CN1654384A - 精密玻璃球的制造方法及玻璃光学元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用简便方法制造没有光学不均一层的玻璃原料，及从没有光学不均一层玻璃原料中，制造光学性能优良的玻璃光学元件的方法。这种精密玻璃球的制造方法：包括使熔融的玻璃滴下，把滴下的熔融玻璃块在承模上成型，形成玻璃原球的工序，及除去上述玻璃原球表面的光学不均一层，获得没有光学不均一层的玻璃球(精密玻璃球)的工序。玻璃光学元件的制造方法：包括根据所要获得的光学元件形状，使用加工精密形状的模压成型模，把加热软化的玻璃原料模压成型。即把上述精密玻璃球作为上述玻璃原料使用。

Description

精密玻璃球的制造方法及玻璃光学元件的制造方法

技术领域

本发明是关于用使透镜等光学元件成型的玻璃原料(初加工)等制造玻璃球的方法，即重量更精确、预成型表面没有光学不均一层的精密玻璃球的制造方法，及使用这种精密玻璃球的玻璃光学元件的制造方法。

背景技术

我们知道有一种方法，是按照所希望的光学元件的最终形状，使用实施精密加工的成型模，模压成型(以下称精密铸型模压)玻璃原料，获得透镜等玻璃光学元件的。这种方法，对于制造具有非球面的光学元件、具有细微图形的光学元件等，利用研削、研磨方法成型有困难的光学元件，是极其有利的。

我们知道用于这种精密铸型模压的玻璃原料，是按规定形状及重量进行预成型的。下面就叙述这种玻璃原料的制造方法。

这种制造方法有把熔融玻璃固化成玻璃块后，用切割、研削、研磨加工等冷加工，分割成一定重量及/或一定形状的玻璃原料的方法。例如，可以把玻璃毛坯切割加工，获得立方体形状的玻璃原料，或者，加工成玻璃棒状，再切割成规定长度，获得圆柱状玻璃原料。也可进一步把它研削、研磨加工成规定重量及规定形状。

在专利文献1(特开昭61-261225号)记载的方法中，研磨玻璃坯形成玻璃球，再把此玻璃球加压加热成型，获得光学元件。

在专利文献2(特开平6-227828号)中记载的玻璃原料成型法为，切割玻璃材料准备所需体积的备用玻璃原料，用远红外线进行热加工，初步形成球状，再把它研削加工成球状体的。

在专利文献3(特许2746567号)中，公布了把熔融玻璃从滴管中滴下，滴到具有凹部的成型模上，通过气体使其飘浮，并和凹部内面实质上成非接触状态，形成球状的方法。利用这种方法可以获得，预成型的玻璃原料，其表面没有瑕疵及污垢等的缺陷，重量精度高的玻璃原料。

【专利文献1】特开昭61-261225号

【专利文献2】特开平6-227828号

【专利文献3】特许2746567号

发明内容

然而，上述的方法具有以下的问题。对玻璃块只进行冷加工，而获得精密铸型模压用玻璃原料的方法中，从大规格(例如，外形在50cm以上)的玻璃毛坯，制作成小规格(例如，数mm～20mm左右)的玻璃原料，需要其多道工序。另外，把玻璃毛坯加工成规定规格及形状时的加工量，其体积比约占最终获得的玻璃原料量的1/5～1/2以上这么大的量。因此，既废加工时间，又增加了加工耗材及加工废弃物(再利用困难的玻璃研磨屑、研磨材料及研磨浆)。特别是，很多光学玻璃，为获得所希望的光学特性，由于含有过渡性金属氧化物及重金属氧化物多，而被废弃等处理，产生了环保问题。另外，玻璃原料是立方体及圆柱时，和需要成型的光学元件形状有很大不同，并且表面的光滑性也不理想，成型效率差，面形精度等光学性能也不理想。加之，为解决形状有光滑性问题，虽然能对此玻璃原料进行研磨加工，形成球状，但研磨量大，生产效率低下，研磨粉的排出量增加。

专利文献1所记载的方法，把形状不均(椭圆)表面也不平滑的玻璃坯作为原料，把它研磨成规定的形状，和上述切割及研磨玻璃块等进行冷加工的方法相同，也会出现研磨量大、生产效率差研磨粉排量大的问题。

