JP2006256884A - ガラス光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラス素材と成形型の成形面の間の離型性を確実に確保することにより、カン・ワレを防止し、さらに素子表面にクモリが生じないガラス光学素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】 ガラス素材３の表面に所定の膜厚の炭素系膜５を形成する第１工程と、ガラス素材３を加熱軟化させた状態で成形型１０によりプレス成形する第２工程とを含む、ガラス光学素子の製造方法において、第２工程でのガラス素材３の表面における各部位の伸び量の大小を予め把握しておき、凸メニスカス形状のガラス光学素子１を製造する際には、ガラス素材３の素材中央領域３１の表面伸び率は少なく、素材周辺領域３２の表面伸び率が大きいので、ガラス素材３に形成する炭素系膜５については、素材中央領域３１で薄くし、素材周辺領域３２で厚くする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光学ガラスからなるガラス素材を加熱軟化させた状態でプレス成形してガラス光学素子を製造する方法に関するものである。

プリフォームなどのガラス素材を加熱軟化させた状態で成形型によってプレス成形してレンズなどの光学素子を得る際、成形型の成形面とガラス素材の融着を防止することを目的に、成形型の成形面に炭素系膜、貴金属系膜、窒化物系膜、硼化物系膜等の離型膜を設けることが知られている。

しかしながら、成形の際に損傷(いわゆるカン・ワレ)の生じやすいガラス素材、例えば、反応性の高いアルカリ金属元素(Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ)の酸化物や酸化還元作用の強い高原子価元素(Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｂｉなど)の酸化物を多量に含むホウ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、ホウリン酸塩系ガラス、フツリン酸塩系ガラスなどからなるガラス素材を成形する場合には、成形型の成形面に形成した離型膜では充分な離型効果を得ることが困難である。

一方、ガラス素材の表面に炭素系膜を形成して融着を防止する技術が提案されている。例えば、ガラス素材と成形型の成形面のうち少なくとも一方に炭素膜を形成することにより、融着を防止する技術が提案されている(例えば、特許文献１参照)。

また、ガラス素材の表面に炭化水素膜を形成することにより、離型性を向上する技術が提案されている(例えば、特許文献２参照)。

さらに、アセチレンの熱分解により、比較的伸び易く薄い炭素膜をガラス素材の表面に形成する技術が提案されている(例えば、特許文献３参照)。

さらにまた、メタンプラズマ処理により、膜厚５ｎｍ未満、好ましくは１ｎｍ未満の炭素膜をガラス素材の表面に形成することにより、離型性を向上する方法が提案されている(例えば、特許文献４参照)。
特公平２−３１０１２号公報 特公平７−４５３２９号公報 特開平８−２１７４６８号公報 特開平９−２８６６２５号公報

しかしながら、上記の特許文献に開示の技術によれば、一定の離型性向上の効果が得られるものの、微小融着(成形面に対するガラス素材の融着)についてはその発生を防止できないという問題点がある。例えば、両凸曲面形状や球面形状に予備成形されたガラスプリフォームを大きく変形させてプレス成形する際、変形量の大きな部位ではやはり微小融着が生じ、この微小融着が主原因となってカン・ワレがしばしば発生し、生産性(歩留まり)を悪化させている。特に、このようなカン・ワレは、反応性の高いアルカリ金属元素(Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ)の酸化物や酸化還元作用の強い高原子価元素(Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ｂｉなど)の酸化物を多量に含むホウ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラス、ホウリン酸塩系ガラス、フツリン酸塩系ガラスなどからなるガラス素材をプレス成形するときに多発するという問題点がある。

上記問題点に鑑みて、本発明の課題は、ガラス素材と成形型の成形面の間の離型性を確実に確保することにより、カン・ワレを防止し、さらに素子表面にクモリが生じないガラス光学素子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、ガラス素材の表面に所定の膜厚の炭素系膜を形成する第１工程と、前記ガラス素材を加熱軟化させた状態で成形型によりプレス成形して前記成形型の成形面を前記ガラス素材に転写する第２工程とを含む、ガラス光学素子の製造方法において、前記第２工程での前記ガラス素材の表面における各部位の伸び量の大小を予め把握し、前記第１工程では、前記伸び量の把握結果に基づいて、前記炭素系膜の膜厚を前記伸び量の小さい部位より前記伸び量の大きい部位で厚くしておくことを特徴とする。

本発明では、ガラス素材を成形用型でプレス成形してガラス光学素子を製造するに際して、ガラス素材に形成する炭素系膜の膜厚を、プレス成形によって拡大される表面の比率を考慮して決定するため、融着やそれに起因するカン・ワレを防止することができる。

ここで、炭素系膜とは、炭素を主成分として含有する膜であって、好ましくは炭素を常温で50ａｔ％以上含む膜をいう。

本発明において、前記第１工程では、例えば、前記ガラス光学素子の光軸を含む素子中央領域を形成すべき前記ガラス素材の素材中央領域と、前記ガラス光学素子の前記素子中央領域の周りを囲む素子周辺領域を形成すべき前記ガラス素材の素材周辺領域との間で前記炭素系膜の膜厚を相違させる。例えば、前記ガラス素材としての両凸曲面形状あるいは球形状のガラス素材を前記第２工程で成形して両凸形状あるいは凸メニスカス形状のガラス光学素子を製造するにあたっては、前記第１工程では、前記炭素系膜の膜厚を前記素材中央領域より前記素材周辺領域で厚くする。

