CN100348523C

CN100348523C - 玻璃光学元件的制造方法

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Publication number: CN100348523C
Application number: CNB2005100075032A
Authority: CN
Inventors: 广田慎一郎; 坂井裕之; 近江成明
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP2005239432A; JP4223967B2; CN1654382A; US20050183457A1

Abstract

本发明公开了一种玻璃光学元件的制造方法，用成型模把加热软化的玻璃原料冲压成型；把所获得的玻璃成型品和成型模一起，在玻璃成型品的玻璃转变温度以下的温度进行冷却；包括把玻璃成型品从成型模中取出的玻璃光学元件制造方法。把取出的玻璃成型品，在(玻璃应变点-150℃)以上，不到应变点温度的范围内进行热处理获取玻璃光学元件的。这种制造方法能够制造出表面精度及折射率都更加精确的、在所希望范围内的玻璃光学元件，并能获得更高的生产效率。

Description

玻璃光学元件的制造方法

技术领域

本发明是关于利用金属成型模，把加热软化的玻璃原料冲压成型，制造玻璃光学元件的、利用铸型冲压法制造玻璃光学元件的制造方法。特别是关于制造能够进行微调整玻璃光学元件的折射率，使其具有所要求折射率的玻璃光学元件。

背景技术

利用成型面被精密加工的成型模具，把加热软化的玻璃原料冲压成型，不需经研磨工序制造摄影镜头等玻璃光学元件的方法(玻璃铸型冲压法)，作为能够廉价大量生产玻璃光学元件的方法而被一直使用着。这种方法为提高生产率，缩短周期时间(制造一个玻璃光学元件所需时间)，而尽量缩短冲压成型后的玻璃成型品的冷却时间。但是，由于冲压成型后的玻璃成型品的冷却条件不同，会出现玻璃成型品的折射率产生变化，得不到具有所希望折射率的玻璃光学元件的情况。

因此，我们知道把冲压成型冷却了的玻璃成型品进行退火处理，即，在退火点以下，应变点以上的温度中进行热处理，调整折射率使其获得具有所希望折射率的玻璃光学元件。另外，这里所说的退火点通常是指玻璃粘度为10¹³dPas时的温度点，应变点通常是指玻璃粘度为10^14.6dPas的温度点。

对此，在专利文献1(特许3196925号公报)中记载的，作为可省略上述退火工序的方法，用从已成型了的光学玻璃元件所要求的折射率的值中，减去冲压成型所产生的折射率变化部分值的玻璃原料进行成型。

另外，在专利文献2(特开平10-7423号公报)中记载的，把光学元件材料加热到可变形的温度使其软化，用对型模加压把模的表面形状复制到光学元件材料上后，使光学元件热变形使其起模的方法。这种方法公开了起模后，为消除光学元件内部变形及折射率分布，进行的退火处理。这种退火处理，是把成型的光学元件加热到退火点并保持一定时间，然后再慢慢冷却到应变点。这样，消除了光学元件的变形，折射率分布也消失了。

【专利文献1】特许3196952号公报

【专利文献2】特开平10-7423号公报

发明内容

如上所述，由于利用玻璃铸型冲压，生产出价格便宜光学性能良好的光学元件(例如玻璃透镜)，根据所获得的光学元件形状，使用实施精密加工的金属模的同时，加速冲压工序中的升温、降温工序，极力缩短生产周期的时间，力求连续生产。但是，用这样短的周期时间生产光学元件，并进行快速冷却处理，就会产生下面的问题。

作为成型原料使用的玻璃折射率(例如nd)，从玻璃处于粘性流动状态的温度，到固化成光学元件状态的工序中，随着受热过程进行变化。因此，为稳定地连续地获得具有所希望折射率的光学元件，必须严格进行冲压后的冷却工序管理。但是，由于缩短了周期时间，冷却速度提高时，有时会出现比所要求的折射率范围低，不能以更精确的再现性控制冷却速度的情况。其结果，所获得的光学元件未必能达到规定允许范围内的折射率。

