JP2006504609A5

JP2006504609A5 -

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Publication number: JP2006504609A5
Application number: JP2004548403A
Authority: JP
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2023-10-20

Description

本発明は、光学部品及びそれらのガラス製品に関する。特に、本発明は、低ガラス転移温度（Ｔｇ）で、非酸化ガラス（例えば、カルコゲナイドガラス）を、複雑または緻密な表面特徴を有する多様な形状のデバイスへモールドするかまたはエンボス加工する方法及び装置に関する。

本発明は、一部にモールディングまたはエンボス加工を用いて精細な光学微細構造を備えた精密光学素子を製造する費用効果の高い方法に関する。ガラスモールディングに関連した欠点を、モールドされるべき材料として非酸化物ベースのガラスを用いることによって実質的に排除することができる。適当なガラス構成物には、カルコゲナイドガラス、カルコハライドガラス、及びハライドガラスが含まれ、通常それらは全て低ガラス転移温度（Ｔｇ）を有する。ハライドガラスの１例として、フッ化ジルコン酸塩ガラス（例えば、ＺＢＬＡＮ）であってもよい。３種類のガラスのうち、硫化ガラス、またはとりわけゲルマニウムヒ素硫化ガラスが好適である。非酸化物ガラスまたはカルコゲナイドガラスの利点は高屈折率、より低いモールディング温度、優れた熱的安定性及び高環境耐久性があげられる。これらのガラスの高屈折率は特に有益である。なんとなれば、それらは所定の焦点距離のレンズを製造するために必要なサグの範囲を減少させるからである。これらのガラスの低モールディング温度は魅力的である。なんとなれば、低モールド温度によって、より高温の酸化物ガラスをモールドするのに必要である化学的に蒸着された炭化ケイ素または窒化ケイ素などの高価なモールドまたはマスターの必要性が除去されるからである。

酸化物ベースのガラスと対比して、カルコゲナイドガラスはより低い軟化温度及び低ガラス転移温度、Ｔｇ（〜１０13.4ポイズ）を示す。この特徴によってカルコゲナイドガラスがモールディングまたはエンボス加工用の魅力的な候補になる。ここで用いられるように、用語「低Ｔｇ」は

カルコゲナイドガラスは、組成物によって、約２００−６００℃の温度またはより低い通常２５０−３５０℃でモールドされ得る。なんとなればカルコゲナイドガラスは約５００℃未満のガラス転移温度（Ｔｇ）を有することが特徴であるからである。カルコゲナイドガラスには約３５０−４８０℃のＴｇを有するものがあるが、より一般的には、Ｔｇは約３００℃以下である（例えば、〜１３０℃、または〜１９０℃から〜２００℃、または〜２５０℃）。従って、カルコゲニドの低温特性をうまく利用して、「超微細構造」モールディングを可能にする十分な流動率を実現することができる。

通常、本進歩的処理に基づいてモールドされたガラス製品は、光学アプリケーションにおける使用に適するには高すぎる熱ストレスを含んでおり、従って、微細アニーリングステップをモールド後に必要とする。しかしながら、加圧成形手順において利用される等温環境及びモールドされた製品は本質的に全体的にモールド表面に一致するという事実故に、製品は等方的に縮小し、よって、関係する表面形状のいかなる重大な歪みもなく製品が微細アニールされることを可能にする。さらに、この歪みのないアニーリングはモールドされた形状に対して複雑な物理的支援を用いることなしにモールドの外側で実施され得る。この実施によってより短いモールドサイクル時間がもたらされ、モールドを再処理する必要が排除される。要約すれば、ガラスの変質範囲または転移温度より低い温度の範囲内で保持されるガラス形状を用いて負荷下でモールドを冷却する必要がない。即ち、モールドは、たぶん室温と同等の変化範囲未満でモールドを冷却し次に再加熱するよりはむしろ、ガラスが約１０13ポイズの粘度である温度で保持され得る（プレスされた製品をモールドから外す最小温度）。かかる再処理は多くのエネルギーを消費し、モールドの寿命に不利な影響を及ぼす。