本発明において、前記第１工程では、前記ガラス光学素子の第１面を形成すべき前記ガラス素材の第１素材面と前記ガラス光学素子の第２面を形成すべき前記ガラス素材の第２素材面との間で前記炭素系膜の膜厚を相違させることもある。例えば、前記ガラス素材としての両凸曲面形状あるいは球形状のガラス素材を前記第２工程で成形して、前記第１面が凸面で前記第２面が凹面の凹メニスカス形状のガラス光学素子、あるいは前記第１面が平面で前記第２面が凹面の平凹形状のガラス光学素子を製造するにあたっては、前記第１工程では、前記炭素系膜の膜厚を前記第１素材面より前記第２素材面で厚くする。

本発明において、前記炭素系膜の膜厚は、当該炭素系膜が薄い部位で0.5ｎｍから5ｎｍの範囲であり、当該炭素系膜が厚い部位で１ｎｍから10ｎｍであることが好ましい。

本発明において、前記成形型を構成する複数の型部材のうち、少なくとも一つの型部材の成形面には、炭素を含有する離型膜が形成されていることが好ましい。

本発明では、前記第１工程において、前記ガラス素材に前記炭素系膜を形成する際、前記炭素系膜の膜厚を部位によって相違させる方法、あるいは前記第１工程において、前記ガラス素材に前記炭素系膜を形成する成膜処理と、前記ガラス素材に形成した前記炭素系膜を部分的に除去して当該炭素系膜の膜厚を部位によって相違させる膜厚調整処理とを行う方法のいずれを採用してもよい。

本発明では、ガラス素材を成形用型でプレス成形してガラス光学素子を製造するに際して、ガラス素材に形成する炭素系膜の膜厚を、プレス成形によって拡大される表面積の比率を考慮して決定するため、融着やそれに起因するカン・ワレを防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るガラス光学素子の製造方法を示す説明図である。図２(ａ)、(ｂ)はそれぞれ、本発明の実施の形態１に係るガラス光学素子の製造方法において、第２工程でガラス素材の表面が各部位毎に伸び量が相違する様子を示す説明図、およびガラス素材の表面の伸び量に応じて炭素系膜の厚さを相違させた様子を示す説明図である。図３(ａ)〜(ｄ)は、本発明の実施の形態１に係るガラス光学素子の製造方法において、ガラス素材に炭素系膜を形成する方法を示す工程断面図である。

図１に示すように、レンズなどのガラス光学素子１を製造する際には、まず、第１工程において、ガラスプリフォームと称せられる両凸曲面形状のガラス素材３(実線で示す)の表面に所定の膜厚の炭素膜や炭化水素膜などの炭素系膜５(一点鎖線で示す)を形成する。より具体的には、予備成形されたガラス素材３を洗浄した後、ガラス素材３の表面に蒸着法、炭化水素の熱分解ＣＶＤ法、炭化水素のプラズマ分解ＣＶＤ法、炭化水素の光分解ＣＶＤ法、または自己組織化膜成膜法のいずれかの方法により、炭素系膜５を成膜する。

次に、第２工程において、ガラス素材３を加熱軟化させた状態で下型２１および上型２３からなる成形型２０によりプレス成形して、下型２１の成形面２１０および上型２３の成形面２３０をガラス素材３に転写し、ガラス光学素子１(点線で示す)を得る。より具体的には、ガラス素材３を精密に形状加工した成形型２０に導入し、ガラス素材３の粘度が10⁶〜10⁹ｄＰａ・ｓ相当の粘度となる温度に加熱、軟化し、これを成形型２０で押圧することによって、成形型２０の成形面２１０、２３０の形状をガラス素材３に転写する。若しくは、予め、その粘度が10⁶〜10⁹ｄＰａ・ｓ相当の温度に昇温したガラス素材３を、精密に形状加工した成形型２０に導入し、これを押圧することによって、成形型２０の成形面２１０、２３０の形状をガラス素材３に転写する。このような成形時の雰囲気は、成形面２１０、２３０の酸化を防ぐため、非酸化性とすることが好ましい。

この後、成形型２０とガラス素材３を冷却し、好ましくはガラス素材３のＴｇ以下の温度となったところで、離型し、成形されたガラス光学素子１を取り出す。なお、第１工程と第２工程を連続して行なっても良い。すなわち、ガラス素材３の表面に炭素系膜５を形成した後、ガラス素材３を加熱し、そのままプレス成形を行なっても良い。

成形型２０を構成する型母材としては、ＳｉＣ、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、サーメット、サイアロン、ムライト、カーボン・コンポジット(Ｃ／Ｃ)、カーボンファイバー(ＣＦ)、ＷＣ−Ｃｏ合金、結晶化ガラスを含むガラス素材３、ステンレス系高耐熱性金属等から選ばれる材料が有用に使用できる。

ここで、成形型２０の成形面２１０、２３０の表面には離型膜が設けられていることが好ましい。離型膜としては、ダイヤモンド状炭素膜(以下、ＤＬＣ)、水素化ダイヤモンド状炭素膜(以下、ＤＬＣ：Ｈ)、テトラヘドラルアモルファス炭素膜(以下、ｔａ−Ｃ)水素化テトラヘドラルアモルファス炭素膜(以下、ｔａ−Ｃ：Ｈ)、アモルファス炭素膜(以下、ａ−Ｃ)、水素化アモルファス炭素膜(以下、ａ−Ｃ：Ｈ)、窒素を含有するカーボン膜等の炭素系膜、白金(Ｐｔ)、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム(Ｉｒ)、ロジウム(Ｒｈ)、オスミウム(Ｏｓ)、ルテニウム(Ｒｕ)、レニウム(Ｒｅ)、タングステン(Ｗ)、及びタンタル(Ｔａ)から選ばれる少なくとも一つの金属を含む合金膜が適用できる。このような離型膜の形成は、ＤＣ−プラズマＣＶＤ法、ＲＦ−プラズマＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲ−プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法等のプラズマＣＶＤ法、イオンプレーティング法などのイオン化蒸着法、スパッター法、イオンプレーティング法、蒸着法やＦＣＡ(Filtered Cathodic Arc)法等の手法が用いることができる。