在专利文献2所记载的方法中，记载有必需经过下面的多道工序，即，(1)把玻璃材料切割加工成一定体积的圆柱状工序；(2)用远红外线加热到玻璃软化点以上使之改变成基本球型的加工工序；(3)使之成为球体的滚磨加工工序；(4)把表面磨成镜面的镜面加工工序。以及通过热处理粗略加工成基本球形的记载。然而，这略呈球体玻璃原料，由于和夹具的接触等，如专利文献2的图6(同本专利的图7)所示，形成圆筒侧面和两个伪球面，显然和球体的形状不同。为此在其后就必需进行多道工序的冷加工，其加工量，会出现外径被加工掉1.2mm以上，重量44％以上这样大的问题。

利用专利文献3记载的方法所获得的球型玻璃原料(初加工球)，也有以下的问题。

当玻璃原料含有挥发性成分时，在滴下、成型的玻璃原球上，有产生表面波筋的情况。可以认为这是由于在玻璃原球成型工序中，玻璃表面的玻璃成分挥发，使表面组成和内部稍有不同引起的折射率不均的原因。例如，低分散玻璃材料(如色散系数νd为60以上)的氟磷酸盐玻璃，因氟的挥发，玻璃原球极易产生表面波筋。另外，玻璃的主要成分含有硼酸时，由于硼酸的挥发，也容易产生表面波筋。还有，为获得滴入到精密玻璃铸型中的光学玻璃，作为降低软化温度的有效成分，有时会含有碱成分，在这种情况下，因碱成分具有挥发性，也是玻璃原球产生表面波筋的原因。

进而，在高折射率玻璃材料(如折射率nd为1.7以上的玻璃材料)中，由于高折射率成分含量多，玻璃的主要成分必然会减少，液相温度就会升高。另外，由于软化温度也有升高的倾向，使碱成分含量增多，有必要下降软化温度。一般情况下，碱成分含量增多，玻璃的热稳定性就会降低，因此就会出现液相温度越来越高的倾向。用这样的光学玻璃进行玻璃原球的热成型时，为防止结晶，就必须在液相温度以上使其流出。流出的温度一高，在这期间挥发的玻璃成分量，多的不容忽略，成为形成表面波筋的原因。另外，由于流淌温度高，成型熔融玻璃时的玻璃粘度降低，在滴下时的碰撞及使熔融玻璃旋转成球状时，玻璃原球的表面容易进入空气产生气泡。这样，因成型作业而产生的气泡，容易附着在玻璃原球的最外面。滴下时低粘性的光学玻璃，在高折射率的玻璃材料中特别多。

由于以上的玻璃特性，专利文献3中记载的方法，在表面附近容易产生波筋及含气泡的光学不均一层，出现了能够进行批量生产的玻璃组成受到限制的问题。另外，使用表面上有表面波筋及表面气泡的光学不均一层的玻璃原球时，有时还会对所获得的玻璃光学元件的光学性能产生不良影响。

特别是，录放高密度光信息用的电视摄像管及小型超薄摄像机(数字照相机用镜头、移动电话上搭载的照相机镜头)的镜头，多采用高折射率、高附加值的玻璃材料，并且质量要求高。因此，成形这样光学元件的玻璃原料，如用上述有光学不均一层的初加工玻璃，就会出现得不到具有所希望质量的玻璃光学元件的情况。这样，获得没有光学不均一层的初加工玻璃，就成了一个课题。

本发明的目的是用简便的方法提供一种没有光学不均一层的初加工玻璃(玻璃原料)。进而本发明提供一种由没有光学不均一层的初加工玻璃(玻璃原料)，制造光学性能优良的玻璃光学元件的方法。

为实现解决上述课题的目的，本发明的精密玻璃球制造方法特征如下：

(1)包括使熔融的玻璃滴下，把滴下的熔融玻璃块在承模上成型，形成玻璃原球的工序，及

除去上述玻璃原球表面的光学不均一层，获得没有光学不均一层的玻璃球(精密玻璃球)的工序。

(2)根据(1)所述的制造方法，上述玻璃原球，表面波纹度为50μm以下。

(3)根据(1)或(2)所述的制造方法，上述玻璃原球，由液相温度时的粘度为50dPa·s以下的光学玻璃构成。

(4)根据(1)所述的制造方法，上述玻璃原球，由氟磷酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃构成。

