可再使用的铸造模具及制备此类模具的方法

可再使用的铸造模具及制备此类模具的方法
【专利摘要】本发明针对一种用于制备接触镜片的可再使用的模具(1)并且该可再使用的模具具有的半模(11，12)中的至少一个是由具有小于HK 350的努普硬度的氧化物玻璃制成。本发明还针对一种用于通过单点金刚石车削具有小于350的努普硬度HK的氧化物玻璃来制备光学零件的方法。
【专利说明】可再使用的铸造模具及制备此类模具的方法
【背景技术】
[0001] 已经做出巨大的努力来开发用于以高的精度、保真度和再现性以及以低成本铸造 模制水凝胶接触镜片的技术。此类制造技术之一是所谓的Lightstream Technology?(爱尔 康公司(Alcon))，其涉及可再使用的模具以及在光化辐射的空间限制下固化一种镜片形成 组合物（美国专利号 5,508,317、5,583，163、5,789,464、5,849,810、和8，163,206)。该用于 制备接触镜片的Lightstream Techno logy?具有若干优点。例如，可以使用可再使用的石 英/玻璃模具或/和可再使用的塑料模具，而不是一次性塑料模具，因为生产镜片之后，这些 模具可以使用一种适合的溶剂快速并且有效地清除掉未交联的单体或预聚物和其它残余 物，并且可以用空气吹干。一次性塑料模具固有地具有尺寸变化，因为在塑料模具的注塑模 制过程中，由于生产工艺(温度、压力、材料特性）的波动可能发生模具尺寸的波动，并且还 因为所产生的模具在注塑模制后可能经受不均匀的收缩。模具的这些尺寸变化可能导致有 待产生的接触镜片的参数(最大折射率、直径、基本曲线、中心厚度等)的波动且导致在复制 复杂镜片设计上的低保真度。通过使用以高精度生产的可再使用的模具，人们可消除一次 性模具中固有存在的尺寸变化和由此自其产生的接触镜片的变化。根据该Lightstream Technology?生产的镜片可具有对初始镜片设计的高的一致性和高的保真度。
[0002] 然而，常规的可再使用的接触镜片模具由一个石英凸底曲面和一个玻璃凹前曲面 组成。该底曲面模具由单独地研磨且抛光的石英制成，而该前曲面模具由高精度压制且抛 光的玻璃制成。用于新设计的石英底曲面模具和玻璃前曲面模具的制造时间是数月。如此 长的研制周期导致用于原型制作模具的冗长的开发周期和长的研制周期。
[0003] 因此，对于可以以相对较短的时间设计和制造的新的可再使用的模具仍存在一种 需要。

【发明内容】

[0004] 在一个方面，本发明涉及一种用于制备接触镜片的可再使用的模具，该模具包括 第一半模和第二半模，该第一半模具有与一种镜片形成组合物接触的第一模具表面，该第 二半模具有与该镜片形成组合物接触的第二模具表面，其中该第一半模和该第二半模被配 置为相互接纳，这样使得在该第一模具表面与该第二模具表面之间形成一个型腔，其中该 型腔限定有待模制的接触镜片的形状，其中该镜片形成组合物是通过UV辐射可聚合的和/ 或可交联的，其中这些半模中的至少一个是由一种具有小于350的努普硬度(HK)的氧化物 玻璃制成的。
[0005] 在另一个方面，本发明涉及一种用于制备光学零件的方法，该方法包括以下步骤：
[0006] (a)选择一种具有小于350的努普硬度(HK)的氧化物玻璃材料，
[0007] (b)用负前角单点金刚石车削该无机无定形玻璃以获得一种具有光学品质表面的 光学零件。
【附图说明】
[0008] 图1示出了在闭合位置的根据本发明的铸造模具的示例性实施例的剖面；
[0009] 图2是由图1中II指示的大大放大比例的细节。
【具体实施方式】
[0010] 除非另外定义，否则在此使用的所有技术和科学术语具有与由本发明所属领域的 普通技术人员通常所理解的相同的含义。总体上，在此使用的命名法和实验室程序是本领 域众所周知的且常用的。常规的方法用于这些程序，如在本领域和各种通用参考文献中提 供的那些。当以单数提供术语时，诸位发明人也考虑了该术语的复数。在此使用的命名法和 以下描述的实验室程序是本领域中众所周知的且常用的。如遍及本披露使用的，以下术语， 除非另外指明，应该理解为具有以下含义。
[0011] 如在此使用的"约"是指被称为"约"的数字包括所叙述的数加上或减去那个所叙 述的数字的1 %-10 %。
[0012] "任选的"或"任选地"是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且是 指该描述包括其中该事件或情况发生的情形以及其中其不发生的情形。