プレス成形後のガラス光学素子１は、必要に応じてアニール処理が施されるが、このアニール処理の際に、酸化雰囲気中での加熱を行うことにより、ガラス光学素子１の表面にある炭素系膜５を除去することができる。なお、ガラス光学素子１の表面に、反射防止膜などの機能性の膜を設ける場合には、その成膜に先だって、炭素系膜５およびその残査を除去しておく。

(炭素系膜５の厚さ分布)
このような製造方法においては、第２工程では、ガラス素材３のプレス変形によって炭素系膜５も伸ばされる。ここで、炭素系膜５の膜厚が薄すぎると、ガラス素材３のプレス変形により炭素系膜５が引きちぎられてガラス面が成形型２０の成形面２１０、２３０に露出するため、成形面２１０、２３０にガラスが融着し、これが原因となってカン・ワレが発生する。これに対して、炭素系膜５が厚すぎる場合には、炭素系膜５の熱変成、すなわち、炭素−炭素同士の結合が発生することにより、膜構造がアモルファス状態から周期性を有する状態に変化することにより、炭素系膜５に亀裂(凹凸)が発生し、その凸凹がガラス素材３に転写される結果、ガラス光学素子１の表面が粗れてクモリによる外観不良が発生する。

従って、炭素系膜５は、プレス成形によって押し伸ばされる際、ガラス素材３の表面の変形に沿って伸びてガラス素材３と成形面２１０、２３０との接触を防止することが必要であり、かつ、伸びが少ない部位においては、亀裂による炭素系膜５の凸凹の発生を防止しなければならない。

ここに、本願発明者等は、ガラス素材３のプレス変形状況を鋭意観察した結果、ガラス素材３の表面における伸び量が部位によって相違するという知見を得たので、本発明では、第２工程でのガラス素材３の表面における各部位の伸び量の大小を予め把握し、第１工程では、伸び量の把握結果に基づいて、炭素系膜５の膜厚を、表面伸び量が小さい部位より表面伸び量が大きい部位で厚くしておく。

このような方法を採用するにあたって、本形態では、プレス成形時にガラス素材３の表面が伸びる量を「表面伸び量」と定義し、第２工程でのガラス素材３の表面における各部位の伸び量の大小を把握する。例えば、図２(ａ)には、両凸曲面形状のガラス素材３を第２工程で成形して、凸メニスカス形状のガラス光学素子１を製造する様子を示してあり、矢印の長さは、ガラス素材３の各部位における移動量を示しており、「表面伸び量」は、矢印の長さではなく、あくまで各表面領域の表層方向への伸び量をいう。なお、かかる表面伸び量に基づいて、プレス成形前のガラス素材３の表面に対する、プレス成形後におけるガラス素材３の表面の伸びた割合である表面伸び率を求め、「表面伸び量」をこの表面伸び率と置き換えてもよい。

図２(ａ)に模式的に示す結果に基づいて、ガラス素材３の素材中央領域３１と素材周辺領域３２において表面がプレス成形後にどの程度伸びたかを解析すると、
素材中央領域３１の表面伸び量は(ａ２−ａ１)であるから、表面伸び率は(ａ２／ａ１)であり、
素材周辺領域３２の表面伸び量は(ｂ２−ｂ１)であるから、表面伸び率は(ｂ２／ｂ１)となり、
素材中央領域３１より素材周辺領域３２で表面伸び量(表面伸び率)が大きいことが分かる。従って、模擬ガラス素材の表面に所定パターンのマークを付しておき、この模擬ガラス素材を成形型でプレス成形を行って模擬成形品を得た後、この模擬成形品の表面のマークの拡大率を分析すれば、部位毎の表面伸び率を求めることができる。

ここで、図２(ａ)に示す凸メニスカス形状のガラス光学素子１を製造する際、ガラス光学素子１の光軸を含む素子中央領域１１を形成すべきガラス素材３の素材中央領域３１と、ガラス光学素子１の素子中央領域１１の周りを囲む素子周辺領域１２を形成すべきガラス素材３の素材周辺領域３２との間でガラス素材３の表面伸び率が相違するので、第１工程では、ガラス素材３の素材中央領域３１と素材周辺領域３２との間で炭素系膜５の膜厚を相違させる。より具体的には、凸メニスカス形状のガラス光学素子１を製造する場合には、図２(ｂ)に示すように、ガラス素材３の素材中央領域３１での表面伸び率が小さく、素材周辺領域の表面伸び率が大きいので、本発明では、第１工程において炭素系膜５の膜厚を素材中央領域３１より素材周辺領域３２で厚くしたガラス素材３を用いる。

このように本形態では、ガラス素材３において、プレス変形が大きい部位(表面伸び率が大きい部位)で炭素系膜５の膜厚を厚くしてあるので、ガラスと成形面２１０、２３０との接触を防止することできる。また、ガラス素材３において、プレス変形が小さい部位(表面伸び率が小さい部位)で炭素系膜５の膜厚を薄くしてあるので、亀裂による炭素系膜５の凸凹の発生を防止することができる。それ故、ガラス光学素子１を製造する際、カン・ワレを防止でき、さらに素子表面にクモリが発生することを防止することができ、ガラス光学素子１の歩留まりを向上することができる。

ここで、ガラス素材３に形成する炭素系膜５の膜厚には、以下に述べる制限がある。まず、膜厚が10ｎｍを超えると、炭素系膜５材の熱変成(炭素−炭素同士の結合が発生することにより、膜構造がアモルファス状態から周期性を有する状態に変化する)の速度が急激に増大し、炭素原子相互の間に円滑なスベリ移動が起きず、炭素系膜５の伸びが阻害され、膜に亀裂が発生する。従って、必ずしも融着が防止できず、1000ショットを越える連続プレスにおいてカン・ワレが発生することが避けられない。ちなみに、膜の亀裂を確実に防止するためには、炭素系膜５の膜厚は５ｎｍ以下が好ましい。

