JP2013151423A - マイクロプリズムおよびマイクロロッドレンズ、ならびにそれらを製造する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 延伸プロセスを用いて特に光学ガラス素子を製造する際に、光学ガラス素子の表面品質を維持すると同時に、延伸プロセス中に生じる変形を最小にする。
【解決手段】 延伸プロセスを用いて光学ガラス素子を製造する方法および装置において、製造されるガラスストランドの幾何形状を、加熱装置の内部または外部の、ガラスストランドの外周または長軸の少なくとも一部の周りに位置する冷却体または加熱体によって制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、延伸プロセスを用いて光学ガラス素子、特に光学プリズムまたは光学ロッドレンズを製造する方法および装置に関する。

例えばプリズム、レンズ等の光学ガラス素子は光学ガラスのブロックを切断し、研削し、次いで研磨することによって得ることができる。しかしながら、これでは時間がかかり高価なプロセスとなる。

断面や寸法が小さい光学ガラス素子は取り扱いがはるかに困難であり、また、光学ガラス素子の品質決定に重要な要素である十分な精度のエッジの鋭さ、エッジ角度、表面の平面度、および低い表面粗さを達成するには、相当量の作業を要し、したがって高い費用を伴うため、かかる光学ガラス素子の製造にはさらなる問題が生じる。

しかし、小型化された光学ガラス素子、特にマイクロレンズおよび／またはマイクロプリズムは、写真撮影、特に携帯電話でのデジタル写真撮影における重要性が高まってきており、大量生産するために低価格にする必要がある。マイクロプリズムのさらなる応用分野は、光ピックアップシステムにおけるビームスプリッタである。円柱状のマイクロレンズは、「速軸コリメータレンズ（ＦＡＣ）」としてダイオードレーザのビーム整形に用いられる。

断面が小さい光学ガラス素子を製造する既知の方法の１つは、延伸プロセスを用いることである。この場合、一般には、選ばれたプリフォームまたは選ばれた断面の連続したガラスストランドが加熱装置に給送される。ガラスは、塑性変形可能になるまで加熱される。延伸装置が、加熱装置からガラスストランドを引き出すことにより、ドローバルブ（draw bulb）を形成する。この延伸操作により、ガラスストランドの断面は目標通りに縮小し、次いで、ガラスストランドは延伸されたガラスストランドから、例えば切断によって切り離され、所望のサイズまたは長さのガラス素子が形成される。

この場合の主な目的は、ガラスストランドを所望の断面に縮小するとともに、プリフォームの幾何形状を、できるかぎり、その基本的幾何形状を変化させることなく、最終製品または製造されるガラス素子の最終形状に引き継ぐことである。かかる方法における重要なパラメータとしては、ガラスストランドを加熱装置に給送する速度、加熱装置のサイズ、ガラスストランドの最適な粘度を得るために加熱装置において選択される温度、および加熱装置からガラスストランドを引き出す速度が挙げられる。

延伸プロセスによって、プリフォームの基本的な幾何形状または輪郭は製造されるガラス素子に引き継がれるが、変形は避けられない。例えば、ガラスストランドの断面に沿って、元は平坦な側面から凹状の側面が形成され、その結果、或る特定の状況下では、形成されるガラス素子の最終形状がプリフォームと著しく異なってしまう場合がある。これにより、研削やその後の研磨によってこの変形を修正するためのさらなる作業工程が必要となり、かかる作業は上述した理由から、断面が小さい現在の光学部品の場合には非常に複雑なものとなる。

かかる変化を最小にするため、従来の措置としては、特に、できる限り正確に所望の最終形状に対応するプリフォームを選択すること、できる限り高い変形粘度を選択すること、ガラスストランドの均一な加熱を確保すること、加熱装置において経時的に一定の温度を選択すること、ガラスストランドの外周にわたってできる限り均一な温度、すなわち、理想的には長軸に沿って軸対称な温度分布を選択すること、および、ガラスストランドが加熱装置の中央に導かれ、かつガラスストランドの長軸が加熱装置の長軸上に、したがって温度場の対称軸上にできる限り正確に位置するように、加熱装置内にガラスストランドを導入または位置決めすることが挙げられる。