約１６０℃から約２４５℃までの間及び様々な屈折率の実験に対して選択されたカルコゲナイドガラスサンプルのガラス転移温度（Ｔｇ）は約２．３から約２．５までの幅があった。前駆体ガラス材料は、０．２５ｍｍから２ｍｍの間の厚さ及び２０ｍｍから３００ｍｍの直径を有するウエハー状であった。替わりに、微細ガラスパウダー（直径が０．１ｍｍより小）で、ガラスの立方体または不規則形状の固体ブロックも前駆体材料として用いられた。このことは、コダック（ＥＰ１０６９０８２Ａ２）、コーニング（米国特許第４，４８１，０２３号）、及びおそらくゲルテックによって開発されたモールディング処理に必要とされたプリフォームと対照的であったということに注意すべきである。我々は、モールドブロックの対向するモールド面同士の間にウエハーまたはパウダー形状のいずれかでガラスを配置した。モールドブロックの温度は、加熱要素に入力される電力を増加することによって、室温からモールドの特定のガラス材料のＴｇより上約５０℃まで上げられた。用いられたカルコゲナイドガラスの場合には（表１、例１及び２）ブロックの温度は２２０℃から３００℃の範囲であった。ガラス前駆体材料の加熱するとともに、上側モールド部分に１から１００ｐｓｉの範囲の機械的圧力が加えられた。加えられた圧力量は、ガラスのＴｇと同様モールドされるべき外部形状の特徴の空間周波数及び深さなどの要因に依存した。モールドブロック上で圧力を加えるために、インストロンマシンなどの水圧駆動または電気駆動のプレス機のテーブルの間にモールドアセンブリが配置された。事前選択されたピーク温度に達した後、圧力が加えられて、通常５秒から６０秒の滞留時間の間モールドブロックアセンブリ上で保持され、モールドの範囲内でガラス材料の完全なフローを確実にした。この滞留時間の後に、徐々に圧力を解放し、温度制御装置においてプログラムされたように、モールドブロックの温度を室温まで戻した。