(5)根据(1)所述的制造方法，上述玻璃原球，由液相温度为900℃以上的光学玻璃构成。

(6)根据(1)所述的制造方法，上述玻璃原球，由折射率nd为1.7以上，或分散νd为60以上的光学玻璃构成。

(7)根据(1)所述的制造方法，上述光学不均一层为包含波筋或气泡的层。

(8)根据(1)所述的制造方法，除去上述光学不均一层为，除去从上述玻璃原球表面5～500μm深度范围内的玻璃。

(9)根据(1)所述的制造方法，除去上述光学不均一层是用研磨加工。

(10)玻璃光学元件制造方法的特征为：包括使用根据所要获得的光学元件形状进行精密形状加工的模压成型模，把加热软化的玻璃原料模压成型；在此制造方法中，利用上述(1)所述的制造方法制造的精密玻璃球，作为玻璃原料。

本发明的优点是：本发明利用把熔融玻璃滴下的方法，形成比所希望精密玻璃球的规格略大一些的玻璃原球，用研磨除去表面产生的光学不均一层，制成精密玻璃球。把熔融滴下所获得的熔融玻璃块，在承模上成型，可形成具有较好表面平滑性的玻璃原球，并且，作为精密铸型用玻璃原料，其形状精度的变动也在允许差之内，很容易地得到只是规格比最终精加工规格略大一点的玻璃原球。因此，研磨加工由于只是对从表面除去相当光学不均一层的部分，研磨量少，故在工作效率上，在排出玻璃浆量少方面有利于环保。另外，在提供给精密铸型模压的玻璃原料的生产过程中，通过批量生产排除在热成型的玻璃原球上产生的光学不均一层，因其玻璃材料的不同是很困难的。但是，本发明可以向精密铸型模压提供没有光学不均一层的玻璃原料，故对批量生产的意义很大。

附图说明

图1表示用玻璃块成型玻璃原球的装置的一个实施例。

图2表示用玻璃块成型玻璃原球的装置的一个实施例及其成型简图。

图3A、图3B和图3C为玻璃原球的研磨工序说明图。

图4为用平面床方式研磨玻璃原球的说明图。

图5为用V沟床方式研磨玻璃原球的说明图。

图6为玻璃原球及精密玻璃球的规格说明图。

图7表示成型在专利文献2中图6所示的大致球型所用的玻璃原料的形状。

具体实施方式

本发明的精密玻璃球的制造方法，包括使熔融的玻璃滴下，把滴下的熔融玻璃在承模上成型，形成玻璃原球的工序，及除去上述玻璃原球表面的光学不均一层，获得没有光学不均一层的玻璃球(精密玻璃球)的工序。

在本发明中，先把熔融的玻璃滴下，再把滴下的熔融玻璃块在承模上成型，而获得玻璃原球。熔融玻璃也可直接使用把玻璃原料熔融，澄清、均匀化的，或者，也可以把玻璃原料熔融，澄清、均匀化后，形成了经控制光学常数的碎玻璃后，再把此碎玻璃熔融。

熔融玻璃的滴下最好使玻璃从滴下管滴下，滴下的熔融玻璃分离成规定的单位，形成玻璃块用承模承接。滴下有以下几种情形，即，分离成玻璃块，如使玻璃滴自然落到承模上，或者使玻璃流流到承模上后，利用表面张力，或利用表面张力和重力或承模的下降，或者利用切割等方法进行分离，都是可以的。

由玻璃块形成玻璃原球，最好在承模上，利用从承模喷出的气体，长时间或一段时间使其飘浮成型。玻璃块因气体的飘浮状态，并不完全排除和承模表面的接触，也包括在喷出的气体支持下，和承模表面反复进行瞬间接触的状态。用这种方法成型的玻璃原球，即使有表面波纹，也是在50μm以下的表面波纹。

把玻璃块作成玻璃原球，可使用例如图1或图2(a)～(b)所示的装置。

在图1的装置中，使熔融玻璃2从铂等的滴管1中自然滴下，或用切割刀具切断使之落下，使熔融玻璃块3落到承模4的凹部5中。滴下管1在其周围设置有加热器6，可进行适当的温度控制。当熔融玻璃块3落到承模4的凹部5中时，从设置在凹部5中的细孔7中吹出气体，熔融玻璃块3成飘浮状态，使之和凹部5之间形成气体层。这样，直到熔融玻璃块3的表面温度达到软化点以下，熔融玻璃块3和凹部5实际上稳定在非接触状态。

在图2的装置中，从滴下管11落下的熔融玻璃2，由承模的承接部承接，然后，玻璃块13落到承模14的凹部15中。这时，在凹部15中设置有喷射气体的细孔17，利用气体A使承接的玻璃块13飘浮，实际上和凹部15的内侧成非接触状态，一直保持到玻璃表面达到软化点以下成型。

