專利名稱：成形模的表面處理方法和成形模，以及光學元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為使光學玻璃元件等成形用的成形模的表面處理方法和成形模，以及由這種成形模成形的光學元件。
背景技術(shù)：
透鏡等光學玻璃元件中有球面透鏡和非球面透鏡等，特別是，在制造非球面透鏡時，多采用也能成形非球面形狀的透鏡的玻璃壓制成形法。
這種玻璃壓制成形法是，在預先加工到所要求的表面質(zhì)量和表面精度的球面或非球面成形模上，加熱光學玻璃塊狀物，或者，把經(jīng)過預熱的玻璃塊狀物放在成形模上，然后壓制成形，獲得成形物，以使其表面加工的效果達到可以省略研磨工序的程度。
這種玻璃壓制成形法所使用的成形模，如果反復進行成形操作，很快就會發(fā)生成形面變劣，成形質(zhì)量降低等現(xiàn)象。因此，再次使用成形模的時候，必須對成形面進行表面處理，進行翻新。
以往，成形模的表面處理方法是，使用在成形模的基體與表面層之間具有以鉻為主要成分的中間層的成形模進行成形，在翻新時，把該成形模放入鉻溶解性處理液中進行處理，使中間層和表面層溶解剝離，然后形成新的中間層和表面層，(例如，參照專利文獻1，特開平1-192733號公報)。
此外，還提出了在成形模的成形面上照射離子束，對成形模的覆蓋膜進行刻蝕處理之后，在成形面上形成新的覆蓋膜的方法(例如，參照專利文獻2，特開平5-32424號公報)。
另外，還提出了這樣的方法，即，當?shù)装搴捅砻鎸又g有一層或兩層以上的中間層，在翻新具有這種中間層的成形模的時候，利用離子束照射進行刻蝕處理，除去上述表面層和中間層的最上面的部分，然后，用能溶解該中間層主要成分的處理液進行處理，溶解除去露出的中間層，接著，再形成新的中間層和表面層(例如，參照專利文獻3，特開平2001-130918號公報)。
但是，上述以往的成形模的表面處理方法存在以下問題。
在專利文獻1所記載的方法中，一般，所用的鉻溶解性處理液是硝酸高鈰氨溶液，或者是在鹽酸中混合了過氧化氫水和表面活性劑的混合溶液這兩種。前一種溶液具有很難溶解鉻以外的金屬、鉻的氮化物以及碳化物的特性。另一方面，后一種溶液，雖然也能夠溶解鉻以外的物質(zhì)，但是，很可能會連基體都溶解了。因此，不得不使用前一種鉻溶解性處理液，即硝酸高鈰氨溶液，但，又出現(xiàn)了這樣的問題，即，這種溶液幾乎不能應用于中間層是由鉻以外的物質(zhì)所形成的成形模。
還有，在專利文獻2所記載的方法中，由于成形模要以垂直于成形面的表面頂部的光軸線為中心進行搖動，如果搖動時，有在成形面的任意位置上的法線方向與上述光軸線不一致的部分，則成形面的中心部分和周邊部分的刻蝕深度就會不均勻，加工出來的表面形狀也會發(fā)生變化。特別是，在表面層和基體之間有若干個層，或者曲率半徑小的情況下，有可能出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
另外，在專利文獻3所記載的方法中，存在著這樣的問題，即，不但要進行離子束照射和溶液處理這兩個工序的作業(yè)，需要投入時間和勞力，而且對于所使用的溶液處理液來說，只有在中間層是由鉻形成的時候才有效，對于中間層是由其他物質(zhì)形成的成形模幾乎無法使用。
而且，經(jīng)過多次成形后的成形模的成形面，與成形初期的形狀相比，會有所變化，為了把這種模具的表面形狀加工成所希望的形狀，使用上述以往的任何一種方法，都必須經(jīng)過磨削工序等進行進一步加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于以上情況而提出的，它不是用液體腐蝕來進行成形模的加工和翻新，此外，本發(fā)明的目的是提供一種不用磨削工序就能完成的成形模的表面處理方法和成形模，以及由這種成形模所成形的光學元件。