[0013] "眼科镜片"指的是一种接触镜片和/或眼内镜片。"接触镜片"指的是可放置在佩 带者眼睛上或内部的结构。接触镜片可以矫正、改进或改变使用者的视力，但没有必要是这 种情况。"娃酮水凝胶接触镜片"指的是一种包含硅酮水凝胶材料的接触镜片。
[0014] 如在本申请中使用的，术语"水凝胶"或"水凝胶材料"指的是不可溶于水的并且当 完全水合时可以在其聚合物基质内包含按重量计至少10%的水的一种交联的聚合物材料。
[0015] "硅酮水凝胶"指的是一种含硅酮的水凝胶。硅酮水凝胶典型地是通过共聚一种可 聚合的组合物获得的，该可聚合的组合物包含至少一种含硅酮的乙烯基单体或至少一种含 硅酮的乙烯基大分子单体或至少一种含硅酮的具有烯键式不饱和基团的预聚物。
[0016] "乙烯基单体"指的是一种具有一个唯一的烯键式不饱和基团的化合物。
[0017] 术语"稀属不饱和基团"或"稀键式不饱和基团"在此在广义上使用并且旨在包含 含有至少一个〉c=c〈基团的任何基团。
[0018] "光化辐射的空间限制"指的是其中呈射线形式的能量辐射通过例如掩模或屏或 其组合引导以便以空间受限制的方式撞击到具有明确定义的外围边界的区域上的一种行 为或过程。UV辐射的空间限制通过使用掩模或屏获得，该掩模或屏具有一个辐射(例如UV 和/或可见光)可透过的区域、围绕该辐射可透过区域的一个辐射(例如，UV和/或可见光)不 可透过的区域、以及为该辐射不可透过的区域与辐射可透过的区域之间的边界的一个投影 轮廓，如在美国专利号 6,800,225(图 1-11)、和6,627，124(图1-9)、7,384,590(图1-6)、以及 7，387，759(图1 -6)的附图中示意性示出的，将所有这些专利以其全文通过引用结合。该掩 模或屏允许空间投射具有由该掩模或屏的投影轮廓所限定的横截面轮廓的一束辐射（例 如，UV辐射和/或可见光辐射）。投射的辐射(例如，UV辐射和/或可见光辐射)束限制撞击在 位于从模具的第一模制表面至第二模制表面的投射束路径中的镜片配制品上的辐射。所产 生的接触镜片包括一个由该第一模制表面限定的前表面、一个由该第二模制表面限定的相 反的后表面、以及一个由该投射的UV和/或可见光束的截面轮廓限定的镜片边缘（即，辐射 的空间限制）。用于该交联的辐射是辐射能，尤其是UV辐射(和/或可见光辐射）、γ幅射、电 子辐射或热辐射，该辐射能优选地呈基本平行的束的形式，以便一方面实现好的限制并且 另一方面有效利用该能量。
[0019] "镜片形成材料"指的是可以通过光化辐射聚合和/或交联以形成接触镜片的一种 材料。
[0020] 光化辐射指的是一种适合形式的能量的辐射。光化辐射的实例包括但不限于光辐 射(例如，UV辐射）、γ幅射、电子辐射、X-射线照射、微波照射、热辐射等。
[0021] 根据本发明的方法和根据本发明的装置的另外的方面和优点将从以下的说明结 合附图看出。在附图中，
[0022] 设计在图1中示出的装置用于从一种可以通过UV辐射聚合或交联的液体起始材料 制造接触镜片。它包括一个模具1和一个能源2a(在此UV光源）、以及用于将由能源2a提供的 能量以基本上平行束的形式引导至该模具的装置2b。当然，能源2a和装置2b还可以结合以 形成一个单一单元。
[0023] 该模具由两个半模11和12组成，这两个半模各自具有一个弯曲的模具表面13和 14,这些模具表面一起限定一个模腔15,该模腔进而确定有待制造的接触镜片的形状。在该 附图中的上半模11的模具表面13是凸的并且确定接触镜片的后且底部的面(具有连接的边 缘区）；这个半模通常被称为父半模。相反地，相应地被称为母半模的另一个半模的模具表 面14是凹的并且确定有待制造的接触镜片的正面(同样具有连接的边缘区）。
[0024] 模腔15不是完全且紧密闭合的，而是在该说明的实施例中在其外围边缘(限定有 待制造的接触镜片的边缘)周围是打开的，并且连接到一个相对窄的环形间隙16上。由在父 半模11和母半模12各自上的一个平的模具壁17和18限制或形成环形间隙16。为了防止该模 具的完全闭合，在母模具12上提供隔离件，例如呈若干螺栓19a或19b的形式，并且这些隔离 件与父模具11的凸缘或法兰20相互作用并且保持这两个半模在这样分离的距离下使得所 述环形间隙16产生。如在图1中由右边具有螺纹的隔离螺栓19b象征性地指示的，这些隔离 件还可以具有可调整的或弹簧作用的形成。以此方式，在交联过程期间这两个半模11、12可 以朝向彼此移动以通过调整这些隔离件（由示出旋转方向的箭头19c象征性地指示的)或靠 弹簧作用平衡渗漏。当然，该模具可以以通常的方式打开和闭合，例如通过一个在此仅仅通 过箭头符号la指示的闭合单元。平衡渗漏的在这两个半模11、12之间的间隙的调整还可以 例如使用这个外部闭合单元进行。
