DE3882957T2

DE3882957T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines optischen Elementes.

Info

Publication number: DE3882957T2
Application number: DE88730282T
Authority: DE
Inventors: Kazuei Kenmochi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2008-12-22
Also published as: KR910005553B1; US4988274A; EP0322353A2; JPH01163027A; KR890010579A; DE3882957D1; EP0322353B1; EP0322353A3; JPH0541411B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes. Die vorliegende Erfindung bezieht sich speziell auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes mit Polymerisation.

Beschreibung des Standes der Technik

Kunststofflinsen werden grob unterteilt in zwei Arten, von denen eine aus thermoplastischen Polymeren hergestellt ist. Als thermoplastische Polymere sind Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat, Polystyrol Acrylnitril-Styrol-Copolymer u.ä. bekannt. Diese thermoplastischen Polymere können durch Druckformen, Spritzgießen oder durch Druckspritzformung geformt werden. Prinzipiell wird zur Produktion von Linsen das Polymer erhitzt und geschmolzen, in einer Form mit einem Hohlraum, der der Form der Linse entspricht, gegossen und verarbeitet und durch Ausübung eines Druckes auf das heiße Polymer komprimiert, um auf diese Weise ein Schrumpfvolumen des Polymers auszugleichen, das beim Abkühlen durch die Volumenelastizität verursacht wird. Beim Formen von thermoplastischem Polymer sollten große Formen und Geräte verwendet werden, da Hitze und Druck notwendig sind und geformte Gegenstände dazu tendieren, unter kleinen Verformungen zu leiden.
Es gibt andere Linsen, die durch Polymerisation und Verarbeitung von Monomeren zu duroplastischen oder thermoplastischen Polymeren wie z. B. Methylmetacrylat, Diethylenglykolbis-allylcarbonat, Glykoldimetacrylat, Diethylenglykoldimetacrylat u.ä. hergestellt werden können. Die aus diesen Monomeren hergestellten Polymere erstarren bei relativ niedrigen Temperaturen unter niedrigem Druck, so daß sie durch ein einfaches Verfahren geformt werden können, das Gießen oder Gießformen genannt wird.
Fig. 1 illustriert eine der konventionellen Gießformmethoden zur Herstellung von Linsen für Brillengläser. Zwei Glasplatten 101, 102 werden mittels einer Dichtung 103 übereinander geschichtet. Ein durch die Glasplatten 101, 102 und die Dichtung 103 gebildeter Raum wird mit einem flüssigen Monomer 104 gefüllt, und die Umfangskanten der Glasplatten werden mit einer Klammer 105 festgeklemmt. Dann werden die Glasplatten, die das hierin befindliche Monomer enthalten, stehend gehalten. Da eine kleine Menge von einem Polymerisations-Initiator zu dem Monomer unmittelbar vor seinem Einfüllen hinzugefügt wird, bewirkt eine geringe Temperaturerhöhung eine Polymerisationsreaktion des Polymers in dem Raum. Nach einigen bis 10 und mehr Stunden ist der gesamte Monomer polymerisiert, um eine harte Kunststofflinse zu bilden. Während der Polymerisation schrumpft das Material in dem Raum um 10% bis 20%, so daß die Dicke der hergestellten Linse reduziert ist.
Obwohl das Gießformen verwendet werden kann, um Linsen mit einer relativ gleichmäßigen und dünnen Dicke wie z. B. Brillenlinsen herzustellen, wird ihm nachgesagt, daß es zur Herstellung von Linsen für Kameras wie z. B. VTR-Kameras ungeeignet ist. Darüber hinaus, da das Gießformen eine lange Zeit in Anspruch nimmt, wird es nicht generell für die industrielle Herstellung von Kunststofflinsen akzeptiert.
Um die obigen Nachteile des Gießformens zu überwinden offenbart die Patentschrift JP-A-5440603, wie in Fig. 2 dargestellt ist, ein Verfahren mit Aushärten eines Kunstharzes 208 in einem Hohlraum, der aus Glasformen 206, 207 gebildet wird, während der Bestrahlung des Kunstharzes mit einem UV-Licht 202, Laden einer zusätzlichen Menge eines Kunstharzes 201 aus einem Reservoir 209 durch ein Absperrventil 210 in den Hohlraum, um die durch das Schrumpfen des ausgehärteten Polymers gebildeten Spalt aufzufüllen und den geformten Arikel zu entfernen, nachdem das gesamte Kunstharz ausgehärtet ist. Weil das UV-Aushärten als ein Schnellreaktionsprozeß bekannt ist, scheint es, daß die Kombination dieser Maßnahme mit dem Zusatz des Kunstharzes die obigen Nachteile vermeidet. Dieses Verfahren weist jedoch verschiedene Probleme auf. Weil das Kunstharz z. B. seine Fließfähigkeit verliert, bevor die gesamte Reaktion abgeschlossen ist, wird das geschrumpfte Volumen nicht ausreichend ergänzt. Da die gesamte Reaktion mit hoher Geschwindigkeit fortschreitet, werden eine Kompressionsspannung wegen des Aushärtens und Schrumpfens und eine Zugspannung aufgrund einer Gegenreaktion zur Kompressionsspannung schnell erzeugt, so daß keine oder nur eine geringe Zeit für das Nachlassen der Spannungen vorhanden ist und die Spannungen die Bruchspannung der geformten Gegenstände überschreitet, was zu ungenügender Genauigkeit und Zersprengen führt. Deshalb sind die geformten Gegenstände häufig zerbrochen, bevor sie aus den Formen entfernt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Linsen eine große Dicke haben.