為了解決上述問題，本發(fā)明采取以下辦法。
本發(fā)明的成形模的表面處理方法是，具有把離子束照射在至少有曲面的成形面上，對成形面進行刻蝕處理的離子束照射工序的成形模的表面處理方法，其特征在于，在上述離子束照射工序中，預先求出上述離子束相對于上述成形面中心軸線的入射角，和與上述成形面上的刻蝕程度分布之間的關(guān)系，然后根據(jù)這個關(guān)系，決定上述入射角和上述離子束的照射時間中的至少一項。
按照這種成形模的表面處理方法，由于能從預先求出的離子束相對于成形面中心軸線的入射角與成形面內(nèi)的刻蝕程度分布之間的關(guān)系，來決定離子束的入射角以及照射時間中的至少一項，因此，就能借助于離子束的入射角和刻蝕程度，在成形面的任意位置上，使得刻蝕深度達到所希望的值，并且還能對成形面進行高精度加工。
在本發(fā)明的權(quán)利要求1所記載的成形模的表面處理方法中，其特征在于，在上述離子束照射工序中，改變上述入射角及上述照射時間，用上述離子束進行多次照射。
按照這種成形模的表面處理方法，因為可以用離子束進行多次照射，所以對于用一次離子束照射后其刻蝕不夠充分的成形面，可以再一次對成形面進行刻蝕，而且還可以對整個成形面進行高精度的加工。
在本發(fā)明的權(quán)利要求1或2所記載的成形模的表面處理方法中，還具有如下特征，在上述離子束照射工序中，在所確定的上述入射角及照射時間下，上述離子束使上述成形面的形狀在照射前后的變化最小。
按照這種成形模的表面處理方法，由于成形面的形狀變化最小，因此，成形面的形狀在離子束照射的前后保持不變，并且還可以對成形面進行高精度的翻新處理。
在本發(fā)明的權(quán)利要求1或2所記載的成形模的表面處理方法中，其特征在于，在上述離子束照射工序中，用上述離子束照射具有覆蓋膜的上述成形面，而且對上述覆蓋膜與上述覆蓋膜下面的基體的材質(zhì)中的至少一方進行刻蝕處理，并且在上述工序之后，還有在上述成形面上形成新的覆蓋膜的翻新工序。
按照這種成形模的表面處理方法，因為具有離子束照射工序和在該工序之后的翻新工序，所以，能借助于離子束照射工序中的刻蝕處理，除去舊的覆蓋膜，并且，對成形面的表面形狀進行高精度的矯正，然后再通過翻新工序，在露出的而且經(jīng)過矯正的成形面上形成新的覆蓋膜，從而能翻新成形模。
本發(fā)明的權(quán)利要求4所記載的成形模的表面處理方法，其特征在于，在上述離子束照射工序中，根據(jù)上述覆蓋膜的成分和上述覆蓋膜下面的基體材質(zhì)中的至少一項求出的上述關(guān)系，決定上述入射角以及上述照射時間。
按照這種成形模的表面處理方法，由于是根據(jù)覆蓋膜的成分和覆蓋膜下面的基體材質(zhì)中的至少一項求出的關(guān)系，來決定離子束的入射角以及照射時間的，因此，可以得出對覆蓋膜的成分以及基體材質(zhì)最合適的照射條件，而且還能獲得成形面的適合于離子束照射工序后的翻新工序的狀態(tài)。
本發(fā)明的成形模的特征是，用權(quán)利要求1所記載的成形模的表面處理方法對成形面進行了表面處理。
這種成形模，由于借助于上述本發(fā)明的表面處理方法，其成形面成為具有所希望的形狀和狀態(tài)，或者具有翻新的覆蓋膜，所以在這種成形模上進行壓制成形，能獲得經(jīng)過高精度表面加工的光學玻璃元件。
本發(fā)明的光學元件的特征在于，利用權(quán)利要求6所記載的成形模來成形。
這種光學元件，由于使用了成形面具有所希望的形狀和狀態(tài)，或者具有翻新的覆蓋膜的成形模，而這種光學元件是由該成形模成形的，因此這種光學元件具有很高的光學精度。
按照本發(fā)明的成形模的表面處理方法，由于能通過改變離子束的入射角和刻蝕程度，能在成形面的任意位置上刻蝕到所希望的深度，還可以高精度地加工成形面，因此，不需要通過液體腐蝕或者研磨工序就能實現(xiàn)成形模的加工和翻新。