[0025] 还可想到的是可以提供一系列区段间隙，而不是连续的环形间隙16和这些隔离件 19a和19b，在这些单独的区段间隙之间的中间区域接替这些隔离件的功能。当然，半模的其 他配置也是可想到的。
[0026] 在环形间隙16的区域中的模具壁17上，存在一个对于所使用的能量形式(在此该 能量形式是UV光)不可透过的掩模21，（或者一个至少具有与该模具的渗透性相比差渗透性 的掩模），并且这个掩模恰当地延伸直到模腔15,并且除了该模腔之外，掩蔽模具1的所有其 他部分、中空空间或区域(与该液体，未交联的，可能过量的材料接触或者可能与其接触)免 于辐射能。该镜片边缘的部分区域因此不是由通过模具壁的材料的限制形成的，而是通过 触发聚合或交联的能量的辐射或其他形式的空间限制形成的。
[0027] 在UV光的情况下，掩模21可以优选地是一个铬层，该铬层可以通过例如从摄影或 UV光刻已知的方法产生。掩模21不必要必须被固定;它还可以是例如可去除的或可交换的。
[0028] 图2作为放大的细节示出了在模腔15与环形通道16之间的过渡区中的模具1的安 排。通过举例，型腔15在此具有对应于一种所谓的软接触镜片CL的典型边几何形状的形状。 该型腔边，以及因此该镜片边，在此是通过两个壁面22和23形成的，这两个壁面彼此成直角 安排并且被对应地安排在阳半模和阴半模11和12上。那两个壁面、和由它们限定的接触镜 片的边区域的宽度和高度对应地由X和Y指示。显然，该镜片边实际上还可以是稍稍圆形的。 [0029]如可以清楚地看出的，阴半模12的圆柱形壁面23不恰当地延伸直到阳半模11的平 壁面22和壁面17(处于与其无缝相邻），而是低了量Ay，这样使得在这两个半模11和12的壁 面17与壁面18之间已经提及的环形间隙16形成或保持开放。
[0030] 在这个示例实施例中的阳半模11的壁面17上提供的掩模21水平地精确延伸直到 阴半模12的壁面23的延伸部分23a。如果引起交联的呈平行束3形式的UV光是与该壁面22和 17成直角并且与圆柱形壁面23平行入射，则成直角位于掩模21下面的空间是在阴影中并且 仅仅位于型腔15内部（即在假想的壁延伸部分23a内部）的材料交联，导致一种干净且无毛 刺的镜片边，该镜片边不要求任何随后的机械加工。如果使用平行的能量辐射，因此，不计 衍射和散射效应(在实践中通常是微不足道的），掩模21的轮廓被二维平行地且(在这种情 况下）向下转移至接触镜片的边区域内。因此，如果这两个半模11和12通过具有高度Ay的 环形间隙16彼此分离，则该边朝向由通过该能量辐射的空间限制的那个位移产生的区域的 外部形成。
[0031] 总体上，在一个方面，本发明针对一种用于制备接触镜片的可再使用的模具，该模 具包括第一半模和第二半模，该第一半模具有与一种镜片形成组合物接触的第一模具表 面，该第二半模具有与该镜片形成组合物接触的第二模具表面，其中该第一半模和该第二 半模被配置为相互接纳，这样使得在该第一模具表面与该第二模具表面之间形成一个型 腔，其中该型腔限定有待模制的接触镜片的形状，其中该镜片形成组合物是通过UV辐射可 聚合的和/或可交联的，其中这些半模中的至少一个是由一种具有小于345的努普硬度(HK) 的氧化物玻璃制成的。
[0032] 精密光学玻璃零件是或者通过研磨和抛光、或压制模制工艺制造的。由于由在切 削过程中产生的热引起的金刚石刀具的显著磨损，不能单点金刚石车削玻璃来形成光学品 质的表面。多年来，在机械加工玻璃上做出了来自学术和工业两者的许多研究工作，但是未 能确定可以被成功地机械加工以形成光学特性表面的或者一族玻璃或有前途的技术。 [00 33]对于接触镜片制造，爱尔康公司(Alcon)的Lightstream?使用可再使用的模具，该 可再使用的模具由石英凸底曲面和一个玻璃凹前曲面组成。该前曲面模具确定镜片焦度， 并且是由高精度压制且抛光的玻璃制成的。用于新设计的玻璃前曲面模具的制造时间是四 个月。如此长的研制周期导致用于原型制作模具的冗长的开发周期和长的研制周期。其结 果是，Lightstream?原型模具是用替代的非玻璃材料生产的以确保开发速度。它们或者是 可机械加工的结晶材料如CaF 2,或塑料如CR-39和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。这些材料与不 同于玻璃模具的接触镜片配制品相互作用，并且在按比例增加过程中将工艺和设计的风险 引入至制造中。此外，这些原型模具材料比玻璃更不耐久且更容易损坏。这些原型模具材料 的使用在现今镜片原型制作中产生许多的困难，并且这些问题中的一些是：