在上述任何一装置中，上述承模的凹部为圆锥状，其圆锥的角度可根据滴下玻璃块的量和玻璃粘性，设置最适合的范围。圆锥的角度一般设置为5～40度的范围比较合适。为使玻璃原球的表面更平滑，圆锥的内侧最好进行镜面精加工，但在本发明的工序中，若玻璃没有附壁及融附壁的表面性质，也未必加工成镜面状。喷出气体的种类，使用空气就可以，但使用喷出不和玻璃块表面反应的气体更好，例如，也可以使用氮气及氦气、氩气等惰性气体及它们的混合气体等。

滴下管的管口内径可为0.2～10mm，滴下管的温度可适当控制，为了按一定流量，从滴下管中高精度滴下一定体积的玻璃，要调整粘度。滴下时的玻璃粘度，优选1～80dPa·s的，更优选2～50dPa·s的。成型的玻璃原球可作成直径为1～10mm左右的。特别是在小直径(1～5mm)的情况下，最好使管口的内径为0.2～3mm。从这样的滴下管依次、连续地滴下玻璃滴比较理想，承接玻璃滴的承接模可设置多个，分别配置在依次滴下的位置上，承接玻璃后承接模离开滴下管的下方，用气体使玻璃块飘浮，在飘浮状态中成型。

滴下玻璃量的控制方法，一般用控制熔融玻璃的滴下管温度等人所共知的方法。另外，滴下玻璃的量，要比光学元件进行模压成型时所希望的初加工量(精密玻璃球的规格)，只增加规定部分的量。即，玻璃原球在下道工序中，由于要除去光学不均一层，至少比精密玻璃球大光学不均一层的除去部分进行制作才比较合适。例如，滴下的玻璃形状为球形时，滴下成型的玻璃原球的规格，其半径尽量控制在比所希望的精密玻璃球半径大5～500μm左右，另外，在连续滴下玻璃块，连续形成多个玻璃原球时，玻璃原球的规格偏差，和上述玻璃原球的目标半径相比，规格精度最好在±5％以内。

玻璃原球尽可能形成球状或偏平球状的。即，最好在球研磨工序中，能用转动研磨方式加工的球度或形状更精确的。另外，如扁平球状那样，在形状上有长短差时，椭圆率(当长径为a、短径为b时，椭圆率θ＝sin^-1(a/b))为60度以上时，使其在研磨床上转动比较合适。长径和短径的差最好在500μm以下。

上述玻璃块在承模上的飘浮状态，并不完全排除如上述的和承模表面的接触，还包括由喷出气体支撑成飘浮状态的同时，反复和承模表面进行瞬间接触的状态。这样，如上所述，可获得表面波纹在50μm以内的玻璃原球。

在上述工序中用上述玻璃成型玻璃原球时，形成表面光学不均一层的很多，即使在最周密最完善的成型条件下，在批量生产过程中，也不能完全避免光学不均一层的产生。在这里所谓光学不均一层就是，例如含有波筋或气泡的层，折射率、表面反射率或透射系数和玻璃内部不同的层等。所谓波筋就是，由于玻璃的组成及玻璃密度的不均，形成的部分折射率不均的部分。当用于精密铸型模压的玻璃原料(例如球状的初加工玻璃)存在波筋时，在模压成型后的光学元件(例如透镜)上，残留有部分折射率、透射系数或反射率不均，使光学性能恶化。因此，作为原料的玻璃原球不能含有光学不均一层。

然而，发明者们经过研究发现，有的玻璃组成，很容易在表面产生波筋。例如，使用含有挥发性成分的光学玻璃时。象这样的玻璃有氟磷酸盐玻璃、硼酸盐玻璃。氟磷酸盐玻璃，由于其表面的氟被氧化挥发，表面层的组成和内部产生了不同，易形成折射率的不均。另外，玻璃的主要成份含有硼酸盐(例如硼酸镧类玻璃等)时，由于硼酸的挥发，也容易产生表面波筋。再有，为下调玻璃软化点而添加的碱成份(特别是锂更明显)也是挥发成份，同样容易产生相同的问题。