此外，按照本發(fā)明的成形模，在使光學玻璃元件的表面形狀的質(zhì)量保持高精度的同時，還能減少加工工序，降低制造成本。
另外，按照這種光學元件，能獲得光學性能優(yōu)良的光學儀器。


圖1是本發(fā)明第1和第2實施例的成形模布置的示意圖；圖2是圖1中的A部的放大斷面圖；圖3是本發(fā)明第1實施例的成形模的布置的示意圖；圖4是本發(fā)明第1實施例的表示離子束入射角和刻蝕程度之間的關(guān)系的曲線圖；圖5是本發(fā)明第1實施例中，以成形模控制角度作為參數(shù)的成形面的任意位置與覆蓋膜刻蝕程度之間的關(guān)系的曲線圖；圖6是本發(fā)明第1實施例中，以成形模控制角度作為參數(shù)的成形面的任意位置與基體的刻蝕程度之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實施例方式
下面，參照圖1至圖3說明本發(fā)明的第1實施例。
如圖1所示，本實施例的翻新處理(表面處理)時所使用的成形模10布置在真空容器11內(nèi)，其成形面12布置在對著離子束射出孔(圖中未表示)的位置上。
這種成形模10由以下兩個部分組成在具有中心軸線13的由碳化鎢(WC)構(gòu)成的基體14的成形面12部分上，由膜厚為0.5μm的鉻(Cr)構(gòu)成的中間層(覆蓋膜)15；還有，在這個中間層15上形成的，膜厚為0.2μm的氮化鉻(CrN)的表面層(覆蓋膜)16。
這種成形模10，在玻璃壓制成形時使用3000次之后，其成形面12的表面就變劣了。成形面12的形狀是曲率半徑為20mm，外徑為9mm的凸面形狀。
這里，離子束的入射角α，是離子束相對于成形面12的中心軸線13的角度。還有，成形模控制角度γ是，以離子束的入射方向與成形面12的中心軸線13處于平行狀態(tài)時的角度為0度，在偏離該狀態(tài)時的傾斜角度。因此，離子束的入射角α就是成形?？刂平嵌圈?。
由于離子束射出孔的形狀會影響離子束的收斂度，因此要預先成形為使得離子束能夠均勻地照射到被刻蝕的成形面12上的形狀。
這里，用于離子束的氣體為Ar。如果用N2或者是其他惰性氣體，因為其活性高以及價格高，都不適用。
下面，說明按照本實施例的成形模表面處理方法的表面處理實施例。
首先，如圖4所示，除了離子束入射角以外，采用與表面處理時相同的照射條件，分別對構(gòu)成基體14、中間層15和表面層16的WC、Cr和CrN，求出離子束入射角α與成形面12內(nèi)部的刻蝕程度分布之間的關(guān)系。
另外，圖4中的曲線(1)表示W(wǎng)C，曲線(2)表示Cr，曲線(3)表示CrN。
基于上述關(guān)系，以圖5所示的成形?？刂平嵌圈米鳛閰?shù)，根據(jù)構(gòu)成成形面12的Cr與CrN的膜厚比例，計算出從成形面12的表面頂部到周邊部位方向的刻蝕程度分布。圖5中，把成形?？刂平嵌圈枚?1)0度，(2)10度，(3)20度，(4)30度，(5)40度，(6)50度。
同樣，對于基體材質(zhì)WC，也和圖5一樣，以圖6所示的成形?？刂平嵌圈米鳛閰?shù)，根據(jù)上述關(guān)系算出從成形面12的表面頂部到周邊部位方向的刻蝕程度分布。圖6所示的成形?？刂平嵌圈靡踩∨c圖5中的值(1)-(6)同樣的值。
這樣，就能對加工所需要的刻蝕深度，求出成形?？刂平嵌圈靡约疤幚頃r間的最佳組合條件。
接著，用下述離子束照射工序進行成形模10的表面處理。
首先，把成形模10布置成其成形模控制角度γ為40度。而且，為了盡量除去真空容器11內(nèi)的雜質(zhì)，即氣體、水、氧和氮等物質(zhì)，需要把容器內(nèi)的壓力減小到小于1.3×10-4Pa，在本實施例中是減壓到4.0×10-5Pa。然后，根據(jù)圖5和圖6，用Ar氣離子束從離子束射出孔對成形面12照射20分鐘，用刻蝕處理除掉表面層16和中間層15，使基體14的表面露出來。