[0034] 1)对于塑料，由于在该材料与组件之间的材料特性的不匹配，模具尺寸随时间的 推移改变。
[0035] 2)CaF2易于热冲击并且可以被容易地划伤。
[0036] 本发明部分地基于用于光学制造工业的可机械加工的玻璃的发现:该玻璃能够迅 速生产用于在Lightstream?平台上原型制作的可再使用的接触镜片模具。可机械加工的玻 璃可以使模具生产时间从四个月减少至1个星期，同时使成本降低超过50%。本发明还部分 地基于以下发现:一种氧化物玻璃具有小于350的努普硬度(HK)用单点金刚石车削工艺形 成光学品质的表面。在本发明中，可以用一种单点金刚石车削工艺形成光学品质表面的氧 化物玻璃被定义为可机械加工的光学玻璃。可机械加工的光学玻璃的发现是一种出乎意料 的结果，因为多年来许多学术和工业研究组已经尝试创造一种光学光滑的可机械加工的玻 璃但是已经失败。例如，书籍"光学玻璃的特性(The Properties of Optical Glass)"清楚 地陈述了"金刚石车削玻璃作为一种生产工艺的技术和商业实现是非常不可能的（the technical and commercial realization of diamond turning of glass as a production process is very unlikely)'，（由Hans Bach和Norbert Neuroth编辑的，第7 章248页，第二次修正印刷，桕林海德尔堡的施普林格出版公司（Springer-Verlag Berlin Heidelberg))〇
[0037] 本发明发现一族可机械加工的氧化物玻璃并且这些可机械加工的氧化物玻璃中 的一些被作为用于Lightstream?平台的前曲面模具进行原型制作和测试。更重要地，这些 可机械加工的玻璃具有允许从原型制作无缝过渡到生产的潜能，因为这些玻璃还能够用于 通过压制模制制造可再使用的模具。因此，单点金刚石车削是用于镜片原型制作的优选的 模具制造技术以便加速镜片开发，并且压制模制是用于生产模具以便降低成本。本发明进 一步部分地基于以下发现:一种用负前角或中性前角单点金刚石车削具有小于350的努普 硬度(HK)的氧化物玻璃的方法以便获得一种具有光学特性表面的光学零件。
[0038] "光学品质表面"指的是一种具有小于30nm、优选地小于20nm、最优选小于10nm的 表面粗糙度(Ra)的玻璃模具表面。
[0039] "氧化物玻璃"指的是包括选自下组的氧化物的玻璃，该组由以下各项组成:氧化 铝、三氧化二铺、三氧化二砷、氧化钡、氧化祕（ΠI )、三氧化硼、氧化妈、氧化铺（III )、氧化 络(ΠI )、氧化IL、氧化锗、氧化铁(III )、氧化镧、氧化铅(II )、氧化锂、氧化镁、五氧化二银、 五氧化二磷、氧化钾、二氧化娃、氧化钠、氧化锁、二氧化硫、二氧化锡、二氧化钛、氧化锌、二 氧化错、氧化蹄、氧化纪以及其组合。
[0040] "石英"指的是在地球大陆地壳中在长石后的第二最丰富的矿物。它是由一种Si〇4 硅-氧四面体的连续构架构成的，其中每个氧在两个四面体之间共享，产生总的化学式 Si02〇
[0041] "氟"指的是具有符号F和原子序数9的化学元素。
[0042] "氟化物"指的是氟的化合物。
[0043] "磷"指的是具有符号P和原子序数15的一种非金属化学元素。
[0044] "氧化磷"指的是五氧化二磷（氧化磷（V)，磷酸酐）（P205)、三氧化二磷（氧化磷 (III)，亚磷酸酐）（P2〇3)和若干其他较不常见的磷的氧化物（包括P4〇7、P4〇8、P4〇9、P(^P P2〇6)。