Aus der EP-A-0 226 123 ist es bekannt, einen mittleren Teil der Form zu bestrahlen und dann ein größeres Gebiet als das Teil in einem vorausgehenden Bestrahlungsschritt zu bestrahlen. Zu diesem Zweck werden Abschirmplatten vorgesehen, die von einem Mittelpunkt nach außen bewegt werden und auf diese Weise den Teil des Hohlraums vergrößern, der zu bestrahlen ist. Das Licht wird in Form einer scheibenähnlichen Ebene vergrößert, was dazu führt, daß der mittlere Teil für eine erheblich längere Zeit bestrahlt wird als die Peripherie des Hohlraums. Dies führt zu der nachteiligen Wirkung, daß der mittlere Teil wesentlich stärker erhitzt wird als die Peripherie, was zu einer nichtgleichmäßigen Hitzeverteilung und deshalb zu einer unerwünschten Abweichung der Form des ausgehärteten Materials führt.
Die US-Patentschrift US-A-4 701 005 lehrt das Ablenken eines Lichtstrahls, der auf einen Gegenstand strahlen soll.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes, wie z. B. eine Linse mit einer hohen Genauigkeit und einer großen Geschwindigkeit anzugeben, selbst für den Fall der Herstellung einer Linse mit relativ stark unterschiedlichen Dicken.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes angegeben, welches die Schritte aufweist - eine Form mit einem mit einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum und einem Zuführungskanal, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, zur Verfügung zu stellen, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche des optischen Elementes aus einem lichtdurchlässigen Material hergestellt wird, so daß Licht durch das Material in den Formenhohlraum eindringen kann, - fotohärtbares Kunststoffmaterial durch den Zuführungskanal in den Hohlraum zu gießen und - den Hohlraum mit Licht zu bestrahlen, um das fotohärtbare Kunststoffmaterial zu härten, wobei der Lichtbestrahlungsschritt ausgeführt wird, während ein zusätzlicher Teil des fotohärtbaren Kunststoffmaterials im Zuführungskanal kontinuierlich bereitgehalten wird;
dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbestrahlungsschritt die Schritte aufweist, ein zentrales Teil des Hohlraums mit Licht zu bestrahlen, welches eine Fotohärtungsreaktion einleitet, und das Licht in der Form eines Ringlichtes um den bereits gehärteten Teil zu vergrößern, bis die vom ringförmigen Licht beleuchtete Fläche die Peripherie des Hohlraumes erreicht, so daß das gesamte fotohärtbare Kunststoffmaterial gehärtet wird.
Wenn erfindungsgemäß die Hohlraumform zuerst nur in ihrer Mitte mit Licht bestrahlt wird, wird das Material nur in dem Mittelteil der Hohlraumform in diesem Schritt ausgehärtet, und das unbestrahlte und unausgehärtete Material um den mittleren Teil herum ist immer noch flüssig. Da zusätzliches flüssiges Kunststoffmaterial kontinuierlich in den Hohlraum durch den Zuführungskanal hinzugefügt wird, kann das Schrumpfvolumen des ausgehärteten Materials sofort mit dem zusätzlichen unausgehärteten flüssigen Material ergänzt werden. Nachdem die Reaktion in dem Mittelteil abgeschlossen ist, wird der bestrahlte Bereich erfindungsgemäß ringförmig ausgedehnt, was zu einer Ausdehnung des Reaktionsgebietes in Ringform und zu der Wirkung führt, daß jeder Teil des Hohlraums für im wesentlichen dasselbe Zeitintervall bestrahlt wird. Dies hat den Vorteil einer im wesentlichen gleichmäßigen Hitzeverteilung in dem Material. Um das ringförmige Gebiet herum, in dem das Kunststoffmaterial ausgehärtet wird, ist immer ungehärtetes flüssiges Material, da das Schrumpfvolumen immer mit dem umgebenden flüssigen Material ergänzt wird, das durch den Zuführungskanal hinzugefügt wird. Zusätzlich, da kein Licht innerhalb des ringförmigen Gebietes abgestrahlt wird, wird eine übermäßige Reaktion in dem inneren Gebiet, die eine Verformung wegen des Aushärtens verursacht, verhindert, so daß es keine wesentlichen internen thermischen Spannungen gibt, die andernfalls zu Durchbiegungen wie im Stand der Technik führen würden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes angegeben, mit einer Form mit einem mit einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum und einem Zuführungskanal, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche des optischen Elementes aus lichtdurchlässigem Material besteht, so daß Licht in den Formenhohlraum eindringen kann, und eine Lichtabstrahleinrichtung zum Abstrahlen von Licht, welche eine Fotohärtungsreaktion des in den Formenhohlraum geleiteten Materials einleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabstrahleinrichtung Mittel zur Bestrahlung eines zentralen Teils des Formenhohlraums mit Licht und zur anschließenden Vergrößerung des Lichtes in der Form eines Ringlichtes aufweist, bis das ringförmige Licht die Peripherie des Formenhohlraums erreicht.
Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes angegeben, welche eine Form enthält, mit einem mit einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum und einem Zuführungskanal, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche des optischen Elementes aus lichtdurchlässigem Material besteht, einer ringförmigen Lichtquelle zur Abstrahlung von Licht, das eine Fotohärte-Reaktion auslöst und einer Linse mit veränderbarer Brechkraft, wobei die Form, die Lichtquelle und die Linse mit veränderbarer Brechkraft so angeordnet sind, daß die Mitte des von der ringförmigen Lichtquelle abgestrahlten ringförmigen Lichtes im wesentlichen zur Mitte des Hohlraums ausgerichtet ist, wenn das ringförmige Licht auf den Hohlraum durch die Linse mit variabler Brechkraft gestrahlt wird.
Gemäß einem weiteren besonderen Teilaspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes angegeben, welche eine Form enthält, mit einem mit einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum und einem Zuführungskanal, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche des optischen Elementes aus lichtdurchlässigem Material besteht, eine ringförmige Lichtquelle zum Abstrahlen von Licht, das eine Fotohärtereaktion auslöst und von der Licht in Richtung zu den Achsen der ringförmigen Lichtquellen und einem konischen Spiegel und einer Linse abgestrahlt wird, wobei die Form, die Lichtquelle, der Spiegel und die Linse so angeordnet sind, daß die Mitte des ringförmigen Lichtes, das an der Oberfläche des Spiegels reflektiert wird, durch die Linse verläuft und anschließend den Hohlraum bestrahlt, und im wesentlichen mit der Mitte des Hohlraumes ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren besonderen Teilaspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben, mit einer Form mit einem mit einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum und einem Zuführungskanal, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche des optischen Elementes aus lichtdurchlässigem Material besteht, einem Lasersystem zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung, der eine Fotohärtungsreaktion auslöst, und einer Linse mit variabler Brechkraft, wobei die Form, das Lasersystem und die Linse mit variabler Brechkraft so angeordnet sind, daß die Mitte des ringförmigen Lichtes im wesentlichen mit der Mitte des Hohlraumes ausgerichtet ist, wenn der Laser durch die Linse mit variabler Brechkraft abstrahlt.
Gemäß einem weiteren besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben, welche eine Form mit einem einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum und einen Zuführungskanal, der mit dem Hohlraum in Verbindung steht, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche des optischen Elementes aus lichtdurchlässigem Material besteht, und eine Lichtquelle zum Abstrahlen von Licht mit einer starken Richteigenschaft, die eine Fotohärtungsreaktion einleitet, und ein Mittel zur Bestrahlung des Hohlraums mit dem Lichtstrahl während des Ablenkens des Strahls in eine Ringform enthält.
Bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das ringförmige Licht, das die Fotohärtungsreaktion einleitet, durch die Linsen mit variabler Brechkraft und das lichtdurchlässige Material hindurchgeführt und in den Formenhohlraum geleitet. Durch Einstellen der Linsen mit variabler Brechkraft kann das ringförmige Licht auf den mittleren Teil fokussiert oder in Richtung des peripheren Teils des Hohlraums ausgedehnt werden. Auf diese Weise kann das fotohärtbare Kunststoffmaterial in dem Formenhohlraum von einem mittleren Teil Schritt für Schritt zu dem peripheren Teil ausgehärtet und das Schrumpfvolumen mit unausgehärtetem Kunststoffmaterial durch den Zuführungskanal ergänzt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das ringförmige Licht an dem konischen Spiegel reflektiert, durch die Linsen hindurchgeführt und dann in den Formenhohlraum durch das lichtdurchlässige Material hineingelassen. Durch die Veränderung der relativen Position zwischen der ringförmigen Lichtquelle und dem konischen Spiegel in Richtung entlang der Achse, die der Lichtquelle und dem Spiegel gemein ist, wird ein Durchmesser des Lichtringes verändert, so daß das ringförmige Licht auf den mittleren Teil fokussiert oder gegen den peripheren Teil des Hohlraums ausgedehnt wird. Auf diese Weise kann das fotohärtbare Kunststoffmaterial in dem Formenhohlraum von einem mittleren Teil in Richtung des peripheren Teils Schritt für Schritt ausgehärtet und das Schrumpfvolumen mit unausgehärtetem Kunststoffmaterial durch den Zuführungskanal ergänzt werden.
Bei der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Laserstrahl, dem die ringförmige Intensitätsverteilung inhärent ist, durch die Linse mit variabler Brechkraft und das lichtdurchlässige Material hindurchgeführt und in den Formenhohlraum geleitet. Durch Einstellen der Linse mit variabler Brechkraft kann der Laserstrahl auf den mittleren Teil fokussiert oder in Richtung des peripheren Teils des Hohlraums ausgedehnt werden. Auf diese Weise kann das fotohärtbare Kunststoffmaterial in dem Formenhohlraum von dem mittleren Teil in Richtung des peripheren Teils Schritt für Schritt ausgehärtet und das Schrumpfvolumen mit unausgehärtetem Kunststoffmaterial durch den Zuführungskanal ergänzt werden.