これに対して、炭素系膜５の膜厚が薄すぎると、プレスによってガラス素材３の表面が伸ばされ、表面積が大きくなる結果として、炭素系膜５が欠落する部位が生じてしまう。炭素原子が滑り移動することによって炭素系膜５が伸びるためには、プレスによって伸ばされる最終段階まで、ガラス素材３の表面上に、最低限、炭素原子の２原子層が存在しなくてはならない。ガラス表面上の炭素原子第１層は、ガラス素材３との付着のために移動はせず、第２層以上の原子が滑り移動をするからである。従って、プレス成形の結果として変形したガラス光学素子１の表面に、炭素原子が存在し、かつその膜厚が２原子層以上であれば、プレス成形中に成形面２１０、２３０との融着が起きないということになる。この２原子層には、炭素原子が最密状態で配列している必要はなく、しかしガラス表面をすべて覆うに充分な状態で配列している必要がある。ちなみに、炭素原子の理論半径は0.17ｎｍ(ファンデルワールス半径)であるので、ガラス素材３に形成する炭素系膜５の膜厚は0.5ｎｍ以上であることが好ましい。厳密に言えば、プレス成形後のガラス光学素子１表面に、膜厚が0.5ｎｍの炭素系膜が生じる状態となるように、予めプリフォームに、所定の膜厚の炭素系膜を成膜しておけばよい。

それ故、ガラス素材３において、表面伸び率(伸び変形)の小さい素材中央領域３１の炭素系膜５の膜厚は0.5ｎｍ以上、かつ、５ｎｍ以下が好ましく、更には、0.5ｎｍ以上、かつ、４ｎｍ以下が好適である。一方、ガラス素材３において、伸び変形の大きい素材周辺領域３２の炭素系膜５の膜厚は１ｎｍ以上、かつ、10ｎｍ以下が好ましく、更には、１ｎｍ以上、かつ、８ｎｍ以下が好適である。但し、炭素系膜５の厚い部分の膜厚は、薄い部分の膜厚よりも常に厚いことが前提である。なお、プリフォームに成膜した炭素系膜５の膜厚は、周知のＥＳＣＡ法によって求めることができる。

(第１工程の第１例)
第１工程によって、ガラス素材３の表面に部位により膜厚の異なる炭素系膜５を形成するには、ガラス素材３に炭素系膜５を形成する際、炭素系膜５の膜厚を部位によって相違させる方法と、成膜処理においてガラス素材３に炭素系膜５を形成した後、膜厚調整処理においてガラス素材３に形成した炭素系膜５を部分的にエッチングして膜厚を部位によって相違させる方法とがある。

前者および後者のいずれの場合にも、炭素系膜５をガラス素材３の表面に形成する方法としては、蒸着法、スパッター法、イオンプレーティング法、炭化水素の熱分解ＣＶＤ法、炭化水素のプラズマ分解ＣＶＤ法、炭化水素の光分解ＣＶＤ法、または自己組織化膜成膜法などが挙げられる。

蒸着法による場合には、市販の蒸着装置を用いて、10^-4Ｔｏｒｒ程度の真空雰囲気中で、炭素を主成分とする炭素系材料を電子ビーム、直接通電もしくはアークにより加熱し、材料から蒸発および昇華により発生する炭素蒸気を基材の上に輸送し凝縮・析出させることにより炭素系膜５を形成する。例えば、直接通電の場合、断面積0.1cm²程度の炭素系材料に100Ｖ−50Ａ程度の電流を通電し、炭素系材料を通電加熱する。基材加熱温度は室温〜400℃程度とする。但し、基材のガラス転移温度(Ｔｇ)が450℃以下の場合、基材加熱の上限温度は(Ｔｇ−50)℃とする。ここで、炭素系膜５の膜厚は、通常の光学用薄膜と同様に、モニターガラス上の蒸着膜の反射率変化、透過率変化、若しくはＱＣＭ(Quarts Crystal Microbalance：水晶振動子を用いて周波数変化を測定するシステム)による実測から測定し、シャッターの開閉により制御する。

また、スパッター法による場合には、公知のスパッター装置を用いて、10^-2〜10^-3Ｔｏｒｒ程度のアルゴン雰囲気中で、炭素ターゲット材料をアルゴンイオンでスパッターリングし、スパッターされた炭素粒子を輸送し、基材表面上に炭素粒子を析出して炭素薄膜を形成することができる。基材加熱温度は室温〜400℃程度が好ましい。ただし、基材のガラス転移温度(Ｔｇ)が450℃以下の場合、基材加熱の上限温度はＴｇ−50℃とすることが好適である。炭素膜の膜厚は、通常の光学薄膜と同様に、モニターガラス上のスパッター膜の反射率もしくは透過率の変化から測定し、シャッタの開閉により炭素膜厚を制御することができる。

また、イオンプレーティング法による場合には、例えば、公知のイオンプレーティング装置を用いて、10^-2〜10^-4Ｔｏｒｒ程度のアルゴン雰囲気中で、炭素系材料を電子ビームにより加熱し、材料から蒸発および昇華により発生する炭素蒸気を、負にバイアスされた基材上に蒸着させることにより炭素薄膜を形成することができる。フィラメントと基板電極との間のグロー放電により、蒸着の付着強度や均一性が向上する。基材加熱温度は室温〜400℃程度が好ましい。ただし、基材のガラス転移温度(Ｔｇ)が450℃以下の場合、基材加熱の上限温度はＴｇ−50℃とすることが好適である。この場合、所定の膜厚の制御は、上記蒸着法と同様に行うことができる。