在专利文献1中记载有，不需要调整退火折射率的方法。由于不需要退火，考虑到因冷却而产生的折射率变化部分这一因素，就必须调制具有这一因素的折射率的玻璃原料。然而，因其周期时间的缩短，使冲压后的冷却速度产生变化，于是，所获得的透镜的折射率就发生了变化。因此，为了在冷却速度变化后也能获得所希望折射率的透镜，必须再一次修改玻璃原料的组成，以便获得具有所希望折射率的透镜。这是非常繁杂的。

在专利文献2记载的方法中，利用退火点和应变点之间的温度进行的退火处理，消除因再加热而产生的变形及折射率分布。然而，由于缩短周期时间，成型工序后快速进行冷却时，增大了残留在光学元件内部的应力。当把此光学元件加以上述退火处理时，应力得以缓和，其结果更糟，新产生出象散、曲率不规则，造成表面精度的恶化。即，在成型工序后急速进行冷却处理的光学元件上，用以往进行的在退火点和应变点之间的温度，实施退火处理时，反而表面精度恶化，得不到所希望的玻璃光学元件。

本发明的目的是解决用玻璃铸型冲压法出现的上述问题。即，本发明的目的是提供一种玻璃光学元件的制造方法，这种方法能够获得表面精度更高及折射率更精确的所希望的玻璃光学元件，并能提高生产率。

如以下所述来解决本发明上述的课题：

(1)本发明的制造方法有如下特征：

用成型模把加热软化的玻璃原料冲压成型；

把所获得的玻璃成型品和成型模一起，在玻璃成型品的玻璃转变温度以下的温度进行冷却；

把玻璃成型品从成型模中取出；

把取出的玻璃成型品，在玻璃应变点-150℃以上，不到应变点温度的范围内进行热处理获得玻璃光学元件。

(2)根据上述(1)的制造方法，上述冷却是在，上述玻璃成型品的折射率超过玻璃光学元件希望折射率的允许范围的情况下进行的。

(3)根据上述(1)或(2)的制造方法，上述冷却是在，达到玻璃转变温度的平均冷却速度至少在100～300℃/分的范围。

(4)根据(1)所述的制造方法，上述热处理是在，使其玻璃成型品的折射率变化，而获得具有希望折射率的玻璃光学元件的。

(5)根据(1)所述的制造方法，上述热处理的温度是，根据上述玻璃成型品的折射率和玻璃光学元件希望折射率决定的。

(6)根据(1)所述的制造方法，使用成型模的上述玻璃原料的冲压成型，是在相当于玻璃原料的粘度为10⁷～10¹⁰泊时的温度下加热的成型模上，用比加热成型模的温度还高的温度，即相当于10⁶～10⁸泊时的温度，供给加热的玻璃原料，直接冲压成型的。

本发明的优点是：能够制造出不但精确控制玻璃光学元件应具有的极为重要性质的折射率，还可防止表面精度恶化的玻璃光学元件。本发明还恰当地运用热处理，可极大地缩短成型周期时间，提高生产率。

通常，开始制造玻璃光学元件时所采取的步骤是，首先，开发用于精密铸型冲压的玻璃原料的组成，然后，选择用此玻璃原料能最大提高生产效率的冲压程序。并且，在决定冲压程序的过程中，当运用极其短的周期时间(即，更快的淬火速度)时，易降低玻璃成型品的折射率。即使在这种情况下，应用本发明的制造方法，由于折射率的低下得以抵补，没有必要新开发玻璃原料的组成，就可以快速地生产具有所希望光学性能的光学元件。

附图说明

图1为表示本实施例所用的成型模的概略图。

图2为表示玻璃光学元件折射率和曲率的评价结果。

图3为表示玻璃光学元件折射率和曲率的评价结果。

图4为表示从玻璃光学元件所希望折射率值得到的折射率差(Δnd)和热处理温度之间的关系。

具体实施方式

本发明的玻璃光学元件的制造方法有如下特征：(1)用成型模把加热软化的玻璃原料冲压成型；(2)把所获得的玻璃成型品和成型模一起，进行冷却至玻璃成型品的玻璃转变温度以下；(3)包括把玻璃成型品从成型模中取出。并且，本发明的制造方法，是在把取出的玻璃成型品，在(玻璃应变点-150℃)以上，不到应变点温度的范围内进行加热处理(以下也称热处理)获取玻璃光学元件的。