[0045]金刚石车削是一种使用配备有天然或合成的金刚石镶刃刀具头的车床或衍生的 机械工具(例如，车铣床(turn-mill)、旋挖转机(rotary transfer))机械加工精密元件的 工艺。有时候应用术语单点金刚石车削（STOT)，但正如其他车削加工，"单点"称号有时候仅 仅是名义上的（辐射式刀尖和波状外形的成形刀具是选择项）。金刚石车削的工艺被广泛地 用于从晶体、金属、丙烯酸和其他材料来制造高品质的非球面光学元件。通过金刚石车削生 产的光学元件用于望远镜、视频投影仪、导弹制导系统、激光器、科学研究仪器、和多种其他 系统和装置中的光学组件中。现今大多数SPDT用计算机数控(CNC)机械工具完成。金刚石还 用于其他机械加工工艺，如铣削、研磨、和珩磨中。
[0046] 原则上任何材料都可以在金刚石车削机器上机械加工。然而，一些材料可以用单 点金刚石机械加工并且一些材料不能用单点金刚石机械加工。描述哪些材料可以"金刚石 车削"的理论考虑该金属的电子结构并且是复杂的。然而根据经验，可以切削最常用的非铁 金属、所有塑料、和一些结晶材料像硅和锗。然而，如以上讨论的，不能金刚石车削一种无定 形的(非结晶的）固体材料玻璃。
[0047] 本发明针对一种用于制备接触镜片的可再使用的模具，该模具包括第一半模和第 二半模，该第一半模具有与一种镜片形成组合物接触的第一模具表面，该第二半模具有与 该镜片形成组合物接触的第二模具表面，其中该第一半模和该第二半模被配置为相互接 纳，这样使得在该第一模具表面与该第二模具表面之间形成一个型腔，其中该型腔限定有 待模制的接触镜片的形状，其中该镜片形成组合物是通过光化辐射可聚合的和/或可交联 的，其中这些半模中的至少一个是由一种具有小于350的努普硬度(HK)的氧化物玻璃制成 的。
[0048] 根据本发明，一种镜片形成材料指的是可以通过光化辐射聚合和/或交联以形成 接触镜片的任何材料。一组优选的镜片形成材料是水溶性和/或可熔化的预聚物。将有利的 是镜片形成材料主要包含一种或多种优选地呈基本纯形式的预聚物(例如，通过超滤纯化 的）。例如，预官能化的PVA(聚乙烯醇)聚合物可以是一种镜片形成材料。一组更优选的镜片 形成材料是含硅酮的水凝胶。总体上，含硅酮的水凝胶包括至少一种选自下组的组分，该组 由以下各种组成:含硅酮的乙烯基单体、含硅酮的乙烯基大分子单体、含硅酮的预聚物、亲 水性乙烯基单体、疏水性乙烯基单体、交联剂、自由基引发剂(光引发剂或热引发剂）、亲水 性乙烯基大分子单体/预聚物、以及其组合，如本领域技术人员熟知的。
[0049]根据本发明，努普硬度是根据国际标准ISO 9385:1990(E) "玻璃和玻璃陶瓷:努普 硬度测试(Glass and glass-ceramics :Knoop hardness test)" 测量的，努普硬度用于表 征光学玻璃的表面抗渗透的硬度。对于此测量，将具有顶角172° 30 '和130° 00 '并且具有一 个菱形底座的锥形金刚石硬度计压头施加至抛光的样品表面上。施加最高达0.9807N的压 痕载荷持续20秒。然后测量所产生压痕的尺寸。
[0050]可以用以下等式计算努普硬度：
[0051 ]努普硬度 Hk = l，451F/p
[0052]其中F(N)表示所施加的载荷并且l(mm)是所产生的压痕的较长斜线的长度。根据 国际标准ISO 9385:1990(E)，努普硬度(HK)没有单位。例如，490HK 0.1/20是指由施加的 0 · 9807N测试力产生的努普硬度值490HK。施加该测试力持续20秒。
[0053]根据本发明，可以考虑用于铸造模具的任何氧化物玻璃是多种氧化物玻璃，然而 关于它们的努普硬度(HK硬度)必须是低于350的值、优选地小于340并且更优选地小于320。 [0054]根据本发明，一组优选的氧化物玻璃包括从1%至60%、优选从10%至40%的氧化 磷并且基本上没有氧化硅，并且该氧化物玻璃进一步包括选自下组的氧化物玻璃，该组由 以下各项组成:氧化钾、氧化镁、氧化妈、氧化锁、氧化钡、氧化钛、氧化锌、氧化铝以及其组 合。根据本发明，基本上没有氧化硅指的是小于1%、优选地小于0.8%、更优选地小于0.5% 的氧化硅。该氧化物玻璃可还进一步包含氟和/或氟化物。一组优选的具有低于350的值的 努普硬度(HK硬度）的氧化物玻璃是可商购的，例如S-FPL51、S-FPL53 (从大原公司（Ohara) 可获得的），N-FK51A、N-PK53 (从肖特公司（Scho11)可获得的）以及FCD1、FCD100 (从霍亚公 司(Hoya)可获得的）。
[0055] 可以考虑用于生产玻璃模具的方法可以是多种技术，例如精密玻璃模制和单点金 刚石车削。