また、炭化水素の熱分解ＣＶＤ法による場合には、市販の熱分解ＣＶＤ装置を用いて、10^-1Ｔｏｒｒ程度まで排気した反応容器内を500℃程度まで加熱し、この容器内にアセチレンガス等の炭化水素ガスを20分間〜２時間程度かけて数10Ｔｏｒｒ程度まで導入することにより、ガラス素材３の表面に炭素を凝縮・析出させることにより炭素系薄膜を形成する。炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン、ベンゼン蒸気、ヘキサン蒸気などを用いることができる。

炭化水素のプラズマ分解ＣＶＤ法による場合には、市販のプラズマ分解ＣＶＤ装置を用いて、10^-1Ｔｏｒｒ程度まで排気した反応容器に、Ａｒガス等の不活性ガスで希釈したアセチレンガス等の炭化水素ガスを導入し、500Ｗ程度の高周波パワー(13.56ＭＨｚ)を反応容器に印加することにより、炭化水素分子を炭素と水素のプラズマに分解し、ガラス素材３の表面に炭素を凝縮・析出させることにより炭素系膜５を形成する。炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン、ベンゼン蒸気、ヘキサン蒸気などを用いることができる。

炭化水素の光分解ＣＶＤ法による場合には、市販の光分解ＣＶＤ装置を用いて、10^-1Ｔｏｒｒ程度まで排気した反応容器に、Ａｒガス等の不活性ガスで希釈したアセチレンガス等の炭化水素ガスを導入し、エキシマランプやエキシマレーザーなどの紫外線光源の光を反応容器内に照射することにより、炭化水素分子を炭素と水素とに分解し、ガラス素材３の表面に炭素を凝縮・析出させることにより炭素系膜５を形成する。前記炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロピレン、ベンゼン蒸気、ヘキサン蒸気などを用いることができる。

ここで、前者の方法で、素材中央領域３１の膜厚を素材周辺領域３２よりも薄くする場合には、蒸着やＣＶＤ法(炭化水素の熱分解ＣＶＤ法、プラズマ分解ＣＶＤ法、光分解ＣＶＤ法など)で炭素系膜５を成膜する際、図３(ａ)に示すように、穴あき治具７の穴部にガラス素材３を設置して、ガラス素材３の上方から炭素系膜５を成膜する。その際、図３(ｂ)に示すように、炭素系膜５のガラス素材３の下面側への回り込みによって、ガラス素材３の下面側の外周部分にも炭素系膜５が形成される。次に、図３(ｃ)に示すように、ガラス素材３を上下反転した後、炭素系膜５を再び成膜すると、炭素系膜５のガラス素材３の下面側への回り込みによって、ガラス素材３の下面側の外周部分にも炭素系膜５が形成される。その結果、図２(ｂ)および図３(ｄ)に示すように、ガラス素材３に形成した炭素系膜５の膜厚を素材中央領域３１で薄く、素材周辺領域３２で厚くすることができる。なお、炭素系膜５の成膜中に成膜容器内にＡｒガス等の不活性ガスを導入して真空度を低下させれば、上記の回り込みを増大させることができる。

(第１工程の第２例)
これに対して後者の方法では、蒸着法、スパッター法、炭化水素の熱分解ＣＶＤ法、炭化水素のプラズマ分解ＣＶＤ法、炭化水素の光分解ＣＶＤ法、または自己組織化膜成膜法などにより、ガラス素材３の表面に炭素系膜５を成膜した後(成膜処理)、炭素系膜５を薄くすべき部位に酸素プラズマ処理、ＵＶオゾン処理、酸化雰囲気中での熱処理により、炭素系膜５を部分的にエッチングし、炭素系膜５の膜厚を部位によって相違させる。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係るガラス光学素子１の製造方法を示す説明図である。なお、本形態は、基本的な構成が実施の形態１と同様であるため、対応する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。また、図４には、炭素系膜５の図示を省略してある。

図４に示すように、本形態のガラス光学素子１を製造する際にも、実施の形態１と同様、第１工程において、ガラスプリフォームと称せられる両凸曲面形状のガラス素材３の表面に所定の膜厚の炭素系膜５を形成した後、第２工程では、ガラス素材３を加熱軟化させた状態で下型２１および上型２３からなる成形型２０によりプレス成形して、下型２１の成形面２１０および上型２３の成形面２３０をガラス素材３に転写する。

ここで、本形態のガラス光学素子１は、両凸レンズ形状を有しており、このような両凸レンズ形状のガラス光学素子１を製造する際も、実施の形態１と同様、ガラス光学素子１の光軸を含む素子中央領域１１を形成すべきガラス素材３の素材中央領域３１では表面伸び率が小さく、ガラス光学素子１の素子中央領域１１の周りを囲む素子周辺領域１２を形成すべきガラス素材３の素材周辺領域３２では表面伸び率が大きいので、図２(ｂ)を参照して説明したように、第１工程において炭素系膜５の膜厚を素材中央領域３１より素材周辺領域３２で厚くしたガラス素材３を用いる。

このように本形態では、プレス変形が大きい部位(表面伸び率が大きい部位)では、炭素系膜５の膜厚を厚くしてあるので、ガラスと成形面２１０、２３０との接触を防止することできる。また、ガラス素材３において、プレス変形が小さい部位(表面伸び率が小さい部位)では、炭素系膜５の膜厚を薄くしてあるので、亀裂による炭素系膜５の凸凹の発生を防止することができる。なお、表面伸び率の把握方法、炭素系膜５の厚さ、炭素系膜５の製造方法は、実施の形態１と同様であるため、それらの説明を省略する。