发明人发现了把冲压成型后被冷却的玻璃成型品，特别是淬火后的玻璃成型品，保持在(玻璃应变点-150℃)以上，不到应变点温度中进行热处理，可以调整折射率。应变点为，相当于粘度为4×10¹⁴dPa·s的温度。在一般情况下，由于不到应变点的温度玻璃不会产生粘性流动，所以，无论怎样快速冷却都不会产生新的变形，并且无论保持多么长时间也都不能去除变形(参照玻璃工学手册)。因此，可以认为在不到此应变点的温度下，实际上不会引起折射率的变动。

但是，正如后面所述的实施例中所示那样，发明者们找到了即使在不到应变点的温度进行热处理，也能够通过热处理改变折射率，把玻璃成型品的折射率调整到所希望的折射率范围内。并且，发明者们还发现了利用这种热处理，不只能够调整折射率，还可以防止表面精度的恶化。

通常，在冲压成型后的退火工序中，容易产生象散、曲率不规则。这是由于因退火，在有可能粘性流动的玻璃内部，应力得以缓和，同时产生变形的原故。即，可以认为由于变形，至少光学元件的某一被复制面的曲率半径，会局部增大或变小，这时，对于光轴若产生对称，就会形成曲率不规则，若产生非对称，就会产生象散。在淬火的光学元件中，特别容易引起这种因象散、曲率不规则的表面精度恶化。因此，由于缩短了成型周期时间，使冷却速度加快，冲压后一退火，就会出现得不到所要求表面精度的问题。

然而，在本发明的热处理中，曲率的变化微乎其微，不会出现象散、曲率不规则的光学性能恶化问题。冲压成型后被淬火的光学元件，在实施应变点以上的热处理时，产生象散、曲率不规则，表面精度严重恶化。然而，利用本发明的热处理，即使是淬火了的玻璃成型品，也能维持表面精度，使折射率达到所希望的值。

实施本发明的热处理，可以使折射率变化到所希望的范围，玻璃成型品的冷却可以是，例如，没有经过热处理的玻璃光学元件的折射率，超过玻璃光学元件所希望折射率的允许范围的冷却。这样的冷却，例如，冲压成型后，从成型温度至少到Tg温度以下进行淬火。所谓淬火，具体说就是从冲压成型温度到玻璃转变温度的平均冷却速度为100℃/分以上的冷却。这种平均冷却速度更具体的说，就是在100～300℃/分的范围。但是，即使在此范围以外，对于实施了超过玻璃光学元件所希望折射率允许范围进行冷却的玻璃成型品，本发明的热处理当然也有效。并且，对于平均冷却速度为200℃/分以上的冷却速度进行冷却的玻璃成型品，本发明的热处理更有效。

本发明对冷却后玻璃成型品的热处理，是在(玻璃应变点-150℃)以上，不到应变点温度中进行的，但热处理的温度优选(玻璃应变点-100℃)以上，不到应变点温度，更优选(应变点-80℃)以上，不到应变点温度的。

本发明所进行的热处理，是使玻璃成型品的折射率变化，而获得具有所希望折射率的玻璃光学元件的。但是，热处理的温度要在上述范围内进行适宜地选择，才能使经热处理获得的玻璃光学元件具有所希望折射率。更具体地说，热处理的温度，例如，对于某玻璃成分的玻璃成型品，要在上述热处理温度范围内，通过事先实验求出热处理温度和折射率的变化关系，再根据求出的结果和玻璃光学元件所希望的折射率确定。

本发明的热处理温度可以根据变化折射率的量，即折射率的调整幅度确定。例如，对于在冷却工序中的冷却速度快的条件下成型的玻璃成型品，可以把本发明的热处理温度调高，使折射率值大幅度变化，另外，对于折射率调整幅度小的玻璃成型品，可以把本发明的热处理温度相对调低，使折射率变化小。这是由于，在本发明的热处理开始时，冷却速度快的条件下，比在冷却速度慢的条件下的折射率低，有必要调高温度使其变化到希望范围的折射率。

本发明的热处理，在上述确定的规定温度中，把上述玻璃成型品保持一定时间。温度的保持，例如，从更精确地控制折射率，再现性良好方面来看，优选在设定温度±10℃范围内进行的。温度的保持，更优选在设定温度±5℃范围内进行的比较合适。