ガラス母材（parent glass）と、延伸された光学ガラス素子との断面の同一性を確保すると同時に、表面の平面度および平滑度を改善するために、ＵＳ２００２／００１４０９２Ａ１は、製造される光学ガラス素子の所望の断面とほぼ同一な断面を有するガラス母材を用意することを含む方法を記載している。この文献は、ガラス母材の断面が、製造される光学ガラス素子の断面とは異なる形状を意図的にとることを全く示していない。さらに、複合光学素子、例えば多角プリズムの場合、製造される光学ガラス素子の所望の断面とほぼ同一の断面を有するガラス母材を用意し、製造することは、かなりの労力、時間、したがって費用を費やす可能性がある。さらに、製品に所望される表面品質が高い場合、最終研磨が必要となる場合がある。

ＥＰ０８１９６５５Ｂ１は、公知の方法における管の幾何形状の狂いの原因が、例えば炉領域にある測定装置によって引き起こされる均一な温度場の乱れ、または温度場の対称軸に対する管の長軸の位置ずれにあると記載している。この問題を解消するために、当該文献は、軟化したガラス素材を、変形領域の外周の一部のみに延びる少なくとも１つの変形セクションにおいて、断面幾何形状に関して記憶された製品部品の所望の幾何形状からのずれに応じて、局部的に加熱または冷却する方法を記載している。この場合、冷却は、ガラス素材上にガス流を導くことによって行われる。この方法は、円形または環状の断面を有する部品が楕円状にならないようにする役割を果たす。しかしながら、ガラス素材の表面上に導かれるガス流は、表面品質、したがって光学ガラス素子の光学特性に悪影響を及ぼす場合がある。特にこれは、表面に近い領域において、ビーム経路を乱す不純物および応力を加える可能性がある。さらに、このガス流により、多角形の断面を有するガラスストランドのエッジが丸みを帯びる可能性がある。

加熱装置内において、軸対称の温度分布が最適であり、かつガラスストランドの位置決めが最適であれば、軸対称の断面を有するガラスストランドの場合にはガラスストランドの変形を回避することができるものの、軸対称ではない断面を有するガラスストランドの場合には回避することができない。任意の所望の断面幾何形状またはプリフォーム幾何形状を有するガラスストランドのガラス粒子は、ドローバルブ内の経路を延伸方向に対して垂直に外側から内側にも移動しなければならない。軸対称ではない断面の場合、これらの流路全てが同じ流動抵抗を有するわけではない。したがって、この軸対称ではない断面の場合、例え温度分布が均一であり、かつ表面張力作用が無視できる程度であっても、延伸方向への加速および質量保存に起因して縮小した断面は、元のプリフォーム幾何形状と同一ではなくなり、或る特定の状況下では類似さえしていない結果となる。

したがって、かかる背景技術に鑑み、本発明は、延伸プロセスを用いて（特に光学）ガラス素子を製造する、特に光学プリズムまたは光学レンズを製造する方法および装置を提供することを目的とするものであり、かかる装置および方法により従来技術の上述の欠点を回避することができる。

特に、本方法および本装置は、断面が小さい光学ガラス素子の製造に適している。

上記の目的は特に、表面品質、特に光学ガラス素子の表面品質を維持すると同時に、延伸プロセス中に不都合にも生じる変形を最小にするという目的、またある特定の状況下では、さらにこの変形を完全になくすという目的を包含している。これは、エッジの鋭さ、エッジ角度、表面の平面度、および低い表面粗さを維持することを含む。

上記の目的は、延伸プロセス中にガラスストランドの断面に沿って生じる、元は平坦な側面からの凹状の側面の形成を最小にし、またはなくすこと、および（特に光学）ガラス素子のエッジの鋭さ、エッジ角度、表面の平面度および低い粗さの精度を維持することを包含する。本発明は、例えば延伸操作後に研削および／または研磨によって表面品質を改善する処理等のさらなる操作の必要性を回避することを意図している。