[0056] 精密玻璃模制是一种重复工艺，该重复工艺允许从玻璃使用或不使用研磨和抛光 生产高精度光学组件。该工艺还被称为超精密玻璃压制。它用于制造用于消费产品如数码 相机和高端产品像医疗系统的精密玻璃镜片。优于机械镜片生产的主要优点是复杂的镜片 几何结构如非球面可以被有成本效益地生产。
[0057]该精密玻璃模制工艺由以下六个步骤组成：
[0058] 1.将玻璃毛坯装载至模制工具的下侧内。
[0059] 2.通过用氮气填充和/或抽空处理室从该工作区域中去除氧气。
[0060] 3.该工具系统几乎闭合（不与上模具接触）并且加热模具、模口和玻璃的整个系 统。在大多数系统中红外灯用于加热。
[0061] 4.在达到工作温度之后，该工作温度是在该玻璃的转变温度与软化点之间，这些 模具进一步闭合并且以一种行进控制工艺开始压制该玻璃。
[0062] 5.当已经实现了该零件的最终厚度时，该压制切换至一种力控制工艺。
[0063] 6.在已经完成了模制之后，将该玻璃冷却并且用氮气填充该工作环境。当该镜片 已经冷却至它可以被处理的程度时，将其从该工具中取出。
[0064]精密玻璃模制工艺是经济的，当要求大量生产时。但是当生产要求小时，该模制工 艺不是经济的。当目的是由一种无机无定形玻璃以高尺寸精确度和小数目生产镜片时，施 用机械加工工艺作为最终操作。在这种情况下，预期金刚石车削对于从无机无定形玻璃使 用单点金刚石车削机器来生产光学零件是经济上可行的。
[0065]在金刚石车削中，所产生的既定形状和表面取决于机械工具精确度和其他机械加 工参数。主要的机械加工参数是工具进给速度、主轴转速和切削深度。该工具进给速度通常 以或者由该工具每单位时间行进的距离(mm/min)或每单位旋转行进的距离(mm/转)措辞表 示。最常见的是看每转的距离，因为它直接与预期的理论表面光洁度有关。前角是用于各种 切削和匹配工艺中的一种参数，描述了切削面相对于工件的角度。存在两种前角，即后前角 和侧前角，两者都有助于引导切肩流。存在三种类型的前角：正角、负角、和中性角（即，零 角）。如果刀片的前缘在垂线之前，则根据定义该角度是负的。当该刀片在该垂线后面，则前 角是正的。总体上，正的前角:a)使工具更锋利且锐利。这降低了该工具的强度，因为在尖端 中小的夹角可引起它凿下碎片，b)降低切削力和功率要求，c)帮助在延性材料中连续切肩 的形成，并且d)可以帮助避免切肩瘤的形成。相比之下，负的前角:a)使该工具更钝，增加了 切削刃的强度，b)增加切削力，c)可以增加摩擦，导致更高的温度，d)可以改进表面光洁度。 零前角最容易制造，但是当与正前角相比时具有更大的月牙洼磨损(crater wear)，因为切 肩滑过前面。
[0066] 如果刀片的前缘在垂线之前，则根据定义该角度是负的。
[0067] 在另一个方面，本发明涉及一种用于制备光学零件的方法，该方法包括以下步骤：
[0068] (a)选择一种具有小于350的努普硬度(HK)的氧化物玻璃材料，
[0069] (b)用中性前角或负前角单点金刚石车削该无机无定形玻璃以获得一种具有光学 品质表面的光学零件。
[0070] 根据本发明，光学零件不仅仅指的是可再使用的模具，而且指的是用于光学工业， 特别是眼科领域，成像光学，电讯领域，以及用于在电信、传感器、和计算机技术中使用纤维 光学的集成光学的广泛应用。此外，用于UV或IR传输的其他应用领域，以及辐射屏蔽应用 (窗口），以及用于眼睛保护的玻璃，像在焊接保护和滤光片的情况下。
[0071] 根据本发明，对于用中性前角或负前角SPDT氧化物玻璃以获得光学表面的前角， 优选的范围是从0°至-25°。例如，对于SPDT氧化物玻璃FCD100和S-FPL53玻璃，该前角被设 定在0°。对于3?01'氧化物玻璃1^-88!11、^?1(514小〇)1、？-?1(53，该前角被设定在-25°。
[0072]经常缩短为粗糙度的表面粗糙度是表面纹理的一种量度。通过实际表面与其理想 形式的垂线偏差量化表面粗糙度。如果这些偏差是大的，则该表面是粗糙的；如果它们是小 的则该表面是平滑的。粗糙度典型地被认为是所测量表面的高频、短波长成分。在使用中存 在很多不同的粗糙度参数，但是到目前为止R a是最常用的。振幅参数基于粗糙度轮廓与平 均线的垂线偏差表征表面。它们中的很多与用于表征群体样品的统计学中发现的参数紧密 相关。例如，R a是绝对值的算术平均值并且Rt是所收集的粗糙度数据点的范围。Ra是指当在 平均线方向上从粗糙度曲线仅取样参考长度、以此取样的部分的平均线方向为X轴并且以 纵向放大的方向为Y轴并且该粗糙度曲线由y = f(x)表示时，通过以下公式获得的并且以微 米(μπ〇表示的值：