更进一步地说明具有高液相温度的玻璃材料。例如液相温度在900℃以上，具体为900～1200℃范围的玻璃材料。特别是在高折射率的玻璃材料(例如折射率nd为1.7以上的玻璃材料)中，作为高折射率，在大量含有Ti、Nb、W、Bi等的高折射率成份的另一方面，有助于玻璃稳定性的玻璃主要成份量，比其它玻璃材料相对的要少。例如，主要成份(硅酸、硼酸或磷酸)的总量，用50wt％以下的处方制造的光学玻璃，进而在更加极端的25wt％以下的情况下，这种倾向尤其显著。这种光学玻璃，由于是在液相温度左右的高温滴下，从滴入承模到固化，玻璃成份的挥发量很大，易产生表面波筋。

特别是在磷酸盐类的玻璃中，由于和滴下管铂的可润性高，在滴下管头部会产生润湿现象，这时，附着在滴下管头附近，滞留的玻璃因其挥发等，不断地在改变其组成，由于有少量混入了新滴下的玻璃中，致使滴下的玻璃表面组成产生不均。在这种情况下也容易在初加工品表面形成波筋。

光学不均一层的问题也包括初加工品表面的气泡。当在熔融状态玻璃滴下时的玻璃粘度低的情况下，滴下的玻璃滴接触到承模时的碰撞，或喷出的气流使之运动时的冲撞，极容易在其表面产生气泡。特别是，液相温度的粘度在20dPa·s以下的光学玻璃，更容易产生这样的问题。这些光学玻璃，和上述同样在高折射率玻璃材料中，因其大多是在低粘度的情况下进行滴下的，所以，在高折射率的玻璃材料中消除气泡是非常必要的。

玻璃原球的直径为小于5mm的小直径时，存在着能够更加稳定的进行初加工成型的条件范围变窄的倾向。

用上述的玻璃品种，或在上述条件滴下成型的玻璃原球，大多在其表面产生深500μm以内的光学不均一层，要想消除不均一层，就要延长时间使之达到最适合的成型条件，或在接近使其能滴下界限的条件时在中间进行停顿等，成品率就会下降。另外，因玻璃品种不同，也有完全不符合条件的。用这样的玻璃原球作为初加工品，获得透镜等光学元件，而提供给精密铸型模压时，在成型透镜的光学元件表面，会残留有光学不均一层，由于它们能够引起透射波阵面偏斜及透射率降低、增加光散乱等，使光学元件的光学性能降低。

然而，象这样滴下、成型的玻璃原球，表面形状不均(表面波纹)较小，若除去在表面形成的光学不均一层，作为成型透镜用的玻璃初加工品，也会具有可靠性能的。即，本发明的玻璃原球，表面波纹在50μm以下。这里所说的表面波纹是根据JIS B 610规格的最大表面波纹，例如，用切下500μm的标准长度的值表示。

本发明的目的是除去残留在玻璃原球上的光学不均一层，例如用表面研磨法除去具有相当厚度光学不均一层的玻璃，以获得没有光学不均一层的精密玻璃球。并且，精密玻璃球可直接按照作为玻璃初加工品使用的最终精加工规格进行加工。另外，玻璃原球表面最好均匀地除去一定的厚度。

研磨加工法没有特别的限制。但是，由于上述玻璃原球经旋转可形成基本球状，所以最好用研磨床转动加工除去光学不均一层。光学不均一层通常存在于表面500μm以内部分。因此，研磨加工的去除量可在500μm以内，另外，玻璃原球的规格，由于要去除此光学不均一层，所以要比模压成型时的所希望的初加工品半径(最终精加工规格)约大5～500μm左右比较合适。

上述研磨工序可如图3A所示分3道工序，(1)粗研磨、(2)精研磨、(3)细研磨(仕上げ研磨)。研磨量为上述的5～500μm较合适。另外，当玻璃原球的光学不均一层薄(层厚约在100μm以下)时，可省略粗研磨，如图3B所示，用细研磨和精研磨比较理想。当光学不均一层更薄(层厚约在10μm以下)时，可省略粗研磨、精研磨，如图3C所示，只用细研磨就可以了。

研磨方法例如可用转动研磨方式。转动研磨就是旋转的2个研磨床挟持着球体，使球体边旋转边研磨的方法。研磨床可用2个平面床挟持的方式(两平面床方式，参照图4)，或者，在一侧研磨床的表面设置研磨沟(如图5中的V形沟，V沟床方式)，用沟内侧面和另一侧的研磨床平面部分挟持原球，使之在沟内通过的方式(参照图5)。当为后者时，原球由平面床和沟内侧面3点支撑，同时在沟内转动进行研磨。因此，球体在沟内一边自转，一边变化自转轴，主要研磨除去球表面的凸部。当进一步推进研磨时，进行同样的研磨，渐渐地球体的规格精度及形状精度越来越高。另外，设置在研磨床表面的沟不限于V字沟，只要是用沟内的2个侧面支撑原球的形状的沟都可以。