したがって、かかる操作を行うための方法および装置の使用は、経済的に実行可能であり、かつ低価格であるべきである。

上記の目的は、複雑であり、それゆえ労働集約的で時間がかかり、かつ高価であるプリフォームまたは加熱マッフルの幾何形状の使用を回避するという目的、また装置をこのように正確に位置合わせする必要性、特に、加熱装置の中央にガラスストランドを正確に導入する必要性（これはかなりの支出を伴わずに行うことはできない）を回避するという目的を包含している。

さらに、本発明による方法およびそれを実施する装置は、製造が簡単であり、かつ従来の加熱装置または様々なタイプの加熱マッフルにおいて用いるのに適しているプリフォーム幾何形状の使用を可能にすることを意図している。

さらに、本方法およびそれを実施する装置は使用面での柔軟性を有する。すなわち、種々の幾何形状の、特に光学ガラス素子の使用、または種々の断面幾何形状のガラスストランドの使用に適している。

さらに、延伸プロセス中に生じる不都合な変形を最小にし、あるいは回避するだけでなく、本発明はさらに、設計活動を実際に行うという目的も有する。これは特に、延伸されたガラスストランドの断面幾何形状のアクティブかつ柔軟な設計を可能にすること、したがってガラス素子またはガラス素子幾何形状のアクティブかつ柔軟な設計を可能にすることを含む。

複雑な幾何形状を有するガラス素子は、それに対応して製造費用が高いプリフォーム幾何形状によってのみ得ることができるが、これに対して、本発明は、複雑な断面を有するガラス素子を単純で製造費用が安いプリフォーム幾何形状から製造することを可能にすることを意図している。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する（特に光学）ガラス素子を製造する方法と、請求項２２に記載の上記の方法を実施する装置とを用いるだけで、驚くほど簡単に達成することができる。それらの好ましい実施形態は、上記各請求項に従属する各請求項の主題を成している。

これに関連して、本発明は、変形を引き起こす要因を回避するよう試みるのではなく、延伸プロセス中に変形されるガラスストランドの傾向を補償することによってこの傾向を相殺するために、影響を及ぼす選択肢を提供するよう、かつ／またはさらなるプロセスパラメータを単に変えるよう試みるものである。

本発明は、その第１の実施形態では、延伸プロセスを用いて（特に光学）ガラス素子を製造する、特に光学プリズムまたは光学レンズを製造する方法を含む。この方法は、選ばれたプリフォームのガラスストランドを用意する工程；ガラスストランドを加熱装置に供給する工程；加熱装置内でガラスストランドを軟化させる工程；および延伸装置を通してガラスストランドを延伸する工程を含む。この方法においては、製造されるガラスストランドの幾何形状は、加熱装置の内部および／または外部の、ガラスストランドの外周または長軸の少なくとも一部の周りに位置する冷却体または加熱体によって制御される。

この場合のガラス素子としては、任意の所望の幾何形状を有するガラス素子、特に、多角プリズム、レンズ、ロッドレンズ、および凸面、凹面、球面、非球面、例えば楕円面、円筒面、または放物面を有するガラス素子が含まれる。これらガラス素子は本発明を何ら限定するものではなく、単なる例示として理解されるべきである。

本発明者らは、延伸プロセス中に生じる側面の不都合な変形、特に、延伸プロセス中にガラスストランドの断面に沿って不都合にも生じる、元は平坦な側面からの凹状の側面への変形が、加熱装置の内部または外部の、ガラスストランドの外周または長軸の少なくとも一部の周りに位置する冷却体または加熱体の本発明に従う配置によって回避されることを見出した。その結果、延伸されたガラスストランドの断面幾何形状がアクティブに制御される。

これに関連して、複数の冷却体または加熱体を用いることが必須であるわけではない。本発明によれば、冷却体または加熱体を１つだけ、加熱装置の内部または外部の、ガラスストランドの外周または長軸の周りに位置決めすることも可能である。さらに、１つの冷却体または複数の冷却体を、１つの加熱体または複数の加熱体と同時に用いることが可能である。

「冷却体」または「加熱体」という用語は、温かい表面または冷たい表面を有する素子を意味するものと理解されたい。これに関連して、「冷却体」は、ガラスストランドの表面上に導かれるガス流をも包含するものと理解すべきではない。