Claims

精密光学素子を製造する方法であって、
ａ）約５５０℃までのガラス転移温度（Ｔｇ）を有する非酸化ガラスを与えるステップと、
ｂ）活性表面が、（Ａ）非反応性材料層で被覆されるか、または（Ｂ）少なくとも動作温度より高い結晶温度を有する材料から製造されるか、または（Ｃ）少なくとも作用温度より高い結晶温度を有する材料から製造され且つ前記非反応性材料で被覆されるか、のいずれか任意である保護被膜を用いてまたは用いずに成され得る光学仕上げを施した、重量百分率について、約９８−８０％のＴｉ、１−１０％のＡｌ及び１−１０％のＶを含む組成を有するチタン合金でできている前記活性表面を有するモールドを用意するステップと、
ｃ）前記モールドに前記ガラスを配置するステップと、
ｄ）前記モールド及びガラスをＴｇより上約１０℃から約１１０℃の作用温度に加熱するステップと、
ｅ）前記ガラスの粘度が約１０⁶−１０¹²ポイズに達すると前記モールドをプレスするステップと、
を含み、
前記ガラスが、溶融ガラス原料パウダー、平面物体、規則的または不規則形状の大きな固体、またはそれらの組み合わせの形態であることを特徴とする方法。
前記ガラスがカルコゲナイドガラスであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記硫化物が、ＧｅＡｓ₂Ｓ₂、Ａｓ₂Ｓ₃、Ｇａ₂Ｓ₃、及びＩｓ₂Ｓ₃から成るグループから選択されることを特徴とする請求項２記載の方法。
前記ガラスがカルコハライドガラスであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ガラスがハライドガラスであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記非反応性材料が窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記モールドが、少なくとも第１部分及び第２部分をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記活性表面がチタン合金またはニッケル合金のいずれかから作られていることを特徴とする請求項１記載の方法。
少なくとも活性モールディング表面が、重量百分率について、約９８−８０％のＴｉ、１−１０％のＡｌ及び１−１０％のＶを含む組成を有するチタン合金でできていることを特徴とする請求項１記載の方法。
少なくとも活性モールディング表面が、ニッケル合金、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または炭化ケイ素及び窒化ケイ素の難溶性セラミック複合体から選択された材料も含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記作用温度がＴｇより上約２０℃から約９０℃の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ガラスの前記粘度が約１０⁷−１０¹¹ポイズであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ガラスの前記粘度が約１０⁹ポイズであることを特徴とする請求項１２記載の方法。
前記ガラスがサグして前記光学素子の所望の形態へ変形するまで、前記モールドにおいて前記ガラスへ熱及び圧力を加えるステップをさらに含む請求項１記載の方法。
前記圧力が、前記モールドの前記第２部分へと駆動される前記第１部分との間で機械的に加えられることを特徴とする請求項１４記載の方法。
前記モールドへブロックを挿入するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ガラスがウエハーまたはパウダーの形態であるときに前記ブロックが挿入されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
前記ブロックのモールディング表面上に、前記作用温度で前記ガラスと反応しない材料層を配置するステップをさらに含む請求項１記載の方法。
前記モールド内で前記ガラスを硬化するステップと、前記ガラスを取り除くステップと、得られるガラス製品をさらに処理するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
前記加熱ステップ及びプレス加工ステップが周囲大気において実施されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記光学素子がミリメートルより小なる表面特徴を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記光学素子が約１００ミクロン未満かまたは等しい微細マイクロ構造を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記光学素子が約１０ミクロン未満かまたは等しい超微細マイクロ構造を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記光学素子が、レンズ、マイクロレンズ、レンズまたはマイクロレンズのアレイ、回折格子、表面レリーフディフューザー、またはフレネルレンズであることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記光学素子が前方監視赤外線（ＦＬＩＲ）システムの一部であることを特徴とする請求項１記載の方法。
請求項１の方法に従って製造される精密光学素子。
モールディングまたはエンボス加工によって光電子素子又は精密光学素子を製造する方法であって、
粒状の、平面の、大きな固体の品目として５５０℃までのガラス転移温度（Ｔｇ）を有する非酸化ガラスを用意するステップと、
保護被膜を用いて、または用いずに成され得る光学仕上げを施された、重量百分率について、約９８−８０％のＴｉ、１−１０％のＡｌ及び１−１０％のＶを含む組成を有するチタン合金でできている活性表面を有する２部モールドを用意するステップと、
を含み、
前記活性表面が、
（Ａ）非反応性材料層で被覆されるか、または
（Ｂ）チタン合金またはニッケル合金のいずれかから製造されるか、または
（Ｃ）チタン合金またはニッケル合金から製造され且つ前記非反応性材料で被覆されるか、
のいずれか任意であって、前記モールドに前記ガラスを詰め、前記Ｔｇより上少なくとも１０℃の作用温度に前記モールドを加熱し、
約１０⁷から１０¹²ポイズの粘度で前記ガラスを熱プレスする、
ことを特徴とする方法。
前記熱プレス加工ステップが酸素含有大気内で起こることを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記作用温度が、前記Ｔｇより上約１１０℃を上回らないことを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記モールドが保護被膜のない金属活性表面を有することを特徴とする請求項２７記載の方法。
少なくとも活性モールディング表面が、ニッケル合金、炭化ケイ素、窒化ケイ素、または炭化ケイ素及び窒化ケイ素の難溶性セラミック複合体から選択された材料も含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記ガラスがカルコゲナイドガラスであることを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記ガラスがカルコハライドガラスであることを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記ガラスがハライドガラスであることを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記光電子素子が微細マイクロ構造または超微細マイクロ構造のいずれかを有することを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記光電子素子が、レンズ、マイクロレンズ、レンズ又はマイクロレンズのアレイ、回折格子、表面レリーフディフューザー、またはフレネルレンズのいずれかであることを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記光電子が前方監視赤外線（ＦＬＩＲ）システムの一部であることを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記モールドへブロックを挿入するステップをさらに含み、少なくとも前記ブロックの１つが前記ウエハーまたはパウダーと面する部分を示すことを特徴とする請求項２７記載の方法。
前記作用温度で前記ガラスと反応しない非反応性材料層を前記ブロックの表面上に配置するステップをさらに含む請求項２７記載の方法。
前記非反応性材料が窒化ホウ素であることを特徴とする請求項２７記載の方法。