热处理时间(玻璃成型品的保持时间)，最好要有充分的时间使玻璃成型品的折射率变化成所希望的折射率，从这一点出发进行适宜地确定。例如，通常为0.5小时～15小时的范围，但并不限定此范围。保持时间过短，玻璃成型品的均热不充分，保持时间过长，满足了均热的效果，但生产效率得不到提高，同时还会造成玻璃表面的热烧伤(一种因和气体介质的化学变化及玻璃成分的挥发而引起的表面变质)。热处理时间优选0.5～10小时，更优选1～5小时，最优选1～3小时。

本发明的制造方法，目的是提供必须进行高精度光学常数管理的光学元件，例如在150×10^-5以下的范围调整玻璃光学元件的折射率，是非常合适的。

本发明利用热处理使其变化的光学元件折射率的范围为，优选20×10^-5～150×10^-5，更优选40×10^-5～100×10^-5。

本发明的热处理也可以对在成型模内的玻璃成型品进行热处理，但从提高成型模的利用率(周期时间)，提高生产性的观点来看，最好从成型模取出多个玻璃成型品，一起进行热处理。从成型模取出的玻璃成型品，可以放在例如金属或陶瓷等耐热性好的平板上，进行上述的热处理。

另外，热处理后，例如，可以用30～300℃/hr的平均冷却速度，至少达到(应变点-170℃)以下进行冷却。这是因为不到(应变点-170℃)对折射率的影响几乎可以忽略不计。冷却速度在30℃/hr以上具有良好的生产效率。冷却速度在300℃/hr以下，可对多个透镜进行均衡冷却，并可提高再现性，易于工程管理。热处理后的冷却优选平均冷却速度为100～200℃/hr的。

本发明的制造方法如上所述，(1)用成型模把加热软化的玻璃原料冲压成型；(2)把所获得的玻璃成型品和成型模一起，在玻璃成型品的玻璃转变温度以下的温度进行冷却；(3)包括把玻璃成型品从成型模中取出。冲压成型及冷却、进而取出冲压成型品，基本上可以适当利用在制造普通玻璃光学元件中所采用的方法。但，如上所述，冲压成型后的玻璃成型品的冷却，特别适合采用较快条件的方法。

在本发明的制造方法中所用的玻璃原料(预成型玻璃)，要根据求出的所要获得光学元件的光学常数，决定其组成。即，可根据冲压成型和其下道冷却工序给与玻璃的热过程，决定玻璃组成，以达到某给定范围的折射率。但是，对于确定的具有这样玻璃组成的玻璃原料，为了用更短的周期时间而加快冷却速度时，会出现折射率降低的情况。

在这种情况下，利用再次调整玻璃原料的组成，获得具有所希望折射率的光学元件是可能的。然而，这显然是烦杂的，生产效率不够理想。

例如，玻璃原料的冲压成型，用平均冷却速度v1冷却到转变点以下时，当获得了所希望的折射率，即折射率nd1的光学元件时，将会出现平均冷却速度v2(v1＜v2)因淬火而减少了折射率。即使在这种情况下，本发明也没有必要开发新的组成，用本发明的热处理就可调整所希望的折射率。

本发明的方法是利用成型模把加热软化的玻璃原料冲压成型的。具体说，玻璃原料的冲压成型，是把成型模加热到规定温度，把加热软化的玻璃原料在成型模内冲压。特别是，本发明把加热到规定温度范围的玻璃原料，提供给加热到规定温度范围的成型模中，有效地应用于进行冲压成型的冲压工序。比较理想的是，把玻璃原料加热到比成型模的加热温度更高，在这种状态下提供给成型模，立即进行冲压成型。

例如，把成型模加热到相当于玻璃原料粘度10⁷～10¹⁰泊的温度，另一方面，把玻璃原料的温度加热到比成型模还高的温度，即相当于10⁶～10⁸泊的温度后提供给成型模。供给后立即抬高上下模的下模，或下降上模进行冲压成型。

接着，把获得的玻璃成型品和成型模一起，冷却到玻璃成型品的玻璃转变温度以下。冷却从冲压开始时或开始后开始，进行到Tg附近。即在冲压成型开始的同时，或冲压成型中，或冲压成型刚一结束就立即进行冷却。