加熱装置の外部、したがって変形領域の外部に位置する冷却体または加熱体を用いた制御により、ガラスストランドの外周または長軸にわたる予冷または予熱が可能になり、あるいは加熱装置から引き出した後のより急速な冷却が防止または促進される。

したがって、延伸プロセス中に不都合にも生じる変形を補償しつつ回避することが可能になるだけでなく、本発明により、アクティブな設計を行うことも可能になる。本発明による冷却体または加熱体の配置、および本発明による目標温度分布の生成により、ガラスストランドの側面または幾何形状に、特にその断面全体に、さらにはその長手方向の範囲全体にアクティブに影響を及ぼすとともに、それらをアクティブに制御することが可能になる。これにより、延伸されたガラスストランドの断面幾何形状を、プリフォームの断面幾何形状とは独立して、アクティブまたは動的に、かつ柔軟に設計することができる。

このことは、ガラスストランドを断面で見た場合に、ほぼ凹状の少なくとも１つの側面を、ほぼ平坦な側面またはほぼ凸状の側面に変化させることを含む。さらに、本発明方法は、ガラスストランドを断面で見た場合に、ほぼ平坦な少なくとも１つの側面を、ほぼ凹状の側面またはほぼ凸状の側面に変化させることをも可能にし、さらには、ガラスストランドを断面で見た場合に、ほぼ凸状の少なくとも１つの側面を、ほぼ平坦な側面またはほぼ凹状の側面に変えることをも可能にする。

本発明のある実施形態においては、ガラスストランドを断面で見た場合に、ほぼ球面状の少なくとも１つの側面がほぼ非球面状の側面に変化し、あるいは、ガラスストランドを断面で見た場合に、ほぼ非球面状の少なくとも１つの側面がほぼ球面状の側面に変わる。

これに関連して、本発明方法を用いて形状の著しい変化、例えば凹状の側面から凸状の側面への変化をもたらすことは必須ではない。また、形状を著しく変化させずに、本体、この場合はガラス素子の表面を特徴付ける機能の個々の変数を変えること、例えば球体の一部分の表面の半径を変えることも本発明の範囲内に含まれる。

したがって、複雑な幾何形状を有する所望のガラス素子、例えば多角プリズムを、単純で製造費用が安い幾何形状、例えば円形のプリフォームを用いて形成または成形することが可能である。

したがって、本方法のさらなる実施形態にあっては、ガラスストランドのプリフォームの断面は、最終形状の断面とは異なる幾何形状で用意される。しかしながら、状況によっては、ガラスストランドのプリフォームの断面を、最終形状の断面と同一の形状で用意することが適している場合もある。

他の実施形態にあっては、プリフォーム断面が最終形状の断面とは異なるものになるように、またガラスストランドの最終形状の断面が所望の断面を有するようにプリフォームを規定することもできる。これにより、規定されたプリフォーム幾何形状の適切な選択によって、延伸プロセス中に生じる変形が補償される。このプリフォーム幾何形状は、最終形状からずれており、最終形状の幾何形状が所望の幾何形状に対応するように、延伸動作中に生じる変形によって成形することを特徴とする。

本発明の１つの特に有利な特徴は、冷却体または加熱体がガラスストランドと物理的に接触していないか、またはガラスストランドと物理的に接触しないことである。これにより特に、ビームプロファイルへの著しい干渉をもたらし得る、表面に近い領域の破壊的な不純物および応力の形成が防止される。さらに、このように構成することで、例えば多角形の断面を有するガラスストランドの場合の、冷却目的のためにガス流がガラス素子の表面に直接導かれることによってエッジが丸みを帯びる可能性を回避することが可能である。

より具体的には、側面の幾何形状の制御に加えて、本発明による冷却体または加熱体の配置によって、エッジの鋭さ、すなわち、輪郭の精度およびエッジにより形成される角度の精度をも制御することも可能である。

