[发明专利]制造光学元件的方法和光学元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用包含制造生坯的模制步骤而由光学陶瓷(opto-ceramic)制造光学元件、尤其是透镜的方法，且本发明还涉及通过进行所述方法所获得的光学元件。

背景技术

光学陶瓷由于其基本上极合适的光学性质(折射指数、色散)可有助于改良光学成像系统。在特殊情况下，新成像创意仅可利用所述新备选光学材料来实现。特别地，本文提及更紧密地构建例如数字摄像机以及改良或简单化色彩校正(色度或复消色差)的可能性。

光学陶瓷大体上是基于氧化物且具有高透明度的单相、聚结晶材料。因此光学陶瓷是陶瓷的分支。“单相”材料应以如下方式理解：至少多于95％的材料、优选至少97％、更优选至少99％且最优选99.5到99.9％以所需组合物的晶体形式存在。单晶体密集地堆积且达到与至少99％、优选至少99.9％、更优选至少99.99％的理论密度有关的密度。因此，光学陶瓷几乎无孔。

微晶的晶体结构优选为立方。这种情况的实例是石榴石，立方稳定氧化锆，如Y₂O₃、Yb₂O₃、Lu₂O₃、Sc₂O₃等等的立方倍半氧化物，或这些氧化物互相或与其它氧化物的立方混合晶体，称为Al-氧氮化物、尖晶石或钙钛矿。就所关注的ZrO₂来说，通过添加平衡量的特定氧化物或氧化物的混合物来达成立方对称的稳定。

与光学陶瓷相比，常规陶瓷并不展示光学陶瓷中所观察到的高密度。因此，经常用烧结佐剂使这些陶瓷致密。在烧结期间，经常出现邻接于主要位于晶界附近的结晶相的高比例的非晶形玻璃相。玻璃陶瓷也包含邻接于结晶相的高比例的非晶形相，因此这些和其它常规陶瓷都不展示类似光学陶瓷的有利性质，例如特定折射指数、阿贝数(Abbenumber)、相关部分色散的值和最重要的是对于可见区内的光和/或红外光的有利高透明度。在光的可见区中，透射率高于70％的理论极限，优选高于80％的理论极限，特别优选高于90％的理论极限，理想地透射率高于99％的理论极限。

在特定应用中，因此光学陶瓷相对于由玻璃制成的常规透镜是优选的。成功出售的先决条件是供应足够量的具有良好再现性和可接受的价格的高品质透镜。使价格适合由玻璃制成的常规透镜的价格。

视其使用目的而定，透镜包含指定弯曲表面穿过其光轴的孔。球面透镜受球截形限制，其中球面中心位于光轴上。另外，已知非球面透镜和自由形成的透镜。

良好机械和化学性质对于应用光学陶瓷作为透镜材料是有利的。举例而言，根据DIN9385，来自倍半氧化物X₂O₃的群的光学陶瓷展示努普硬度(Knoop hardness)HK_0.1/20高于石英玻璃(Y₂O₃：约750；Sc₂O：约900)的努普硬度；YAG(钇-铝-石榴石)、尖晶石和ZrO2甚至更硬，努普硬度分别为1300和1600。

另一方面，就所关注的透镜的可加工性来说，不希望高硬度。如果后者由松散材料制造，那么由例如CNC(计算机数控)的其它工艺步骤产生的成本相当大。此外，常规制造工艺是展示低效率的经常连续进行的方法。

因此，需要平行进行工艺步骤，使用多腔模具和使陶瓷的其它工艺步骤最少。

另外，仅次于光学功能，经常需要例如支撑区域、在侧面圆形地邻接透镜和由此使透镜定位于载体中的机械性质。可能需要置于透镜之局部上的甚至更复杂的模具凹槽以使整合为光学系统成为可能(整体光学元件)。这些凹槽又增加进一步加工的成本和作用。

具有高半透明度和光学品质的陶瓷组分的制造已多次描述。所述方法基本上包含以下主要步骤：

1.粉末制造

2.粉末调节

3.模制

4.必要时干燥或脱脂

5.烧结

6.HIP(热等静压)

7.必要时后退火(热后加工)

步骤4、6和7是可选的且视其他工艺参数和所需陶瓷的性质而定。

单工艺步骤以及基础工艺参数的选择视各种因素而定。这些因素例如是粉末性质(初级粒子尺寸、聚结物尺寸、比表面、粒子几何形状)、特定材料的物理化学情况(特别在调节和烧结过程期间)、产物的所需尺寸/几何形状和/或关于所需光学性质的目标尺寸。因此，必须选择上文所提及和那些下文所述的大多数有意义的工艺模组，其中成本方面也适当。

1.粉末制造