Bei der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestrahlt der Lichtstrahl, der die starke Richteigenschaft hat und die Fotohärtungsreaktion einleitet den Formenhohlraum durch das lichtdurchlässige Material. Da der Lichtstrahl in dem Hohlraum ringförmig abgelenkt wird, erreicht er denselben Effekt, wie der ringförmige Laser- oder Lichtstrahl, falls der Lichtstrahl mit einer Geschwindigkeit abgelenkt wird, die schneller als die Aushärtegeschwindigkeit des Kunststoffmaterials ist. Auf diese Weise, wenn der Lichtstrahl von der Mitte zu der Peripherie des Hohlraums abgelenkt wird, wird das fotohärtbare Kunststoffmaterial in dem Formenhohlraum von dem mittleren Teil in Richtung des peripheren Teils ausgehärtet, und das Schrumpfvolumen kann mit unausgehärtetem Kunststoffmaterial durch den Zuführungskanal ergänzt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 illustriert eines der konventionellen Gießformverfahren zur Herstellung von Linsen für Brillengläser,
Fig. 2 illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer Kunststofflinse gemäß der japanischen Offenlegungsschrift 132221/1980,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Form zur Benutzung bei der Herstellung einer Kunststofflinse gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der Form aus Fig. 1 in einem anfänglichen Fotopolymerisationsschritt,
Fig. 5 zeigt eine Teilansicht aus Fig. 4,
Fig. 6 zeigt eine weitere Teilansicht aus Fig. 5,
Fig. 7 zeigt die Lichtdurchlässigkeit des Kunststoffmaterials und des Fotopolymerisationsauslösers,
Fig. 8 zeigt ein Aushärtungsmuster des Kunststoffmaterials in der Form,
Fig. 9 zeigt andere Bestrahlungsmuster des Kunststoffmaterials in der Form;
Fig. 10 zeigt einen Teilquerschnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch eine der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verwendenden Lichtquelle, und die
Fig. 12, 13, 14 und 15 zeigen Querschnitte von verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Form zur Benutzung bei der Herstellung von Kunststofflinsen gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf inneren Oberflächen einer oberen Form 1 aus Quarzglas und einer unteren Form 2 werden Linsenoberflächen 3, 4 so hergestellt, daß ihre Krümmungen denen der Oberfläche einer Linse entsprechen, die herzustellen ist. Die obere Form 1 steht im Eingriff mit der unteren Form 2, in der eine Stufe 5 zur Einstellung der Linsendicke vorgesehen ist. Die Linsenoberflächen 3, 4 und die Stufe 5 beschreiben einen Hohlraum 6, der mit der äußeren Form der Linse korrespondiert. In der unteren Form 2 wird ein Zuführungskanal 7, der mit dem Hohlraum 6 in Verbindung steht, durch eine Ausbuchtung 8 gebildet, die in einem Teil der Stufe 5 gebildet wird.
In Fig. 3 ist ein fotohärtbares Kunststoffmaterial 9 bereits in den Hohlraum 6 eingefüllt, und eine zusätzliche Menge 10 des Kunststoffmaterials ist in dem Zuführungskanal 7 enthalten.
Das "fotohärtbare Kunststoffmaterial", das hierin benutzt wird, soll aus einer Mischung aus einem fotopolymerisierbaren Monomer und einem fotopolymerisierbaren Initiator bestehen, dessen Mischung in einem flüssigen Zustand in einem Temperaturbereich ist, in der die Polymerisation nicht schnell fortschreitet. Bevorzugt ist das fotopolymerisierbare Monomer eine ethylenisch ungesättigte Verbindung oder ein Gemisch aus zwei oder mehr ethylenisch ungesättigten Verbindungen. Beispiele für die im ethylenisch ungesättigten Verbindungen sind Acrylate (z. B. 2-Hydroxyethylacrylat, Ethylenglycolacrylat, Phenoxyethylacrylat, Phenoxydiethylenglycolacrylat, 2-Hydroxy-3-phenoxypropylacrylat, Tetrahydrofurfurylacrylat, Dicyclopentenyloxyethylacrylat, 1,4- Butandioldiacrylat, Neopentylglycoldiacrylat, Triethylenglycoldiacrylat etc.), Methacrylate (z. B. 2-Hydroxyethylmethacrylat, Glycidylmethacrylat, Bisphenol-A-dimethacrylat, Cyclohexylmethacrylat, Dicyclopentenylmethacrylat, Monobromdichlorpentenylmethacrylat, 2,2-Bis(4- methacryloxy-3,5-dibromphenyl)propan, Bis(oxymethyl)tricyclo[5.2.1.02.6]decandimethacrylat, Thiobisphenoldimethacrylat etc.) und aromatische Vinylverbindungen (z. B. Styrol, Divinylbenzol etc.). Sie können unabhängig oder als Gemisch davon eingesetzt werden. Beispiele für die Fotopolymerisations-Initiatoren sind Benzoinmethylether, Benzoinethylether, Benzyldimethylketal, 1-Hydroxycyclohexylpenthylketon, 1-Hydroxy-2-methyl-1-phenylpropanon, Diethoxyacetophenon, Trichloracetophenon und dergleichen. Sie können unabhängig oder als Gemisch davon eingesetzt werden.
In dem schraffierten Abschnitt 11 in Fig. 3 ist das Material 9 ausgehärtet, und in einem von dem ringförmigen, durch Pfeile angedeuteten Licht bestrahlten Abschnitt härtet das Material 9 aus.
Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der Form aus Fig. 3 bei einem anfänglichen Fotopolymerisationsschritt. Das in einem Punkt fokussierte Licht wird auf die Mitte des Hohlraums abgestrahlt. In Höhenrichtung betrachtet, befindet sich im wesentlichen die mittlere Höhe in dem höchsten Energiezustand, da die durch die Pfeile angedeuteten Lichtstrahlen bei der mittleren Höhe am stärksten konzentriert sind. Deshalb vollzieht sich die Polymerisation in dieser Höhe am stärksten. Durch das Herauf- und Herunterbewegen einer Position, an der die Lichtstrahlen am meisten konzentriert sind, wird die Fotopolymerisationsreaktion in Höhenrichtung gesteuert.