在本发明的除去光学不均一层的研磨工序中，玻璃原球的粗研磨速度比较快，可采用两平面床方式；精研磨及细研磨，采用可提高规格精度及形状精度的V沟床方式更合适一些。

由于本发明的玻璃原球是光学玻璃，要求研磨速度及表面品质很高，故研磨磨粒最好用氧化铝、氧化铈、氧化锆。另外，在研磨工序中使用的磨粒粒径为0.01～100μm左右的，细研磨最好使用5μm以下的。特别是希望表面粗糙度及划痕度更小的情况下，使用磨粒粒径为1μm以下的。另外，磨粒也可使用胶质二氧化硅、碳化硅、金刚石等。

研磨加工液可使用，把这些磨粒和水或碱水溶液混合，并使之悬浮，成浆状的。可利用滴下或喷雾把加工液提供到研磨床上。

研磨条件可定为，相当于1个球体的研磨负荷为5～20gf/个的范围，研磨床的旋转数为100～300rpm的范围。这些条件可根据研磨玻璃原球的数量、规格及玻璃组成适当进行调整。

研磨速度(去除速度)可为，例如，1～200μm/hr左右。平面床方式，比沟床方式研磨速度快，故适合于粗加工。沟床方式，研磨速度慢，在10μm/hr以内，故可利用研磨时间精确控制研磨量(规格加工)这一优点。进而，沟床方式，由于可进行高精度加工球的形状精度(表面波纹、球的轮廓度(球度))，故适合于精研磨。

因此，由于把带沟的研磨床应用到熔融滴下成型的玻璃原球的研磨加工中，就可用最小的研磨量(研磨除去量)，真正除去存在于球体表面上的光学不均一层。

用这种研磨加工，可除去相当于表面光学不均一层(大致为5～500μm厚)部分。最好把10～100μm作为研磨量。利用研磨加工所获得的精密玻璃球，就可作为提供给精密铸型模压的玻璃初加工品使用。

精密玻璃球的最终精加工规格，可根据精密铸型模压所要获得的光学元件的体积决定。具体为，在所要获得的光学元件的体积上，加上通过定中心加工等，模压成型后除去的体积部分，求出提供给精密铸型模压的玻璃初加工品的体积。例如，图6所示，玻璃原球的规格为，最终研磨规格(最终细加工规格)和光学不均一层厚度的总和。

本发明不需要利用前期技术进行必需的玻璃切割工序等。因此，由于没有因切割工序及分割所产生的划伤、裂纹等，故没有必要加大研磨量。利用研磨，从光学上已具有相当平滑的玻璃原球表面，除去相当于光学不均一层厚度部分。这样，研磨工序不具有显著效率，因研磨而产生的玻璃粉的量也极少。

本发明所适应的玻璃组成没有特别的限制。但对于上述的容易产生光学不均一层的玻璃材料，本发明的效果明显。具体可举出，折射率nd为1.7～2.2的光学玻璃，或分散νd60～95的光学玻璃。另外，在上述已经提到的玻璃的组成，再加上上述的液相温度范围，本发明的效果更高。例如，液相温度时的玻璃粘度为50dPa·s以下的玻璃，特别是20dPa·s以下那样的玻璃，本发明有效。

这里，所谓液相温度，是指使固态玻璃按规定范围的速度升温，当保持在各种温度上时，没有结晶析出的最低保持温度。所谓规定的速度为，例如1～50℃/分。

本发明包括玻璃光学元件的制造方法。其制造方法的特征为：用根据要获得的光学元件形状实施精确形状加工的，用于模压成型的成型模；包括把加热软化的玻璃原料模压成型，作为上述玻璃原料使用上述本发明的制造方法所获得的精密玻璃球。

下面，把本发明的精密玻璃球，作为精密铸型模压用玻璃初加工品使用，就利用模压成型获得光学元件的工序进行说明。

成型模是根据所要求光学元件的表面形状，把母材，如碳化硅、氮化硅等的陶瓷或超硬合金等具有耐热性及充分硬度的致密原料，进行镜面精密加工而成的。在成型面上最好有具有脱模性的膜。脱模膜可使用以碳为主要成份的，以贵重金属为主要成份的等。