温度分布は、延伸操作中にオンラインで制御することができる。この場合、延伸されたガラスストランドの幾何形状および寸法は、例えば、加熱装置内での、または加熱装置外での、延伸後の、延伸されたガラスストランドの光学スキャンによって決定される。その結果、製造されるガラスストランドの断面の所望の幾何形状または所望の寸法からずれている場合、それに応じて、加熱装置の内部または外部でガラスストランドの外周または長軸の一部の周りに位置する冷却体または加熱体によって、温度分布または温度プロファイルを制御することができる。

所望の温度プロファイルは、特に、冷却体または加熱体の導入、配置、または位置決めによって、あるいはそれらの冷却または加熱パワーによって制御することができる。

この場合、冷却体または加熱体は、ガラスが供給される側から、あるいはガラスが引き出される側から、加熱装置内へ完全にまたは部分的に導入される。冷却体または加熱体は、部分的に導入される場合、加熱装置の高さに対して１０％〜９５％程度まで、好ましくは６５％〜８５％程度まで、加熱装置内に導入される。

冷却体または加熱体の配置は、ガラスストランドの選択されたプリフォームに応じて決まり、冷却体または加熱体は、ガラスストランドの少なくとも１つの側面に沿って、または少なくとも１つの角に沿って配置されることが特に好ましい。冷却体または加熱体は、ガラスストランドの長軸に対して平行または傾斜して配置される。

冷却体または加熱体は、プリフォームから製造されるガラスストランドの断面と最適に一致する温度プロファイルまたは温度分布を生成するために、屈曲または湾曲した形状を有していてもよい。

冷却体または加熱体は、加熱装置に給送されるガラスストランドの表面、または加熱装置内のガラスストランドの表面、または延伸されたガラスストランドの表面から、０ｃｍ〜５０ｃｍ、好ましくは０．０１ｃｍ〜１０ｃｍ、特に好ましくは０．１ｃｍ〜５ｃｍの距離に位置する。

特に有利な一実施形態では、冷却体または加熱体は、一体的に、あるいは互いに独立的に、導入、配置、または位置決めされ、さらに、それらの加熱または冷却作用も個別的または一括的に制御することができる。

かかる個別の導入、配置、位置決め、または制御は、多数の異なる温度分布の生成を可能にし、種々のプリフォーム幾何形状およびガラスストランドにもたらされる最終形状に柔軟に合わせることができる。

本発明による冷却体または加熱体の配置により、ガラスストランドの外周またはガラスストランドの長軸の周りに或る温度プロファイルが生成される。この場合の温度は、ガラスストランドの外周またはガラスストランドの長軸にわたって、０℃〜１００℃、好ましくは１℃〜３０℃、特に好ましくは１℃〜１０℃の差を有する。

さらに、本発明による冷却体または加熱体は、従来の加熱装置においても用いることができる。さらに、温度分布に生じる乱れは、本発明による冷却体または加熱体によってアクティブに補償することができるため、加熱装置内でのガラスストランドの位置決めは重要ではない。

冷却体または加熱体は、全てが同じ幾何形状または寸法を有している必要はなく、むしろ生成される温度分布に合わせた幾何形状または寸法を有することができる。

ある実施形態では、冷却体または加熱体は、ほぼ中実体として、あるいは中空体として、特に管として設けられる。

中空体は、０．１ｃｍ〜３０ｃｍ、好ましくは０．１ｃｍ〜１０ｃｍ、特に好ましくは０．５ｃｍ〜３ｃｍの直径で、０．５ｃｍ〜１００ｃｍ、好ましくは１ｃｍ〜７５ｃｍ、特に好ましくは５ｃｍ〜５０ｃｍの長さで設けられる。

本発明によれば、中空体は、全てが同じ幾何形状または同じ寸法を有する必要はなく、むしろ、生成される温度分布、ガラスストランドの寸法および幾何形状、および加熱装置の寸法、幾何形状、および温度場に合わせた幾何形状または寸法を有することができる。