Fig. 5 ist eine Teilansicht von Fig. 4 und zeigt einen Zustand, in dem eine kurze Zeitperiode seit dem Zustand in Fig. 4 verstrichen ist. D.h., die Position, in der die Lichtstrahlen am meisten konzentriert sind, ist nach oben nahe an die Linsenoberfläche 3 der oberen Form 1 verschoben. Wenn das Material 9 nahe der Linsenoberfläche 3 ausgehärtet ist, wird ein schmaler Spalt 6 zwischen dem bereits ausgehärteten Material 11 und der Linsenoberfläche 3 gebildet. Sobald der Spalt gebildet ist, fließt ein Teil des unausgehärteten Materials 9 in den Spalt aufgrund des Kapillarphänomens und härtet aus. Auf diese Weise wird keine Verformung durch Schrumpfen des Materials erzeugt, das durch die Aushärtung hervorgerufen wird, so daß die gestaltete Form genau abgebildet wird.
Fig. 6 zeigt eine andere Teilansicht aus Fig. 4 und zeigt einen Zustand, in dem die Zeit seit dem Zustand aus Fig. 5 weiter fortgeschritten ist. In diesem Zustand wird das ringförmige Licht um den bereits ausgehärteten Kern 11 herum abgestrahlt. Die Peripherie eines Teils 12, der gerade ausgehärtet ist, schrumpft auf ein Maß, das durch gepunktete Linien dargestellt ist. Aber das geschrumpfte Volumen wird auf einfache Weise mit unausgehärtetem Material 9 ergänzt.
Gemäß der obigen Beschreibung härtet das Kunststoffmaterial von der unteren Oberfläche der Form zu der oberen Oberfläche der Form gemäß des Beleuchtungsmusters an der zentralen Stelle aus, und der ringförmige Teil, der den zentralen Teil umgibt, härtet dann von der unteren Oberfläche der Form zu der oberen Oberfläche der Form aus. Aber das ausgehärtete Teil muß nicht notwendigerweise solch eine glatte Außenlinie wie in den Zeichnungen haben, da die Aushärtungsrate ein leichtes Gefälle aufgrund der Verteilung der Lichtintensität, der von Lichtstreuung in dem flüssigen Material, Micro-Brownian-Bewegung von optisch zerlegten Radikalen in dem flüssigen Material u.ä. hat. Die Reaktion in der vertikalen Richtung vollzieht sich oft gleichzeitig an allen Teilen in dieser Richtung, sofern das Licht nicht einen sehr großen Konzentrationswinkel aufweist. In solchen Fällen kann das geschrumpfte Volumen mit dem unausgehärteten Kunststoffmaterial gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung ergänzt werden.
In bezug auf die Lichtquelle wird ein erzeugtes Licht mit einer Wellenlänge von 300 bis 450 Nanometern wie z. B. bei einer Hochdruckquecksilberlampe, einer Metall-Halogenlampe, einem He-Cd-Laser und einem Ar-Ionenlaser bevorzugt.
Generell hat das Kunststoffmaterial bei einem Wellenlängen-Bereich kleiner als 400 Nanometer eine schlechte Lichtdurchlässigkeit, wie durch die Kurve C in Fig. 7 dargestellt ist. Andererseits haben einige der Fotopolymerisationsinitiatoren eine Lichtabsorptions- und Zerlegungsspitze bei einer Wellenlänge, die länger als 400 Nanometer (z. B. die Spitze "a" in der Kurve A in Fig. 7) ist, und einige der Polymerisationsinitiatoren haben die Spitze bei einer Wellenlänge die kleiner als 400 Nanometer ist (z. B. die Spitze b in der Kurve B in Fig. 7). Die oben beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung st geeignet für die Kombination des Kunststoffmaterials mit der Lichtdurchlässigkeit gemäß der Kurve C und des Polymerisationsinitiators mit der Lichtdurchlässigkeit gemäß der Kurve B.
Weil die meisten der Polymerisationsinitiatoren die Lichtabsorptionsspitze bei einer Wellenlänge haben, die kleiner als 400 Nanometer ist, wird das abgestrahlte Licht von dem Kunststoffmaterial absorbiert, so daß die Bestrahlungswirkung abnimmt, wenn die Dicke der Kunststoffmaterialschicht zunimmt. In solch einem Fall verläuft die Aushärtung so, wie in Fig. 8 dargestellt ist, die ein Aushärtungsmuster schematisch darstellt. Durch das bereits ausgehärtete Teil 13 scheint das Licht, wie durch die Pfeile angedeutet, hindurch, und die Aushärtungsreaktion vollzieht sich in der Richtung, in der das Licht abgestrahlt wird. In Fig. 8 ist die obere Form mit 14, die untere Form mit 15 und das unausgehärtete Kunststoffmaterial mit 16 bezeichnet.
Bei dieser Ausführungsform wird die Bestrahlung, wie in Fig. 9 dargestellt ist, im Hinblick auf die Aushärtungsrate und Verhinderung der Aushärtungsspannung von beiden Seiten der Formen durchgeführt. In Fig. 9 deuten die Pfeile das von beiden Seiten einstrahlende Licht an, die obere Form ist mit 17 bezeichnet, die untere Form mit 18, mit 19 ist das unausgehärtete Kunststoffmaterial bezeichnet, mit 20 ist die Ausbuchtung bezeichnet, die mit dem Zuführungskanal verbunden ist, und der bereits ausgehärtete Teil des Kunststoffmaterials ist mit 21 bezeichnet.