另外，冷却优选用，从成型温度至玻璃成型品及成型模到达Tg，平均冷却速度为100～300℃/分的淬火，更优选200～250℃/分的淬火。当成型开始时的成型模和玻璃原料的温度不同时，例如，可把成型模温度作为成型温度进行推算。作为淬火的方法可用，把非活性气体喷射到成型模外面，或让其在成型模内部流通等方法。

采用这样的方法时，当连续进行冲压成型之际，由于可大量缩短玻璃在模中的时间，因此可缩短成型周期时间极大地提高生产效率。

冷却后，把玻璃成型品从成型模中取出(起模)，获得玻璃光学元件，但本发明对于冷却后的玻璃成型品还要实施上述的热处理。进而，对冲压成型、冷却后的玻璃成型品，可以多个一起实施本发明的热处理。

另外，本发明也适用于，在把玻璃原料放置在成型模中的状态下，把玻璃原料和成型模一起加热，达到规定温度时进行冲压成型的冲压方法。例如，成型模分上模、下模及主体，把玻璃原料放入合模前的成型模中，上模、下模及主体合模后，共同加热玻璃原料和成型模，加热到适合于冲压成型的温度。这时，模和玻璃原料基本是等温，这时的温度可相当于玻璃原料的粘度，即10^7.5～10⁹泊的温度。开始冷却的时间，可在冲压成型开始的同时、或冲压成型中或冲压成型后，在玻璃温度达到Tg左右后，起模，实施上述的热处理。

利用本发明成型的光学元件的种类没有限制。例如，也适用于透镜、梭镜、反射镜、光栅、微型透镜、层叠型衍射光栅等。特别对至少有一个非球面体的光学透镜非常有效。

特别是对于通过退火易产生形状变化的凹透镜、双凹透镜、凸透镜效果更加显著，进而对其中心和周围厚度相差大的双凸透镜也有效果。

另外，在温度变化方面，粘度变化大的光学玻璃(所谓粘性差的光学玻璃)，即，残留应力易变大的光学玻璃，本发明也有效果。例如，用于硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃是有效的。

对于光学玻璃的用途没有特别的限制，可用于照相机(包括摄像机、数字照相机、安装在移动终端内部的照相机等)的摄影镜头、光敏元件镜头等。特别适合用于，使用高折射率高分散，或高折射率低分散的光学玻璃的照相机摄影方面。

用本发明制造方法获得的玻璃光学元件的变形，因双折射可定于15nm以下，使用在上述用途上是没有问题的。另外，本发明的制造方法，对于在玻璃光学元件上实际不会产生象散、曲率不规则，这一点也是极其有利的。

下面，用实施例进一步详细说明本发明。

(实施例1)

玻璃原料使用硼硅酸盐光学玻璃(Ts：545℃、Tg：515℃、应变点：478℃)，把冲压径为7.0mm，中心厚度为1.25mm的凸透镜，用图1的成型模成型。冲压成型模是由，把上、下模由CVD法得到的SiC型材成型面，都进行镜面研磨，把溅射法形成的DLC膜作为起模膜而形成的。上下模分别由易受感应加热的钨合金母模包围，利用围绕周围的高频感应加热而发热的母模，进行热传导，加热上下模。上下模的温度由插入上下模的无图示的电热对控制。

在图1中，上模20及下模30至少有一方是可移动的。下模30依靠上下驱动装置(无图示)同可上升的成型模下部14一起移动。如图1(a)所示，成型模上部12中的上模20，由高频加热线圈60进行预热。成型模下部14中的下模30，在成型模下部14落到下面时，用高频加热线圈61进行预热。然后，如图1(b)所示，利用稳定玻璃原料的夹具50，把加热到规定温度的玻璃材料搬送到下模30上，并放在下模30的成型面上。把预热的玻璃原料放到下模30的成型面上后，夹具50移开。如图1(c)所示，下模30和成型模下部“一起向上方移动，和成型模上部12合模，实施冲压成型。

