[发明专利]塑料光学元件及其制造方法和制造设备

说明书

本申请要求2000年9月28日在日本专利局申请的日本专利申请No.2000-295840的权利，该公开的内容在此被引作参考。

                        发明领域

本发明一般涉及塑料光学元件，塑料光学元件的制造方法以及塑料光学元件制造设备，更特别地本发明涉及一种用于激光数字复印机、激光打印机和传真机，或用于诸如摄象机的光学设备中的塑料光学元件，和一种塑料光学元件制造方法以及用于制造这种塑料光学元件的塑料光学元件制造设备。

                         背景技术

在诸如透镜和棱镜的光学元件中，要求表面形状和内部双折射具有较高的精度。由于这个原因，传统上主要用玻璃来制造光学元件。然而近年来，由于塑料可以被较大自由度地成形并且使用塑料可以得到高生产率，越来越多地使用塑料作为光学元件。这种趋势得到了具有低双折射特性的树脂材料的发展以及改进的铸模工艺的支持，改进的铸模工艺能够生产具有高精确形状和低双折射的模制品。

传统上，树脂材料主要用做包括聚碳酸脂和丙烯酸树脂的光学元件。不过，聚碳酸脂具有较大的双折射，而丙烯酸树脂具有水或湿度吸收特性，从而限制了这类材料用做光学元件。不过，近年来已经发展了具有低水或湿度吸收特性和低双折射的树脂材料，从而发展了树脂材料作为光学元件的应用。例如，这种树脂材料包括日本Zeon(Nippon Zeon)制造的Zeonex(产品名)和JSR制造的Arton(产品名)。另外，改进的铸模工艺在低压下填充树脂，将压力施加到整个模具上或通过注入实现注入模制，为提高模制品的形状精度并得到低双折射。由于这些原因，使用塑料作为光学元件的趋势逐渐增加。

由注入模制形成的诸如塑料扫描透镜的塑料光学元件具有令人满意的精确形状以及低双折射。不过，模制塑料光学元件内部存在折射率分布，如图1a所示。因此，尤其是作为高精度塑料光学元件，所得到的光学特性仍然不能胜任并且不令人满意。

另外，朝着塑料光学元件的表面方向折射率增大(H：高)，朝着中心方向折射率减小(L：低)，如图1b所示。由于这个原因，当塑料光学元件形成成像透镜时，将产生成像位置误差。

另外，如图1中c、d和e所示，在次扫描截面处也产生折射率分布，这种折射率分布导致次扫描光束中的图像表面失真，也就是，聚焦位置的偏离。例如，在激光打印机的光学扫描透镜的情形中，折射率分布导致将会聚在扫描表面上的束斑从设计位置处朝着光偏转器方向发生移动，扫描表面上的束斑直径比设计值大，从而使由光学扫描所绘出的图像质量降低，如日本特许公开专利申请No.10-288749中所描述。

塑料光学元件中的折射率分布由以下原因所引起。即，当模制树脂时，在模具壁面附近，即在树脂的外围部分，温度急剧降低，而在树脂的中心部分温度逐渐降低。从而，在树脂的注入填充状态和初始施加给树脂的压力很高时，模具的壁面附近迅速冷却，使树脂的外围部分凝固，因此树脂的密度在树脂的外围部分较高。不过由于到树脂的中心部分被冷却并凝固时，施加给树脂的压力被减小，树脂的中心部分的密度较低。结果，树脂的密度在朝着光学元件表面的方向较大，朝着光学元件中心部分的方向较小。因为密度和折射率之间高度相关，在朝着光学元件表面的方向折射率增大，朝着光学元件中心部分的方向折射率减小，从而产生折射率分布。

折射率分布的主要原因是模具壁面附件树脂的迅速冷却。因此，在树脂被注入并填充到高温模具之后，可以想象经历逐渐冷却树脂的退火过程，减小模制树脂内部的温度分布，使得可得到具有低折射率分布的透镜。不过根据这种想象的方法，模制周期变得相当长，生产率很低，增加了光学元件的制造成本。

另一方面，已经提出了多种规定透镜形状并使用折射率分布很小的透镜区域的方法。例如，日本特许公开专利申请第8-201717号提出了采用第一种方法的光学扫描元件，规定透镜形状满足h/t＞2的关系，其中t表示光束传播方向上光束的深度，h表示与光束传播方向垂直的方向上光束的高度。在第一种方法中通过使h值较大，可减小树脂冷却时光束传输区域中的温度分布，实现该区域中的小折射率分布，从而减小图像位置误差。

另外，日本特许公开专利申请第9-49976号提出了第二种方法，通过考虑折射率分布而进行光学设计。根据该第二种方法，通过调节成像透镜的形状，可克服折射率分布导致的成像透镜的成像位置误差。通过朝向旋转多边镜方向改变成像位置设计值，可能将光束成像在扫描表面上。