Fig. 10 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung der Kunststofflinse gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Form 22 wird zur Herstellung einer konkaven Linse benutzt und hat im wesentlichen dieselbe Struktur wie die Form in Fig. 3. Um eine ringförmige Hochdruckquecksilberlampe 23 ist ein ringförmiger Reflektor 24 angeordnet, der einen parabolischen Querschnitt aufweist. Unter der offenen Seite des Reflektors ist eine ringförmige Linse 25 angeordnet. Weiter unterhalb der Linse 25 sind vertikal verschiebbare Linsen 26 mit variabler Brechkraft und auch eine feste Linse 27 angeordnet, welche das ringförmige Licht auf die Form 22 abbildet. Die Mittelpunkte der Lampe 23, des Reflektors 24 und der Linsen 25, 26 und 27 sind im wesentlichen miteinander fluchtend ausgerichtet. Die Linse 25 hat eine ringröhrenförmige Gestalt, die einem peripheren Abschnitt einer konvexen Linse entspricht. In Fig. 10 ist ein imaginärer mittlerer Abschnitt der konvexen Linse mit einer Linie angedeutet, die abwechselnd einen langen und zwei kurze Striche aufweist. Deshalb wirkt die Linse 25 im wesentlichen als eine konvexe Linse, und kann einen parallelen Lichtstrahl von der Ringform, die von der Hochdruckquecksilberlampe 23 und dem Reflektor 24 erzeugt wurde, auf die optische Achse fokussieren. Die Linsen 26 mit variabler Brechkraft verändern einen Fokuswinkel des Lichts, das von der Linse 25 so fokussiert ist, daß nach dem Hindurchtreten durch die Linse 27 das Licht ein Abbild auf dem Hohlraum 28 der Form 22 bildet. Zusätzlich verändern die Linsen 26 mit variabler Brechkraft einen Radius des gebildeten ringförmigen Musters des abgestrahlten Lichts durch Auf- und Abbewegen der Linse 25. D.h., in Fig. 10 sind die Linsen 26 in einer mittleren Höhe angeordnet. Wenn die Linsen 26 mit variabler Brechkraft aufwärts gegen die obere Begrenzungsposition A bewegt werden, erreicht die obere Oberfläche 29 der Linse 26 die gestrichelte Linie 29, so daß der durch die gestrichelten Linien angedeutete Lichtstrahl den äußersten Teil des Hohlraums 28 der Form 22 bestrahlt. Wenn die Linsen 26 mit variabler Brechkraft bis zu der unteren Grenzposition B herabbewegt sind, ist der Lichtstrahl verdichtet, um ein punktförmiges Licht zu bilden. Deshalb werden die Linsen 26 mit variabler Brechkraft zu Beginn des Gießformens an ihrer unteren Grenzposition B angeordnet, und die Linsen 26 werden daraufhin aufwärtsbewegt, wenn die Fotopolymerisation fortschreitet, um den Durchmesser des ringförmigen Lichtmusters zu vergrößern, wobei das Kunststoffmaterial in der Hohlraumform von der Mitte zu der Peripherie der Form vollständig aushärten kann. Die Linse 27 kann das Licht in dem Hohlraum durch ihre vertikale Bewegung fokussieren. Wenn der Hohlraum 28 eine große Tiefe aufweist, wird die Linse 27 vorzugsweise in eine vertikale Schwingung versetzt. In Fig. 10 ist der Zuführungskanal mit 31 bezeichnet.
Fig. 11 illustriert eine andere Ausführungsform der Lichtquelle, die bei einer Vorrichtung zur Herstellung der Kunststofflinse gemäß der vorliegenden Erfindung zu benutzen ist, in der eine kleine Quecksilberlampe 32 statt der ringförmigen Hochdruckquecksilberlampe 32 in Fig. 10 vorgesehen ist, die einer punktförmigen Lichtquelle entspricht. Unter der Quecksilberlampe 32 ist eine Quarzglasplatte 33 angeordnet, auf der eine Chrommetallschicht 34 aufgebracht ist, um einen ringförmigen lichtdurchlässigen Teil zu bilden, durch den das Licht hindurchscheint. Das Licht, das durch den ringförmigen lichtdurchlässigen Teil auf der Quarzglasplatte 33 hindurchreicht, bildet einen ringförmigen Lichtstrahl, der verkleinert oder vergrößert und dann auf das Kunststoffmaterial in der Form auf dieselbe Weise wie in Fig. 10 abgestrahlt werden kann. Solch eine Lichtquelle ist ökonomisch und einfach aufzubauen.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung der Kunststofflinse. Die Lichtquelle besteht aus einer ringförmigen Hochdruckquecksilberlampe 36, einem ringförmigen Spiegel 37 und einer ringförmigen Linse 38 und erzeugt im wesentlichen parallele Lichtstrahlen in Richtung zur Mitte des Ringes, wie durch die durchgezogenen Linien dargestellt ist. Ein konischer Spiegel 39 hat einen Öffnungswinkel von ungefähr 90º und ist konzentrisch zur ringförmigen Lampe 36 angeordnet. Die Lichtstrahlen werden an der Oberfläche des konischen Spiegels 36 in eine abwärts gerichtete Richtung reflektiert. Dann wird das Licht durch eine Fresnel-Linse 40, die als konvexen Linse wirkt, auf einen Hohlraum 42 einer Form 41 fokussiert. Wenn der Hohlraum eine große Tiefe aufweist, wird die Fresnel-Linse 42 auf- und abbewegt, um den Fokuspunkt in der Tiefe zu verändern. In Fig. 12 sind die obere Form, die untere Form und der Zuführungskanal mit 43, 44 und 45 bezeichnet. Die Lichtquelle und der konische Spiegel können in axialer Richtung relativ zueinander bewege werden. Wenn die Lichtquelle erniedrigt wird, verlaufen die Lichtstrahlen entlang der unterbrochenen Linien in Fig. 12. D.h., wenn sich die Lichtquelle in Richtung der Form bewegt, werden die Lichtstrahlen näher am Scheitel des konischen Spiegels 39 reflektiert, so daß der Radius des ringförmigen Lichts kleiner wird. Deshalb wird zu Beginn des Formens die relative Position der Lichtquelle zu dem Spiegel 39 so eingestellt, daß die Lichtstrahlen auf der Spiegeloberfläche nahe dem Scheitelpunkt des konischen Spiegels 39 reflektiert werden und bei fortschreitender Polymerisation die Lichtquelle und/oder der konische Spiegel relativ zueinander bewegt werden, so daß die Lichtstrahlen an der Spiegeloberfläche weiter entfernt von dem Scheitelpunkt des konischen Spiegels 39 reflektiert werden, um auf diese Weise den Radius des ringförmigen Lichts, mit dem das Kunststoffmaterial in der Hohlraumform bestrahlt werden soll, zu vergrößern.
