模压或热压部分内。US 6,305,194 B1还揭示了一种工艺，其中一模压工具的一上半部分包括一凸曲的模压或热压部分，而一下半部分包括一凹曲的模压或热压部分。一平凸预成形件被放置在所述成形工具的所述两半之间，所述预成形件被变形为一凹凸透镜。所述凸曲模压或热压部分的曲率半径小于所述凹曲模压或热压部分的曲率半径，从而在所述成形工具的两半互相挤压在一起时，各模压或热压部分首先在一中心部分附近与所述预成形件接触，从而在所述预成形件的熔化或软化材料径向外流时，不会有气体被捕捉于各模压或热压部分内。但是，在上述工艺中所述预成形件的变形量较高，导致总处理时间相对较长，而较长的总处理时间是不经济的。另外，所述预成形件的较高变形率要求处理温度也相对较高，导致变形后的光学元件内存有应力。此一应力或张力可导致所述光学元件产生一不希望的双折射现象。在所需的较高处理温度下，所述预成形件的软化或熔化材料会粘到各模压或热压部分上，这会损害所述光学元件的表面质量。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种用于以热成形方式形成一光学元件的工艺和装置，其中可更有效地避免在所述热成形工艺中夹含气体，且其中可更精确和成本高效地制造所述光学元件。根据本专利技术的另一个方面，还提供一种利用本专利技术的所述工艺和装置制造一光学元件的衬底和玻璃预成形件以及形成所述光学元件的成形工具。根据本专利技术的方法包括下列步骤提供一成形工具，在其表面上形成有至少一模压或热压部分，以在一衬底上模压或热压一具有一光学效应的结构；提供所述衬底，其中在所述衬底的一个面向所述成形工具的表面上，形成一个与所述模压或热压部分相应地相关联的预成形部分；将所述衬底加热至高于所述衬底材料的转变或软化温度的温度；以及将所述成形工具和衬底互相挤压，以使相应预成形部分发生变形而接触相关联的模压或热压部分的一表面，从而形成一具有至少一个具有一光学效应的结构的光学元件，所述结构的形状取决于相关联模压或热压部分的形状。根据第一方面，根据本专利技术的方法的特征在于所述成形工具和所述衬底的设置方式使相应模压或热压部分的中心区与相关联的预成形部分的中心区相接触，其中相应预成形部分与模压或热压部分形成为使得一形成于相应预成形部分的一个表面与相关联模压或热压部分的一个表面之间的压区(nip)从所述中心部分向相应预成形部分的边缘展宽。当在热成形工艺中，因衬底朝向所述光学元件变形而使所述成形工具与衬底互相挤压，并彼此越来越靠近，相应预成形部分内的衬底的表面材料逐渐变形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成一光学元件的方法，其包括如下步骤：提供一成形工具（１），在所述成形工具（１）的一表面上形成有复数个模压或热压部分（２；３；４），以在一衬底（１０）上模压或热压多个具有一光学效应的结构；提供所述衬底（１０），以在所述衬底（１０）中一个面向所述成形工具（１）的表面上形成至少一个预成形部分（１６；１７）；将所述衬底（１０）加热至一高于所述衬底（１０）的材料的转变温度的温度；及使所述成形工具（１）和所述衬底（１０）互相挤压，从而形成一具有复数个具有一光学效应的结构（２１；２３；２５）的光学元件（２０），其中所述具有一光学效应的结构的形状是由所述相应的相关联模压或热压部分（２；３；４）给定；在所述方法中：当所述成形工具（１）和所述衬底（１０）互相挤压时，所述衬底（１０）的所述相应预成形部分（１６；１７）首先在其一中心区（１１）处接触所述相关联的模压或热压部分（２；３；４）或接触所述成形工具（１），从而使一形成于所述相应预成形部分（１６；１７）的一表面与所述相关联的模压或热压部分（２；３；４）的一表面或所述成形工具（１）的一表面之间的压区（６）从所述中心区（１１）朝所述相应预成形部分（１６；１７）或所述衬底（１０）的一边缘（２，１４）延伸和展宽，所述衬底和所述成形工具（１）具有基本上相同的基材。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：贝恩德韦尔夫因，埃德加帕夫洛夫斯基，乌尔丽克施特尔，拉尔夫比耶通帕费尔，
申请(专利权)人：史考特公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]