［実施の形態３］
図５(ａ)、(ｂ)は、本発明の実施の形態３に係るガラス光学素子１の製造方法を示す説明図、およびガラス素材３の表面の伸び量に応じて炭素系膜５の厚さを相違させた様子を示す説明図である。なお、本形態は、基本的な構成が実施の形態１と同様であるため、対応する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。また、図５(ａ)には、炭素系膜５の図示を省略してある。

図５(ａ)に示すように、本形態のガラス光学素子１を製造する際にも、実施の形態１と同様、第１工程において、ガラスプリフォームと称せられる両凸曲面形状のガラス素材３の表面に所定の膜厚の炭素系膜５を形成した後、第２工程では、ガラス素材３を加熱軟化させた状態で下型２１および上型２３からなる成形型２０によりプレス成形して、下型２１の成形面２１０および上型２３の成形面２３０をガラス素材３に転写する。

ここで、本形態のガラス光学素子１は、凹メニスカス形状を有しており、このようなガラス光学素子１を製造する際、第２工程では、ガラス光学素子１の第１面１６を形成すべきガラス素材３の第１素材面３６とガラス光学素子１の第２面１７を形成すべきガラス素材３の第２素材面３７との間では表面伸び率が相違するので、第１素材面３６と第２素材面３７との間では炭素系膜５の膜厚を相違させる。すなわち、凹メニスカス形状のガラス光学素子１は、第１面１６が凸面で第２面１７が凹面であるため、ガラス光学素子１の第１面１６を形成すべきガラス素材３の第１素材面３６では表面の伸び率が小さく、ガラス光学素子１の第２面１７を形成すべきガラス素材３の第２素材面３７では表面伸び率が大きい。従って、図５(ｂ)に示すように、第１工程において炭素系膜５の膜厚を第１素材面３６より第２素材面３７で厚くしたガラス素材３を用いる。

このように本形態では、プレス成形による変形が大きい部位(表面伸び率が大きい部位)では、炭素系膜５の膜厚を厚くしてあるので、ガラスと成形面との接触を防止することできる。また、ガラス素材３において、プレス変形が小さい部位(表面伸び率が小さい部位)では、炭素系膜５の膜厚を薄くしてあるので、亀裂による炭素系膜５の凸凹の発生を防止することができる。なお、表面伸び率の把握方法、炭素系膜５の厚さは、実施の形態１と基本的には同様であるため、それらの説明を省略する。なお、図５(ｂ)に示すガラス素材３を製造するには、各素材面３６、３７に炭素系膜５を成膜する際、その膜厚を制御することにより、それぞれの面に適正な膜厚の炭素系膜５を成膜すればよい。

［実施の形態４］
図６は、本発明の実施の形態５に係るガラス光学素子１の製造方法を示す説明図である。なお、本形態は、基本的な構成が実施の形態１と同様であるため、対応する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。また、図６には、炭素系膜５の図示を省略してある。

図６に示すように、本形態のガラス光学素子１を製造する際にも、実施の形態１と同様、第１工程において、ガラスプリフォームと称せられる両凸曲面形状のガラス素材３の表面に炭素系膜５を形成した後、第２工程では、ガラス素材３を加熱軟化させた状態で下型２１および上型２３からなる成形型２０によりプレス成形して、下型２１の成形面２１０および上型２３の成形面２３０をガラス素材３に転写する。

ここで、本形態のガラス光学素子１は、平凹形状を有しており、このような平凹形状のガラス光学素子１では、第１面１６が平面で第２面１７が凹面であるため、ガラス光学素子１の第１面１６を形成すべきガラス素材３の第１素材面３６では表面の伸び率が小さく、ガラス光学素子１の第２面１７を形成すべきガラス素材３の第２素材面３７では表面伸び率が大きい。従って、図５(ｂ)を参照して説明したように、第１工程において炭素系膜５の膜厚を第１素材面３６より第２素材面３７で厚くしたガラス素材３を用いる。

このように本形態では、プレス変形が大きい部位(表面伸び率が大きい部位)では、炭素系膜５の膜厚を厚くしてあるので、ガラスと成形面との接触を防止することできる。また、ガラス素材３において、プレス変形が小さい部位(表面伸び率が小さい部位)では、炭素系膜５の膜厚を薄くしてあるので、亀裂による炭素系膜５の凸凹の発生を防止することができる。なお、表面伸び率の把握方法、炭素系膜５の厚さは、実施の形態１と基本的には同様であるため、それらの説明を省略する。

［その他の実施の形態］
上記形態１〜４のいずれにおいても、ガラス素材３として、両凸曲面形状のガラスプリフォームを用いたが、ガラス素材３として球形のガラスプリフォームを用いる場合に本発明を適用してもよい。ここで、ガラス素材３の部位によって炭素系膜５の膜厚分布を設けるにあたり、得ようとするレンズ形状によってガラス素材３の膜厚分布が一義的に決まるわけではなく、レンズ外径の大きさ肉厚、およびガラス素材３の形状(球形状、両凸曲面形状、平板形状)などに基づいて、膜厚分布が変わる。従って、図２(ｂ)および図５(ｂ)を参照して説明したガラス素材３の他、図７に示すように、第１工程において炭素系膜５の膜厚を素材周辺領域より素材中央領域で厚くしたガラス素材３を用いてもよい。なお、図７に示すようなガラス素材３を製造するには、蒸着法やＣＶＤ法において炭素系膜５を形成する際、開口を有するマスクを通して炭素系膜５を成膜することにより、プリフォームに成膜する炭素膜の膜厚を中央側では厚く、周辺側では薄くすることができる。