設定される温度に応じて、流体、特に空気が中空体に通される。流体は、この場合、周囲温度で、あるいは冷却または加熱形態で導入することができる。

温度は、中空体内の流体の流量によって制御される。この場合、流体は、０．０１リットル／分〜１，０００リットル／分、好ましくは０．１リットル／分〜２００リットル／分、特に好ましくは１リットル／分〜５０リットル／分の流量で中空体に通され、個々の冷却体または加熱体における流体の流量は、互いに一様に、あるいは独立的、すなわち個別に設定することが可能である。

この場合、冷却体または加熱体は、一端が開口している管として設計することができ、その開口内に亘って、特に同軸状に、それよりも小さい断面を有する、両端の開口した第２の管を、その第２の管の第１の開口が第１の管の内部に位置するように配置する。流体、この場合、空気は所定の流量で第２の管の第２の開口を介して第２の管内に流れ、第１の開口から流出する結果、第１の管内に流入し、次いで第１の管の開口から戻って出る。管を形成することができる材料としては、加熱装置内の温度に対して十分な耐熱性を有する材料が挙げられる。

流体を導入することにより、中空体は、加熱マッフルに対して０℃〜２，５００℃、好ましくは１０℃〜１，０００℃、特に好ましくは１０℃〜５００℃の温度差を有するように冷却または加熱される。

成形される光学ガラス素子の断面に応じて、以下の方法またはプロセスパラメータが設定される。加熱装置に供給されるガラスストランドの断面は、この場合、約０．２５ｃｍ^２〜２，５００ｃｍ^２、好ましくは１ｃｍ^２〜１００ｃｍ^２、特に好ましくは３ｃｍ^２〜３６ｃｍ^２の断面積で提供され、これは次いで、ガラスストランドの延伸により、１／２〜１／１００，０００、好ましくは１／２０〜１／３０，０００、特に好ましくは１／１００〜１／１０，０００に縮小される。

特に、光学ガラスであってＢＫ、ＳＦ、ＬＡＳＦ、ＬＡＦ、ＢＡＳＦ、ＢＡＦ、Ｋ、ＰＫ、ＰＳＫ、ＦＫ、ＳＫ、ＬＡＫ、ＳＳＫ、ＢＡＬＦ、ＬＬＦ、ＬＦ、Ｆ、ＬＡＫ系のもの、ならびに、Ｂ２７０、ホウケイ酸ガラス等のテクニカルガラスが、本発明において用いられる。列挙したガラスは、例示として理解すべきであり、決して本発明を限定するものではない。

延伸方法において重要なパラメータとしては、ガラスストランドが加熱装置に供給される速度、加熱装置のサイズ、ガラスストランドの最適な粘度を得るために加熱装置において選択される温度、およびガラスストランドが加熱装置から引き出される速度が挙げられる。

ガラスの延伸のために十分な粘度を確保し、延伸中に粘度が高すぎてガラスが破損することや粘度が低すぎて過度に変形することを防止するために、ガラスは、加熱装置内において１０^４ｄＰａｓ〜１０^１２ｄＰａｓ、好ましくは１０^５ｄＰａｓ〜１０^９ｄＰａｓの粘度に軟化される。

加熱装置内において適切なガラス粘度を得るために、通常、加熱マッフルとして設計される加熱装置は、約１００℃〜１，５００℃、好ましくは５００℃〜９００℃の温度である。

ある実施形態では、プリフォームに対する加熱装置の規定サイズ比は、ガラス素子の製造、特にプリズムの製造に好ましいものであることが有利である。この場合、加熱装置の直径の、ガラス素子の寸法、特にプリズムの辺長さまたは高さに対する比は、１．５〜１０、好ましくは２〜４になるように選択される。

軸対称の温度場を有する従来の加熱マッフルを用いることが可能である。この場合、加熱装置およびその温度分布に課される要求は特にない。

ある実施形態では、加熱装置の幾何形状は、目標温度分布を形成することによってガラスストランドの延伸中に成形プロセスを補助するように選択される。これは、単独の手段であってもよく、あるいは本発明の冷却体または加熱体と組み合わせて採用してもよい。

ガラスは、この場合、約１ｍｍ／分〜１００ｍｍ／分、好ましくは約３ｍｍ／分〜１５ｍｍ／分の速度で加熱装置に給送され、約１００ｍｍ／分〜３０，０００ｍｍ／分、好ましくは約１５０ｍｍ／分〜５，０００ｍｍ／分の速度で引き出される。