Bei dieser in Fig. 12 dargestellten Vorrichtung kann, da keine Linsen mit variabler Brechkraft benötigt werden, die Vorrichtung einfach und kompakt hergestellt werden.
Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung der Kunststofflinse gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein He-Cd-Lasersystem 46 kann einen Laserstrahl erzeugen, der eine Intensitätsverteilung gemäß der Linie 47 mit abwechselnd langen und zwei kurzen Strichen aufweist. Die relative Position des Lasersystems 46, einer Linse 48 und einer Form 49 wird so eingestellt, daß der kreisförmige Peak der Laserstrahlintensitätsverteilung in der Bestrahlungsposition in der Hohlraumform durch die Wirkung der Linse 48 vergrößert wird, die den Laserstrahl vergrößert. Aus diesem Grunde ist die Linse 48 vertikal beweglich. Wenn die Linse 48 in die Position, die durch die gestrichelte Linie 48' dargestellt ist, herabbewegt wird, wird der Laserstrahl auf einen mittleren Punkt in dem Hohlraum 50 fokussiert. Auf diese Weise ist es möglich, das Kunststoffmaterial in dem Hohlraum 50 zu bestrahlen, während der ringförmige Laser von der Mitte zu der Peripherie der Form vergrößert wird.
Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung der Kunststofflinse gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein He- Cd-Lasersystem 51 wird so angeordnet, daß ein Laserstrahl 56 einen Hohlraum 53 einer Form 52 bestrahlt. Die Form 52 ist auf den X-Y-Tisch 55 befestigt, der mit einem Steuerungsgerät (nicht eingezeichnet) in den horizontalen Richtungen frei bewegt werden kann. Bei dieser Ausführungsform wird der Tisch 55 so bewegt, daß der Hohlraum um seine Mitte herum gedreht wird, wodurch der Laserstrahl kreisförmig auf den Hohlraum abgestrahlt wird. Wenn der Hohlraum im Verhältnis zu der Fotopolymerisationsrate schnell genug gedreht wird, scheint der Laserstrahl so abgestrahlt zu werden, als wenn er von einer ringförmigen Lichtquelle erzeugt wurde. Wenn die Entfernung zwischen dem bestrahlten Abschnitt und der Mitte des Hohlraums erhöht wird, wird die gleiche Wirkung erzielt, wie in dem Fall, wenn der Durchmesser von dem ringförmigen Licht vergrößert wird. In Fig. 14 sind die untere und obere Form mit 57 bzw. 58 bezeichnet, der kreuzweise schraffierte Bereich 59 besteht aus dem ausgehärteten Material, und der Zuführungskanal ist mit 60 bezeichnet.
Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Herstellung der Kunststofflinse gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein von einem He-Cd-Lasersystem 61 erzeugter Laserstrahl 62 wird an der Oberfläche eines Spiegels 65 reflektiert. Ein Befestigungswinkel 8 des Spiegels 65 zu einer Rotationsachse 64 ist eingestellbar. Durch Vergrößerung des Befestigungswinkels e, ausgehend von dem Winkel, bei dem der Laserstrahl zu dem Zentrum des Hohlraums 67 der Form 66 abstrahlt verändert sich der bestrahlte Abschnitt von der Mitte zu der Peripherie der Hohlraumform. Wenn der Spiegel um seine Rotationsachse im Vergleich zu der Polymerisationsgeschwindigkeit schnell genug gedreht wird, wird ein im wesentlichen ringförmiges Licht in dem Hohlraum gebildet und sein Durchmesser wird von der Mitte zur Peripherie des Hohlraums hin vergrößert. In Fig. 15 sind die obere Form, die untere Form und der Zuführungskanal mit 68, 69 und 70 bezeichnet.