また、本発明に係るガラス光学素子１の製造方法は、各種形状のレンズを製造するのに適用することができ、そのレンズ形状は、両凸、凸メニスカスレンズ、両凹、凹メニスカスレンズなど制約は無い。但し、少なくともひとつの非球面を有する光学レンズの製造に好適である。また、本発明は、レンズの製造の他にも、プリズム、ミラー、グレーティング、マイクロレンズ、積層型回折格子などのガラス光学素子１の製造に有効に適用できるほか、光学素子以外のガラス成形品に対しても適用できることは言うまでもない。ガラス光学素子１の用途としては、特に制約は無いが、カメラ(ビデオカメラ、デジタルカメラ、モバイル端末内蔵カメラなどを含む)用撮像系レンズ、光ピックアップレンズなどに好適に用いられる。

以下に、本発明を実施例に基づいてより詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例１、比較例１、実施例２、実施例３の各条件、および評価結果を表１に示す。

なお、表１中、カン・ワレ；同一型で5000回までの連続プレスして時のカン・ワレの発生数
○：５ケ未満
△：５ケ〜49ケ
×：50ケ以上
＊＊外観不良；同一型で5000回までの連続プレスして時の外観不良の発生数
○：５ケ未満
△：５ケ〜49ケ
×：50ケ以上
を意味する。

［実施例１］
第１工程において、成形用のガラス素材３であって、形状が長径10mmφの楕円球状(両凸曲面形状)に予備成形したプリフォームを用意し、このプリフォームに、蒸着法を用いて、素材中央領域の膜厚が0.8ｎｍ、素材周辺領域の膜厚が1.6ｎｍの炭素膜を成膜した。プリフォームのガラス種はホウ酸塩系ガラス(ガラス転移点：Ｔｇ＝520℃／軟化点：Ｔｓ＝560℃)である。より具体的には、プリフォームを穴あき治具の穴部に設置して、プリフォームの上方から炭素膜を蒸着成膜した。炭素蒸着は、10^-4Ｔｏｒｒ程度の真空雰囲気中で、断面積0.2cm²程度の炭素材料に100Ｖ−50Ａ程度の電気を通電し、炭素材料を通電加熱しておこなった。炭素膜厚は、シャッターの開閉により、ＱＣＭの表示で膜厚0.8ｎｍに調整した。一回目の炭素成膜を終了後、プリフォームを反転した後、炭素を膜厚0.8ｎｍまで再び蒸着した。ＥＳＣＡ法を用いてプリフォーム表面の炭素膜厚を評価したところ、素材中央領域では0.8ｎｍ、半径４mmの部位(周辺から１mmの部位)では1.6ｎｍであった。

第２工程では、この炭素膜で被覆されたプリフォームを、直径14mmφ、コバ厚が0.5mmである両凸レンズの形状にプレス成形した。それには、まず、プリフォームを上記のレンズ形状を基に精密加工した成形面を有する成形装置内に設置した。成形型としては、ＣＶＤ法により作製した多結晶ＳｉＣの成形面をＲmax＝18ｎｍに鏡面研磨したものを用いた後、イオンプレーティング法成膜装置を用いて、成形面にＤＬＣ：Ｈ膜を成膜したものを用いた。窒素ガス雰囲気中で、610℃まで加熱して150kg／cm²の圧力で１分間加圧する。圧力を解除した後、冷却速度を−５℃／ｍｉｎで480℃になるまで冷却し、その後は−200℃／ｍｉｎ以上の速度で冷却を行い、プレス成形物の温度が200℃以下に降下した後、プレス成形物である、ガラス光学素子１を取り出した。

このガラス光学素子１の表面の炭素系膜５の膜厚をＥＳＣＡ法により測定したところ、素子中央領域では0.8ｎｍ、半径８mmの部位(周辺から１mmの部位)では0.7ｎｍであった。

同一型にて5000ショットまで連続プレスしたが、表１に示すように、カン・ワレの発生はなかった。また、目視できるクモリの発生はみられず、光学素子の外観も、全数、良好であり、歩留は100％であった。

［比較例１］
実施例１と同様のプリフォームを用い、第１工程において、蒸着法にて膜厚0.8ｎｍの炭素膜を成膜した。その際、プリフォームを治具にセットし、実施例１とは異なり、蒸着の回り込みがない状態で蒸着した。第１面に炭素系膜を成膜後、プリフォームをセットした治具を裏返して、裏面に炭素系膜を同様に成膜した。炭素膜厚は、シャッターの開閉により、ＱＣＭの表示で膜厚0.8ｎｍに調整した。一面目の炭素成膜を終了後、プリフォームを反転した後、炭素を膜厚0.8ｎｍまで再び蒸着した。ＥＳＣＡ法を用いてプリフォーム表面の炭素膜厚を評価したところ、上下面ともに、中央部では0.8ｎｍ、半径４mmの部位(周辺から１mmの部位)でも0.8ｎｍであった。

次に、実施例１と同様に、同一型を用いて、直径14mmφ、コバ厚が0.5mmの凸レンズを連続プレスした。成形を続けたところ、表１に示すように、70ショットでガラス光学素子にカン・ワレが発生し始め、また、100ショット以降、カン・ワレが連続した。これら不良となったガラス光学素子(レンズ／成形品)は、いずれもその周辺部にカン・ワレが確認された。プレスを120ショットで終了し、金型の成形面を観察したところ、成形面にガラスと思われる融着物が認められた。

［実施例２］
実施例１と同様のプリフォームを用い、第１工程において、蒸着法にてプリフォームの両面に膜厚2.0ｎｍの炭素系膜を成膜した。炭素系膜を成膜したプリフォームを、２枚のＡｌ薄板の円形開口部(径：４mmφ)にてはさみ固定し、市販のＵＶオゾン処理装置(ＵＶランプ出力：100Ｗ)にセットした。大気雰囲気にて、片面あたり10分のＵＶオゾン処理を行った後、このプリフォーム表面の炭素膜厚をＥＳＣＡ法により測定したところ、中央部では0.6〜0.9ｎｍ、半径６mmの部位(周辺から１mmの部位)では2.0ｎｍであった。すなわち、素材周辺領域の炭素膜厚を素材中央領域のそれより厚くした。