延伸されたガラスストランドは、最終的には、例えば切断によって、延伸されたガラスストランドから分離されて、所望のサイズまたは長さのガラス素子が製造される。切断線は、この場合、ガラスストランドの長軸方向に対し垂直な断面と平行であってもよく、あるいは０°〜９０°の任意の所望の角度をなしていてもよい。

本発明方法は、延伸操作後のさらなる操作、例えば、研削、研磨、および／またはコーティングによって表面品質を改善させるための処理等の必要性をなくすが、優れた表面品質を得るためには、このような処理をさらに行うこともできる。

冷却体または加熱体のさらなる可能な実施形態としては、電気加熱体、サーマルバリアヒートシールド、あるいはレーザまたは火炎による直接表面加熱の使用を挙げることができる。

さらに、本発明は、選択ばれたプリフォームのガラスストランドから延伸プロセスを用いて（特に光学）ガラス素子を製造するための、特に光学プリズムまたは光学レンズを製造するための、特に本発明方法を実施する装置を含んでいる。この装置は、この場合、供給装置、加熱装置、および延伸装置を備え、冷却体または加熱体が、加熱装置の内部または外部の、ガラスストランドの外周の少なくとも一部の周りまたはガラスストランドの長さの少なくとも一部にわたって位置していることを特徴とする。

本発明の有利な一実施形態では、冷却体または加熱体は、ガラスストランドと物理的に接触していない。

冷却体または加熱体は、ガラスが供給される側から、またはガラスが引き出される側から、加熱装置内に完全に、あるいは部分的に導入され、ガラスストランドの少なくとも１つの側面に沿って、または少なくとも１つの角に沿って配置される。この場合、冷却体または加熱体は、ガラスストランドの長軸に対して平行に、または傾斜して配置されることができる。

冷却体または加熱体は、加熱装置に供給されるガラスストランドの表面、または加熱装置内にあるガラスストランドの表面、または延伸されたガラスストランドの表面から、０ｃｍ〜５０ｃｍ、好ましくは０．０１ｃｍ〜１０ｃｍ、特に好ましくは０．１ｃｍ〜３ｃｍの距離に位置する。

この場合、冷却体または加熱体は、それらの加熱または冷却パワーに関して一体的または互いに独立的に、導入、配置、位置決め、または制御される。

冷却体または加熱体は、ほぼ中実体として、あるいは中空体として、特に管として設けられ、その一端は閉鎖していてもよい。本発明における中空体は、０．１ｃｍ〜３０ｃｍ、好ましくは０．１ｃｍ〜１０ｃｍ、特に好ましくは０．５ｃｍ〜３ｃｍの直径を有し、かつ０．５ｃｍ〜１００ｃｍ、好ましくは１ｃｍ〜７５ｃｍ、特に好ましくは５ｃｍ〜５０ｃｍの長さを有する。

流体、特に空気は、０．０１リットル／分〜１，０００リットル／分、好ましくは０．１リットル／分〜２００リットル／分、特に好ましくは０．１リットル／分〜５０リットル／分の流量で中空体内を流れる。各冷却体または加熱体における流体の流量は、一様にまたは互いに独立して制御することができる。

流体を導入することにより、中空体は、加熱マッフルに対して０℃〜２，５００℃、好ましくは１０℃〜１，０００℃、特に好ましくは１０℃〜５００℃の温度差を有する。

さらに、本発明は、本発明によるプロセスによって製造することができる、ガラス素子、特に光学ガラス素子、例えば光学プリズム、レンズ、またはロッドレンズ等を含む。

このガラス素子は、その表面の少なくとも１つが、１０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、特に好ましくは０．１μｍ未満の平面度を有することを特徴とする。平面度という用語は、直線部分内の表面の高さまたは側面の高さの最大差を意味するものと理解されたい。特に、球面の場合、高さの最大差は、これらの表面を画定する円弧半径に対するものと理解されたい。