[0074] 在ISO 25178系列中定义面积粗糙度参数。所产生的值是Sa、Sq、SZ。目前，很多光 学测量仪器能够测量在一个区域范围内的表面粗糙度。根据本发明，该表面粗糙度指的是 Ra表面粗糙度。
[0075] 以下是在本发明中用于利用单点金刚石车削技术生产玻璃上的光学表面的车床 设置和工艺的说明。
[0076] ?利用轮廓（Contour)天然金刚石刀具插入件在一个由普瑞思泰克有限公司 (Precitech Inc)制造的Optoform 80超精密车床上进行切削。
[0077] ?主轴转速是在该机器上以RPM计设定的速度，该机器使正在用车床加工的或切 削的基板旋转。用于金刚石车削玻璃的加工速度范围将是以顺时针旋转计的4500-5500RPM 之间。
[0078] ?粗切削深度是在该切削顺序的第一部分中去除的材料的量。在此零件大体形状 在该材料上形成。该深度是在该机器上设定的并且总体上对于光学工具加工，它将以微米 范围（.000_)设定。对于金刚石车削玻璃，用于该粗切削的范围应该不超过.035_。
[0079] ?最后切削深度是将产生一种平滑高度光泽的光学表面所去除的材料的量。该深 度是在该机器上设定的并且通常将不超过.010mm。用于金刚石车削玻璃的最后切削深度 是.002mm或更小。
[0080] ?粗切削进给速度是该金刚石刀具行进跨过正在用车床加工的零件的表面的速 度。用于此切削的速度通常更快并且是在该机器上设定的。当车削玻璃时用于此参数的设 定将是15mm/min 〇
[0081] ?最后切削进给速度是在该工艺的最终步骤或切削过程中该金刚石刀具行进跨 过正在用车床加工的零件的表面的速度。用于此切削的速度比该粗切削低很多。减缓该速 度产生被定义为一种光学表面的高品质表面。对于车削玻璃，这个速度范围将是从6.5mm/ mi η或更慢。
[0082] ?切削液或冷却剂是一种施用至被机械加工的零件的表面上的流体的稳定薄雾。 这种流体保持该表面是冷的防止摩擦，该摩擦将导致差的表面品质。另外，这种薄雾流帮助 去除在该金刚石刀具的切削点处积累的切削碎片。对于切削玻璃，我们使用由哈伯德霍尔 公司（Hubbard Hall Corporation)制造的无臭的矿油精。
[0083]除了金刚石前角之外，如下提供了其他SPDT条件，这些条件是机器设计参数并且 不是可改变的：
[0084]主轴转速-2000RPM [0085] 粗切削进给速度-20mm/min
[0086]粗切削深度-.000800mm [0087] 最后切削进给速度_15mm/min
[0088] 最后切削深度-.00050mm
[0089] 计量:标称半径-8.803
[0090] 凹陷-4.693
[0091] 模具半径是制备一个凹的或凸的模具表面的曲面的限定的测量。这种测量对于光 学设计是唯一的以递送接触镜片性能要求。该测量利用Fisba Optik FS10M干涉仪。
[0092] 模具凹陷是在Z轴上从一个预定点至一个凸或凹表面的顶点进行的测量。此测量 由设计限定并且在确定镜片边缘和中心厚度上是关键的。使用Nikon VMR-3020测量模具凹 陷或对齐距离(justify distance)。
[0093] 关于一种光学品质表面，除了表面平滑之外，凹坑是主要的问题，凹坑是一种在金 刚石车削的模具的表面上形成的类月牙洼缺陷。当用车床加工一种材料如玻璃时凹坑通常 发生，其中所去除的材料产生经常被称为削肩的切肩而不是以一种线状模式脱落。由于玻 璃的硬度，玻璃将更多的应力施加在金刚石切削半径上，这降低了其锋利性。这进而将引起 材料裂开或拉脱而不是切削，在大多数情况下这导致表面凹坑而且产生被定义为车床加工 烧伤的浑浊度。
[0094]使用Leica S6E显微镜进行表面品质的标准视觉检查以鉴定随机表面缺陷（包括 凹坑、车床加工烧伤、或划伤）。
[0095]还使用VEEC0 NT 9100白光干涉仪测量表面品质，该干涉仪在模具中心处进行多 次高放大率的表面扫描以确定表面粗糙度。使用纳米标度显示此测量值。根据以上本发明， 在利用单点金刚石车削技术的可使用的玻璃模具上的光学表面具有小于30nm、优选地小于 20nm并且更优选地小于10nm的表面粗糙度(Ra)。即使使用SPDT实现了小于10nm的高表面光 洁度，但是要求一种轻美容性抛光或磨光以实现最佳的表面光洁度。这种工艺由使用匹配 的半径抛光盘和抛光布组成。当使用变速旋转轴抛光系统旋转零件时将一种金刚石研磨膏 抛光化合物施加至抛光工具上将去除模具的SPDT特征，包括车床线和小的表面缺陷。表面 抛光去除水平是通过使用施加至靠着模具表面的抛光工具上的重量持续确定的时间来确 定的。