把装置的气体介质作为非活性气体(氮介质)，把上模及下模的温度(模温度)加热到610℃(相当于玻璃粘度10^7.3dPa·s)。另一方面，玻璃原料在模外时，在利用夹具悬浮在气体中的状态下，加热并保持在635℃(相当于玻璃粘度10^6.5dPa·s)。把加热软化的玻璃原料从悬浮状态放在下模上。下模立即上升，用100kg/cm²的压力，按规定的厚度把玻璃原料冲压成型，然后，向成型模吹氮，开始冷却。25秒后，当上下模的温度在玻璃转变温度以下的505℃时，从成型模中起模取出玻璃成型体，在搬送夹具上冷却。从规定厚度的冲压成型后到Tg的冷却速度为，平均250℃/分以上。

[热处理]

把上述成型、冷却的成型体进行再加热，在400℃的温度中保持120分钟，然后，以100℃/小时的冷却速度冷却到300℃，其后，以10℃/分的冷却速度冷却到室温。

[玻璃成型体的性能]

把这样获得的玻璃光学元件的折射率和曲率进行评价，其结果如图2～图4所示。第1面曲率半径用R1表示，第2面曲率半径用R2表示。曲率的允许差，第1面为3.712±0.005mm，第2面为15.690±0.15mm。

折射率为，因热处理增加60×10^-5，连续冲压1000个透镜的折射率变动为中值±20×10^-5以内。

另一方面，在第1、第2面的曲率半径中，只有微乎其微的变化，完全是在允许差内的。另外，用干涉仪测定表面精度时，象散、曲率不规则都在一处以下。

另外，测定热处理后的光学元件的变形时，为10nm以下，具有良好的性能。

Claims

1、一种玻璃光学元件的制造方法，其特征在于，包括：

用成型模把加热软化的玻璃原料冲压成型；

把所获得的玻璃成型品和成型模一起，进行冷却至玻璃成型品的玻璃转变温度以下；

把玻璃成型品从成型模中取出；

把取出的玻璃成型品再加热，在(玻璃应变点-150℃)以上、不到应变点温度的范围内进行热处理获得玻璃光学元件。

2、根据权利要求1所述的制造方法，是具有所定范围内的折射率的玻璃光学元件的制造方法，上述冷却是在，上述玻璃成型品的折射率超过玻璃光学元件折射率的范围的情况下进行的。

3、根据权利要求1所述的制造方法，是具有所定折射率的光学元件的制造方法，上述冷却是在，上述玻璃成型品的折射率比上述所定的折射率低的情况下进行的。

4、根据权利要求1所述的制造方法，上述的冷却是到达玻璃转变温度的平均冷却速度在100℃/分～300℃/分范围。

5、根据权利要求3所述的制造方法，上述的冷却是到达玻璃转变温度的平均冷却速度在100℃/分～300℃/分范围。

6、根据权利要求1所述的制造方法，上述热处理使玻璃成型品的折射率变化，而获得具有希望折射率的玻璃光学元件。

7、根据权利要求3所述的制造方法，上述热处理使玻璃成型品的折射率变化，而获得具有希望折射率的玻璃光学元件。

8、根据权利要求1所述的制造方法，依靠上述热处理，使玻璃成型品的折射率在20×10^-5～150×10^-5范围变化。

9、根据权利要求5所述的制造方法，依靠上述热处理，使玻璃成型品的折射率在20×10^-5～150×10^-5范围变化。

10、根据权利要求1-9任何一项所述的制造方法，上述热处理含有用30℃/小时～300℃/小时的平均冷却速度，至少达到(应变点-170℃)以下的冷却工序。

11、根据权利要求1-9任何一项所述的制造方法，依靠上述熟处理使玻璃成型品的变形以双折射的数值表示降至15nm以下。

12、根据权利要求1-9任何一项所述的制造方法，上述热处理是多个从成型模取出的玻璃成型品一起进行的。

13、根据权利要求1-9任何一项所述的制造方法，上述热处理的温度是，根据上述玻璃成型品的折射率和玻璃光学元件希望折射率决定的。

14、根据权利要求1-9任何一项所述的制造方法，使用成型模的上述玻璃原料的冲压成型，是在相当于玻璃原料的粘度为10⁷～10¹⁰泊时的温度下加热的成型模上，用比加热成型模的温度还高的温度，即相当于10⁶～10⁸泊时的温度，供给加热的玻璃原料，直接冲压成型的。