次に、実施例１と同様に、第２工程において、この炭素膜で被覆されたプリフォームを、直径14mmφ、コバ厚が0.5mmである両凸レンズの形状へプレス成形し、ガラス光学素子１を得た。このガラス光学素子１の表面の炭素系膜５の膜厚をＥＳＣＡを用いて測定したところ、素子中央領域では0.5〜0.7ｎｍ、半径６mmの部位(周辺から１mmの部位)では0.9ｎｍであった。

同一型にて5000ショットまで連続プレスしたが、表１に示すように、カン・ワレの発生はなかった。また、目視できるクモリの発生はみられず、光学素子の外観も、全数、良好であり、歩留は100％であった。

［実施例３］
成形用のガラス素材３、炭素成膜法、炭素系膜５の膜厚などを表１のとおり変更した以外は、実施例１と同様に炭素膜を成膜した成形用ガラス素材を同一型で500ショットまで連続プレスした。表１のとおり、カン・ワレおよび外観不良の発生はなく、歩留は極めて良好であった。

本発明の実施の形態１に係るガラス光学素子の製造方法を示す説明図である。 (ａ)、(ｂ)はそれぞれ、本発明の実施の形態１に係るガラス光学素子の製造方法において、第２工程でガラス素材の表面が各部位毎に伸び量が相違する様子を示す説明図、およびガラス素材の表面の伸び量に応じて炭素系膜の厚さを相違させた様子を示す説明図である。 (ａ)〜(ｄ)は、本発明の実施の形態１に係るガラス光学素子の製造方法において、ガラス素材に炭素系膜を形成する方法を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態２に係るガラス光学素子の製造方法を示す説明図である。 (ａ)、(ｂ)は、本発明の実施の形態３に係るガラス光学素子の製造方法を示す説明図、およびガラス素材の表面の伸び量に応じて炭素系膜の厚さを相違させた様子を示す説明図である。 本発明の実施の形態４に係るガラス光学素子の製造方法を示す説明図である。 本発明のその他の実施の形態に係るガラス光学素子の製造方法に用いたガラス素材の説明図である。

符号の説明

１ ガラス光学素子
５ 炭素系膜
３ ガラス素材
２０ 成形型
２１ 下型
２３ 上型
２１０、２３０ 成形面
１１ 素子中央領域
１２ 素子周辺領域
１６ 第１面
１７ 第２面
３１ 素材中央領域
３２ 素材周辺領域
３６ 第１素材面
３７ 第２素材面

Claims (9)

1. ガラス素材の表面に所定の膜厚の炭素系膜を形成する第１工程と、前記ガラス素材を加熱軟化させた状態で成形型によりプレス成形して前記成形型の成形面を前記ガラス素材に転写する第２工程とを含む、ガラス光学素子の製造方法において、
   前記第２工程での前記ガラス素材の表面における各部位の伸び量の大小を予め把握し、
   前記第１工程では、前記伸び量の把握結果に基づいて、前記炭素系膜の膜厚を前記伸び量が小さい部位より前記伸び量が大きい部位で厚くしておくことを特徴とするガラス光学素子の製造方法。
2. 前記第１工程では、前記ガラス光学素子の光軸を含む素子中央領域を形成すべき前記ガラス素材の素材中央領域と、前記ガラス光学素子の前記素子中央領域の周りを囲む素子周辺領域を形成すべき前記ガラス素材の素材周辺領域との間で前記炭素系膜の膜厚を相違させることを特徴とする請求項１に記載のガラス光学素子の製造方法。
3. 前記ガラス素材としての両凸曲面形状あるいは球形状のガラス素材を前記第２工程で成形して両凸形状あるいは凸メニスカス形状のガラス光学素子を製造するにあたって、
   前記第１工程では、前記炭素系膜の膜厚を前記素材中央領域より前記素材周辺領域で厚くすることを特徴とする請求項２に記載のガラス光学素子の製造方法。
4. 前記第１工程では、前記ガラス光学素子の第１面を形成すべき前記ガラス素材の第１素材面と前記ガラス光学素子の第２面を形成すべき前記ガラス素材の第２素材面との間で前記炭素系膜の膜厚を相違させることを特徴とする請求項１に記載のガラス光学素子の製造方法。
5. 前記ガラス素材としての両凸曲面形状あるいは球形状のガラス素材を前記第２工程で成形して、前記第１面が凸面で前記第２面が凹面の凹メニスカス形状のガラス光学素子、あるいは前記第１面が平面で前記第２面が凹面の平凹形状のガラス光学素子を製造するにあたって、
   前記第１工程では、前記炭素系膜の膜厚を前記第１素材面より前記第２素材面で厚くすることを特徴とする請求項４に記載のガラス光学素子の製造方法。
6. 前記炭素系膜の膜厚は、当該炭素系膜が薄い部位で0.5ｎｍから５ｎｍの範囲であり、当該炭素系膜が厚い部位で１ｎｍから10ｎｍであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のガラス光学素子の製造方法。
7. 前記成形型を構成する複数の型部材のうち、少なくとも一つの型部材の成形面には、離型膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のガラス光学素子の製造方法。
8. 前記第１工程では、前記ガラス素材に前記炭素系膜を形成する際、前記炭素系膜の膜厚を部位によって相違させることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガラス光学素子の製造方法。
9. 前記第１工程では、前記ガラス素材に前記炭素系膜を形成する成膜処理と、前記ガラス素材に形成した前記炭素系膜を部分的に除去して当該炭素系膜の膜厚を部位によって相違させる膜厚調整処理とを行うことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のガラス光学素子の製造方法。

Images