這時，施加在離子束上的加速電壓和Ar氣的壓力，是由經(jīng)濟性與刻蝕以后的表面粗糙度的關(guān)系所決定的參數(shù)，最好分別在從400V到1kv，以及從6.7×10-3Pa到6.7×10-2Pa的范圍內(nèi)選擇。因此，在本實施例中，加速電壓為600V，氣體壓力為2.0×10-2Pa。另外，這時的加速電流為120mA，減速電壓為-200V。
接著，成形模10的成形?？刂平嵌圈萌?度，再用Ar氣的離子束從離子束射出孔向成形面12照射8分鐘，進行刻蝕處理。
這時，測定經(jīng)過處理后的成形面12表面形狀的結(jié)果表明，與除膜之前的表面形狀相比，表面形狀變化的PV(峰)值低于0.1μm。
然后，轉(zhuǎn)移到在成形面12上形成新的覆蓋膜的翻新工序，在成形面上形成中間層15和表面層16的膜，以便構(gòu)成與除膜之前同樣結(jié)構(gòu)的膜，獲得翻新了的成形模10。
使用按上述方法翻新后的成形模10，進行玻璃壓制成形的時候，成形面上不會出現(xiàn)剝離等現(xiàn)象，而且還能夠形成加工得很好的，具有高精度表面的光學玻璃元件(光學元件)。
按照這種成形模的表面處理方法，能在盡可能防止成形面12的表面形狀發(fā)生變化的狀態(tài)下，除去在成形面12上形成的中間層15和表面層16。而且，在除膜之后的成形面12上再次成膜的時候，可以不經(jīng)過研磨工序，直接進入翻新工序進行成膜，從而能在短時間內(nèi)，以很高的精度翻新成形模。
此外，通過用這種成形模壓制成形，可以得到具有高光學精度的光學玻璃元件。
其次，參照與第1實施例的同樣的圖1，說明本發(fā)明的第2實施例。另外，在以下的說明中，對在上述實施例中已經(jīng)說明了的構(gòu)成要素標以同樣的標號，并省略其說明。
第2實施例和上述第1實施例的不同點是，在第1實施例中，是對表面形狀與設(shè)計值相同狀態(tài)的成形面12實施表面處理，而在第2實施例中，則是在成形模進一步變劣后，對表面形狀與設(shè)計值相比發(fā)生了變化的成形模20上的成形面21實施表面處理。
即，不僅是成形面的覆蓋膜，而且對包括覆蓋膜下面的基體，都要通過刻蝕處理進行成形。
這種成形模20的成形面21具有曲率半徑為20mm，外徑為9mm的凸面，成形面21的表面形狀，與設(shè)計值相比，從周邊部位到表面頂端方向的凸出的形狀大約高出0.2μm。
下面，說明使用本實施例的成形模的表面處理方法對表面進行處理的實際例子。
因為構(gòu)成成形模20的材質(zhì)與第1實施例相同，所以使用圖5和圖6中所示的刻蝕程度分布。
接著，與第1實施例一樣，把成形模20布置在真空容器11內(nèi)。這時的成形?？刂平嵌圈脼?0度。
然后，與第1實施例一樣，使真空容器11保持真空狀態(tài)，并使用與第1實施例相同狀態(tài)的Ar氣的離子束，通過離子束射出孔照射在成形面21上，進行刻蝕處理，照射時間為20分鐘。
對經(jīng)過這樣處理后的成形面21的表面形狀進行測定，結(jié)果表明，與設(shè)計值的表面形狀之間的變化量的PV值小于0.1μm。
然后，轉(zhuǎn)移到在成形面21上形成新的中間層15和表面層16的翻新工序，翻新成形模20，在其上形成與除膜之前的膜結(jié)構(gòu)相同的膜。
使用上述翻新的成形模20進行玻璃壓制成形，結(jié)果，沒有發(fā)生剝離等問題，成形情況良好。
按照這種成形模的表面處理方法，能把成形模20的成形面21按設(shè)計值的表面形狀進行修正，同時還可以除去在成形面21上形成的中間層15和表面層16。還有，在除膜之后的成形面21上重新成膜的過程中，不用經(jīng)過研磨工序就能夠進入翻新工序進行成膜，而且能在短時間內(nèi)獲得高精度的翻新的成形模。