例如，把加热软化到适合成型粘度的玻璃初加工品，在上下成型模之间，施加适当的负载模压成型，复制成型面。保持和成型面的密切接触状态，以规定的冷却速度，直接冷却到转化点附近，最好是转化点以下，脱模，取出模压成型品。这时，把成型原料配置在上下成型模之间以后，也可以和成型模一起加热升温(例如加热到相当于玻璃粘度为10⁸～10¹²dPa·s的温度)，或者，也可以把在成型模外加热(例如加热到相当于玻璃粘度为10⁶～10⁹dPa·s的温度)的初加工品提供给加热的成型模之间，进行模压成型。在后者的情况下，可把在成型模外加热的成型原料，提供给加热到比它还低的温度(例如加热到相当于玻璃粘度为10⁸～10¹²dPa·s的温度)的成型模之间，立刻使上下成型模接触，施加负载进行模压成型。

在维持原来负载的状态下，或在减少负载，保持成型的光学元件和成型模的紧密接触的状态下，冷却到相当于玻璃粘度10¹²泊的温度以下，然后把上下成型模分开，进行脱模。脱模最好在相当于10^12.5～10^13.5泊的温度下进行。

用本发明成型的光学元件的形状没有特别的限制。但在双凸透镜、凸透镜时，用玻璃球初加工品特别有利，本发明的效果更高。当然，也可以把本发明的精密玻璃球用于光通信的球形透镜、棒形透镜、光敏元件用半球透镜等。

【实施例】

以下，利用实施例进一步说明本发明。

实施例1

用硼酸镧类(B₂O₃-La₂O₅类)玻璃A(玻璃成份含有21wt％的B₂O₃、35wt％的La₂O₅，折射率nd为1.80、νd40)，制作精密铸型模压用初加工品的精密玻璃球。首先，把上述玻璃的原料熔融成玻璃后，澄清、使其均匀并固化，制作成精密控制了折射率的碎玻璃材料。把适量的碎玻璃材料在玻璃熔融炉中再次熔融，使其流出、滴下、成型。

玻璃原球的制作是用图1所示的装置进行的。

把滴下、成型的玻璃原球，在冷却后进行检查，判明在表面90μm以内有波筋。由于是硼酸镧类，在滴下成型时，可以看到玻璃表面的挥发很明显。利用可控制表面波筋的成型条件，连续地、稳定地成型是很不容易的。另外，玻璃原球的表面波纹为10～20μm。调整滴下成型的玻璃原球的量，使其直径比最终精加工规格φ2.700mm大0.300mm左右，以φ3mm的规格滴下。

接着，进行研磨加工工序，把滴下成型的玻璃原球除去表面波筋。本实施例的研磨加工分三道工序：(1)粗研磨、(2)精研磨、(3)利用沟床方式(本实施例为V字沟研磨床方式)进行细研磨。

首先，用图4所示的平面研磨床方式进行粗研磨。安装一套用2个平面研磨床挟持直径φ3mm的玻璃原球的研磨装置。研磨液使用把碳化硅(#400号，粒径75μm左右)混合在水中。粗研磨的目的是除去表面波筋。调整研磨床旋转数及研磨负载使研磨速度为100μm/hr。研磨除去量为，控制研磨时间使除去球半径的0.1mm。其结果，玻璃原球的规格(直径)，由粗研磨前的φ3.0mm经研磨后平均为φ2.8mm。

接着，用图5所示的V沟床方式进行细研磨工序。安装研磨装置，把直径φ2.8mm的玻璃原球放在下床的V沟内，把平面研磨床安装在上面，使之挟持玻璃原球。研磨液用氧化铝(#2000号、粒径19μm左右)混合在水中。调整研磨床旋转数及研磨负载使研磨速度为30μm/hr。细研磨后的规格为φ2.710mm，比最终细研磨规格约大0.01mm。因此，研磨除去量为，控制研磨时间使除去球半径的0.045mm。其结果，玻璃原球的规格(直径)，由粗研磨前的φ3.0mm经研磨后平均为φ2.710mm。