[0096]根据本发明，可以考虑用于铸造模具的材料是多种氧化物玻璃，然而关于它们的 努普硬度(HK硬度)必须是低于350的值。
[0097]表1列出了不同玻璃的KH硬度以及该玻璃是否可以被SPDT，其中这些数据值是从 来自供应商：肖特公司（Schott )、霍亚公司（Hoya)和大原公司（Ohara)的材料安全数据表 (MSDS)获得的。
[0098] 表1:
[0099]
[0100] 表2A(以下最接近的）列出了不同玻璃的组成(化学式），其中这些数据值是从来自 供应商:大原公司(Ohara)的材料安全数据表(MSDS)获得的。
[0101]
[0102]
[0103]表2B(以下）列出了不同玻璃的组成(化学式），其中这些数据值是从来自供应商： 肖特公司（Schott)和霍亚公司(Hoya)的材料安全数据表(MSDS)获得的。
[0104]
[0105] 表1示出了用于^卩1(51厶、？-1(53(来自肖特公司（5(^〇?))，卩〇01、卩0)100和1^〇3~ (来自霍亚公司（Hoya))和S-FPL53(来自大原公司（Ohara))的努普硬度(KH硬度)低于350。 已经示出的是可以使用SPDT机械加工以上氧化物玻璃以产生光学特性表面。另外，不能使 用SPDT机械加工具有高于350的努普硬度(KH硬度）的那些氧化物玻璃来产生光学特性表 面。
[0106] 根据本发明的另一个概念，有利的是选择一种包含氟和/或氟化物化合物的氧化 物玻璃。还有利的是选择一种包含氧化磷的氧化物玻璃。包含氟、氟化物、氧化磷以及其组 合的那些氧化物玻璃可以使用SPDT机械加工以产生光学品质表面。
【主权项】
1. 一种用于制备接触镜片的可再使用的模具，该模具包括第一半模和第二半模，该第 一半模具有与一种镜片形成组合物接触的第一模具表面，该第二半模具有与该镜片形成组 合物接触的第二模具表面，其中该第一半模和该第二半模被配置为相互接纳，这样使得在 该第一模具表面与该第二模具表面之间形成一个型腔，其中该型腔限定有待模制的接触镜 片的形状，其中该镜片形成组合物是通过光化辐射可聚合的和/或可交联的，其中这些半模 中的至少一个是由一种具有小于350的努普硬度(HK)的氧化物玻璃制成的。2. 如权利要求1所述的可再使用的模具，其中该努普硬度小于340。3. 如权利要求2所述的可再使用的模具，其中该努普硬度小于320。4. 如权利要求1至3中任一项所述的可再使用的模具，其中该可再使用的模具具有小于 30nm的表面粗糙度(Ra)〇5. 如权利要求1至4中任一项所述的可再使用的模具，其中该可再使用的模具具有小于 l〇nm的表面粗糙度(Ra) 〇6. 如权利要求1至5中任一项所述的可再使用的模具，其中该氧化物玻璃基本上不含氧 化娃。7. 如权利要求1至6中任一项所述的可再使用的模具，其中该氧化物玻璃包含1 %至 60%的氧化磷。8. 如权利要求1至7中任一项所述的可再使用的模具，其中该氧化物玻璃进一步包含 20%至30%的氟。9. 一种用于制备如权利要求1至8中任一项所述的用于制备接触镜片的可再使用的模 具的方法，该方法包括以下步骤： (a) 选择一种具有小于350的努普硬度的氧化物玻璃材料， (b) 用中性前角或负前角单点金刚石车削该氧化物玻璃以获得一种具有光学品质表面 的光学零件。10. 如权利要求9所述的方法，其中该努普硬度小于340。11. 如权利要求10所述的方法，其中该努普硬度小于320。12. 如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中该前角是从0°至-25°。13. 如权利要求9至12中任一项所述的方法，其中该光学零件具有小于30nm的表面粗糙 度(Ra)〇14. 如权利要求9至13中任一项所述的方法，其中该光学零件具有小于20nm的表面粗糙 度(Ra)〇15. 如权利要求9至14中任一项所述的方法，其中该光学零件具有小于10nm的表面粗糙 度(Ra)〇
【文档编号】B29D11/00GK105829082SQ201480068485
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月18日
【发明人】A·W·刘, G·L·赫伦
【申请人】诺华股份有限公司