此外，與第1實施例一樣，借助于這種成形模的壓制成形，能獲得具有高光學精度的光學玻璃元件。
另外，本發(fā)明的技術(shù)范圍并不局限于上述實施例，在不超出本發(fā)明宗旨的范圍，還可以進行各種變化。
即，在上述實施例中，在進行離子束照射的第1階段或第2階段，改變成形?？刂平嵌圈?，但是照射次數(shù)并不局限于兩次。
此外，成形模的中間層的材料是膜厚為0.5μm的Cr，成形模的表面層的材料是膜厚為0.2μm的CrN，但是，如果材質(zhì)和膜厚可以用離子切削法進行刻蝕時，則通過預先求出各種材料的離子束入射角與刻蝕程度分布之間的關(guān)系，就能根據(jù)這個關(guān)系獲得相同的作用和效果。
并且，不僅對于那些在成形過程中表面變劣的成形模，而且對于成形之前的成形模，和成膜之前的模具的基體，都可以用同樣的方法進行形狀修正加工。
權(quán)利要求
1.一種具有把離子束照射在至少有曲面的成形面上，對成形面進行刻蝕處理的離子束照射工序的成形模的表面處理方法，其特征在于，在上述離子束照射工序中，預先求出上述離子束相對于上述成形面中心軸線的入射角，和與成形面上刻蝕程度分布之間的關(guān)系，然后根據(jù)這個關(guān)系，決定上述入射角和上述離子束的照射時間中的至少一項。
2.如權(quán)利要求1所述的成形模的表面處理方法，其特征在于，在上述離子束照射工序中，改變上述入射角及上述照射時間，用上述離子束進行多次照射。
3.如權(quán)利要求1或2所述的成形模的表面處理方法，其特征在于，在上述離子束照射工序中，在所確定的上述入射角與照射時間的情況下，上述離子束使上述成形面形狀在照射前后的變化最小。
4.如權(quán)利要求1或2所述的成形模的表面處理方法，其特征在于，在上述離子束照射工序中，用上述離子束照射具有覆蓋膜的上述成形面，而且對上述覆蓋膜與上述覆蓋膜下面的基體的材質(zhì)中的至少一方進行刻蝕處理；在上述工序之后，還有在上述成形面上形成新的覆蓋膜的翻新工序。
5.如權(quán)利要求4所述的成形膜的表面處理方法，其特征在于，在上述離子束照射工序中，根據(jù)上述覆蓋膜的成分和上述覆蓋膜下面的基體材質(zhì)中的至少一項求出的上述關(guān)系，決定上述入射角以及上述照射時間。
6.一種成形模，其特征在于，借助于權(quán)利要求1所述的成形模的表面處理方法，進行成形面的表面處理。
7.一種光學元件，其特征在于，它使用權(quán)利要求6所述的成形模進行成形。
全文摘要
本發(fā)明涉及成形模的表面處理方法，成形模和由該成形模所成形的光學元件，這種方法不使用液體腐蝕來進行成形模的加工和翻新，而且不經(jīng)過研磨工序就可以實現(xiàn)。首先，預先分別針對構(gòu)成基體、中間層以及表面層的碳化鎢(WC)、鉻(Cr)以及氮化鉻(CrN)，除了離子束入射角以外，以與表面處理時相同的照射條件，求出離子束入射角與成形面內(nèi)的刻蝕程度分布的關(guān)系。根據(jù)上述關(guān)系，以成形模控制角度γ作為參數(shù)，根據(jù)構(gòu)成成形面的Cr和CrN的膜厚比例，算出從成形面的表面頂端到周邊部位方向的刻蝕程度的分布。這樣，就可以求出成形?？刂平嵌圈门c處理時間這兩者的最佳組合條件，并按照這些條件進行刻蝕深度最適當?shù)募庸ぁ?br> 文檔編號C03B11/06GK1524812SQ20041000336
公開日2004年9月1日 申請日期2004年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者日高猛 申請人:奧林巴斯株式會社