进而，进行精研磨工序。研磨液为把氧化铈(粒径0.5～1.0μm左右)混合在水中注入V字沟中。研磨速度为调整研磨床的旋转数及研磨负载，使研磨速度为5μm/hr。精研磨后的规格必须比最终精加工规格φ2.700mm±0.001mm以内。因此，研磨除去量要控制研磨时间，使除去球半径的0.005mm。精确控制研磨时间。其结果，获得了玻璃原球的规格(直径)，由精研磨前的φ2.710mm，经研磨后，最大φ2.7002mm，最小φ2.7000mm，平均φ2.7001mm，与最终精加工目标误差在±0.0005mm以内的高精度玻璃球初加工品。

把这样获得的初加工品用于精密铸型模压，就压制成型光敏感元件用物镜(蓝色激光光敏元件用高NA物镜)。

(成形透镜的设计类型和规格参数)

本实施例所设计的透镜为，具有双面非球面形状的无限类单片凸透镜，设计波长λ405nm、NA0.85、焦点距离1.77mm、工作距离0.6mm、透镜外径φ3.7mm、有效径φ3.0mm、透镜中心厚度2.0mm、第1面曲率半径1.35mm、第2面曲率半径6.43mm。

并且，针对因透镜表面折射率不均(玻璃表面波筋)而引起的性能低下，如透射波面变形及透镜反射光量不均或局部增大等，针对使光敏感元件的集光性能低下的主要因素，作为透镜的外观品质要求是非常高的。实际上，用可视光作放大检查时，要求观察不到透镜表面的波筋。

在透镜设计方面，考虑到透镜的性能及精密玻璃成型性，进行了最适合的设计，由于设计波长为405nm这样小，并且，NA为0.85这样高，根据透镜的规格及形状精度的允许误差，进行了非常严格的设计。实际上，为使波面像差在0.04λrms以内，至少要使球面像差在0.01～0.02λrms以内，这样，透镜的中心厚度精度可在±1μm以内。

(模压方法、模压条件)

把成型透镜第1面的凹型模配置在下模，把成型透镜第2面的凹型模配置在上模。然后，在把初加工品安装在下模凹面上的状态下，加热模，在达到模压温度时，加模压负载，复制模面形状。由于玻璃的充分伸展，和模成型面紧密接触，使玻璃充满了模内容积后，把模冷却到玻璃玻化点以下。最后，进行成型透镜脱模，从模中取出。

模压条件要根据所用玻璃的热特性和粘度特性(玻璃屈服点Ts600℃和玻化温度Ts560℃)，以及，按所要获得的透镜规格及形状，准确且高精度的复制成型面，设定了下述的模压条件。

模压温度  650℃

模压压力  180～200kgf/cm²

模压负载  100～150kgf

脱模温度  520℃

(模压结果)

用于模压成型的初加工品，由于精密研磨完全消除了波筋，经目视检测，在成型的透镜表面，完全看不到表面波筋及气泡等玻璃表面折射率不均一层所引起的质量不良。

另外，由于放入到成型模中的初加工品的直径规格是高精度的，初加工品的体积变动非常小，所以，不会出现因玻璃充填不足而成型面形状不佳、或充填过量而使玻璃挤出等产品不合格，进而，在制造上发生模破损等麻烦。

在1000个连续成型的透镜中，波象差值，最小0.021λrms、最大0.035λrms、平均0.028λrms，即使是允许制造误差相当严格的高NA单透镜，也能获得稳定的性能。

Claims (10)

1、一种精密玻璃球的制造方法，其特征在于：包括使熔融的玻璃滴下，把滴下的熔融玻璃块在承模上成型，形成玻璃原球的工序，及

除去上述玻璃原球表面的光学不均一层，获得没有光学不均一层的精密玻璃球的工序。

2、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：上述玻璃原球的表面波纹度为50μm以下。

3、根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于：上述玻璃原球，由液相温度时的粘度为50dPa·s以下的光学玻璃构成。

4、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：上述玻璃原球，由氟磷酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃构成。

5、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：上述玻璃原球，由液相温度为900℃以上的光学玻璃构成。

6、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：上述玻璃原球，由折射率nd为1.7以上或分散νd为60以上的光学玻璃构成。

7、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：上述光学不均一层为包含波筋或气泡的层。

8、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：除去上述光学不均一层为，除去从上述玻璃原球表面5～500μm深度范围内的玻璃。

9、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：除去上述光学不均一层是用研磨加工。

10、一种玻璃光学元件的制造方法，其特征在于：包括使用根据所要获得的光学元件形状进行精密形状加工的模压成型模，把加热软化的玻璃原料模压成型；在此制造方法中，利用上述权利要求1所述的制造方法制造的精密玻璃球，作为上述玻璃原料。

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