Wenn der Laserstrahl wie in den Ausführungsformen der Fig. 14 und 15 benutzt wird, wird das Reaktionsgebiet genau gesteuert, da der Laserstrahl eine starke Richteigenschaft aufweist. In Kombination mit Mitteln zum Ablenken des Laserstrahls in eine Ringform wie der X-Y- Tisch 54 in Fig. 14 und der Spiegel 65 in Fig. 15, kann der Radius des bestrahlten Gebiets Schritt für Schritt vergrößert werden, wodurch die Kunststofflinse mit einer geringeren inneren Spannung hergestellt werden kann. Darüber hinaus wird in den Ausführungsformen der Fig. 14 und 15 keine Kondensorlinse benutzt.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Kunststofflinse unter Bedingungen hergestellt wird, unter denen die innere Spannung in der Form unterdrückt wird und die Reaktion so schnell wie möglich voranschreitet, ist die Aushärtung des Kunststoffmaterials im Hinblick auf den Polymerisationsgrad nicht immer abgeschlossen. In solch einem Fall wird die Kunststofflinse allmählich erhitzt, um das Aushärten durch thermische Polymerisation abzuschließen, oder sie wird zur Vollendung der Aushärtung weiterhin mit Licht bestrahlt, um so die Eigenschaften der Linse zuverlässig zu verbessern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines optisches Kunststoffelementes, welches die Schritte aufweist, - eine Form (1, 2) mit einem mit einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum und einem Zuführungskanal (7) zur Verfügung zu stellen, der mit dem Hohlraum (6) in Verbindung steht, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche (4) des optischen Elementes aus einem lichtdurchlässigem Material hergestellt wird, so daß Licht durch das Material in den Formenhohlraum (6) eindringen kann, - fotohärtbares Kunststoffmaterial (9) durch den Zuführungskanal (7) in den Hohlraum (6) zu gießen und - den Hohlraum (6) mit Licht zu bestrahlen, um das fotohärtbare Kunststoffmaterial (9) zu härten, wobei der Lichtbestrahlungsschritt ausgeführt wird, während ein zusätzlicher Teil (10) des fotohärtbaren Kunststoffmaterials (9) im Zuführungskanal (7) kontinuierlich bereitgehalten wird;

dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbestrahlungsschritt die Schritte aufweist, ein zentrales Teil (11) des Hohlraums (6) mit Licht zu bestrahlen, welches eine Fotohärtungsreaktion einleitet, und das Licht in der Form eines Ringlichtes um den bereits gehärteten Teil (11) zu vergrößern, bis die vom ringförmigen Licht beleuchtete Fläche die Peripherie des Hohlraumes (6) erreicht, so daß das gesamte fotohärtbare Kunststoffmaterial (9) gehärtet wird.

2. Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kunststoffelementes, welche eine Form (22; 41; 52; 66) mit einem mit einer Form des optischen Elementes übereinstimmenden Hohlraum (28; 42; 53; 67) und einem Zuführungskanal (31; 45; 60; 70), der mit dem Hohlraum (28; 42; 53;

67) in Verbindung steht, wobei mindestens eine Seite der Form zur Bildung einer Oberfläche des optischen Elementes aus lichtdurchlässigem Material besteht, so daß Licht in den Formenhohlraum (28; 42; 53; 67) eindringen kann, und eine Lichtabstrahleinrichtung zum Abstrahlen von Licht aufweist, welches eine Fotohärtungsreaktion des in den Formenhohlraum (28; 42; 53; 67) geleiteten Materials einleitet;

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabstrahleinrichtung Mittel (23, 26; 36, 39, 40; 46; 55; 63 bis 65) zur Bestrahlung eines zentralen Teils des Formenhohlraums (28; 42; 53; 67) mit Licht und zur anschließenden Vergrößerung des Lichtes in der Form eines Ringlichtes aufweist, bis das ringförmige Licht die Peripherie des Formenhohlraums (28; 42; 53; 67) erreicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabstrahleinrichtung eine ringförmige Lichtquelle (23) und eine Linse (26) mit veränderbarer Brechkraft aufweist und daß die Form (22), die ringförmige Lichtquelle (23) und die Linse (26) mit variabler Brechkraft so angeordnet sind, daß die Mitte des von der ringförmigen Lichtquelle (23) abgestrahlten ringförmigen Lichtes im wesentlichen zur Mitte des Hohlraums (28) ausgerichtet ist, wenn das ringförmige Licht auf den Hohlraum (28) durch die Linse (26) mit variabler Brechkraft gestrahlt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabstrahleinrichtung eine ringförmige Lichtquelle (36), einen konischen Spiegel (39) und eine Linse (40) aufweist, das Licht in Richtung zu den Achsen der ringförmigen Lichtquelle (26) und des konischen Spiegels (39) abgestrahlt wird und daß die Form (41), die ringförmige Lichtquelle (36), der konische Spiegel (39) und die Linse (40) so angeordnet sind, daß die Mitte des ringförmigen Lichtes, das an der Oberfläche des konischen Spiegels (39) reflektiert wird, durch die Linse (40) verläuft und anschließend den Hohlraum (42) bestrahlt, im wesentlichen zur Mitte des Hohlraumes (42) ausgerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welchem die Lichtabstrahleinrichtung ein Lasersystem (46) aufweist, das einen Laserstrahl mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung (47) erzeugt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabstrahleinrichtung Mittel (55; 63 bis 65) zum Bestrahlen des Hohlraumes (53, 67) mit dem Lichtstrahl mit einer starken Richteigenschaft während des Ablenkens des Strahles in einer Ringform aufweist.