本発明を、例示的な実施形態に基づいて以下詳細に説明するが、この場合、種々の例示的な実施形態の特徴を互いに組み合わせることができる。これに関して、添付図面を参照する。個々の図面において、同一の参照符号は同じ部分を指す。

加熱装置の長軸に沿った概略図を一例として示す。 図１に示す装置の切断線Ｓ１に沿った断面図を一例として示す。 図１に示す装置のさらなる一実施形態の切断線Ｓ１に沿った断面図を一例として示す。 図１に示す装置のさらなる一実施形態の切断線Ｓ１に沿った断面図を一例として示す。 図１に示す装置のさらなる一実施形態の切断線Ｓ１に沿った断面図を一例として示す。 種々の冷却度に関して、側面に対する相対的位置の関数としての相対的側面収縮を一例として示す。 冷却体を通る空気流の関数としての加熱マッフルと冷却体との間の温度差を一例として示す。 加熱装置または加熱マッフルへの冷却体の相対侵入深さの関数としての歪みを一例として示す。 図１に示す装置の切断線Ｓ１に沿った断面図を一例として示す。

本発明を、以下の例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、加熱マッフルとして設計された加熱装置１の長軸に沿った概略図であり、ドローバルブを形成するように加熱装置１に供給３されて、加熱装置１から引き出される４ことによりドローバルブが形成されるガラスストランド２、および本発明による冷却体または加熱体５の配置の例示的な一実施形態とともに、一例として示す。図示の加熱装置は、その長軸に沿って軸対称の温度場を生成し、図示のガラスストランド２は、特に選択されたプリフォーム６の連続したガラスストランド２として、加熱装置に供給される。この場合、冷却体５は、直径０．６ｃｍで長さ２５ｃｍの、冷却フィンガとして知られる空気が流れる管を有しており、これらの管は、ガラスストランド２の外周にわたって配置され、かつ加熱装置１内に互いに異なる距離だけ既に導入されているか、または導入することができる。

図２ａは、三角プリズムの断面６を有するガラスストランド２の側面に沿った本発明による冷却体または加熱体５の配置の一実施形態を有する、図１に示す装置の切断線Ｓ１にそった中央断面または断面図を示す。

図２ｂも、さらなる実施形態の形態での、図１に示す装置の切断線Ｓ１に沿った断面図を示す。本発明による冷却体または加熱体５は、三角プリズムの断面６を有するガラスストランド２の側面および角に沿って配置される。

図３ａは、四角プリズムの断面６を有するガラスストランド２の１つの側面８に沿った本発明による冷却体または加熱体５の配置のさらなる実施形態を有する、図１に示す装置の切断線Ｓ１に沿った断面図を一例として示す。

図３ｂは、ロッドレンズの断面６を有するガラスストランド２の、切断線Ｓ１に沿って取った、本発明による装置のさらなる実施形態と、ロッドレンズの球面および平坦面上に配置された本発明による冷却体５とを一例として示す図である。

図４は、種々のレベルの冷却に関して、図２ａに示す側面７に対する冷却体５の相対位置の関数としての側面７の相対的側面収縮を一例として示す。ガラスストランド２は、Ｂ２７０から成り、二等辺プリズムの断面６を有し、タンク炉から側面の長さが約４ｃｍで直接自由に引き出され、すでに−０．９％の平均収縮率を有する。相対的側面収縮は、収縮とエッジ長さとの商から求められ、相対位置は、エッジに沿った位置とエッジ長さとの商から求められる。この場合、冷却体５が、回転対称な温度場を生成するとともに８１０℃の温度に設定されている加熱装置１に、約８０％の長さまで導入されており、側面の中央付近に約０．５ｃｍの距離に位置する。冷却は、冷却１、３から４へと増大する。冷却体５の温度は、それぞれ６５５℃および４７７℃である。冷却４の場合、温度は４７７℃に設定され、それに加えて、冷却体が１５％降下される。冷却を増大することにより、まず、延伸操作により生じる凹状収縮が最小になる。より集中的に冷却すると、凸状の形状が形成される。その結果、延伸中の側面の凹状収縮は、本発明による冷却体によってアクティブに補償することができる。さらに、本発明による冷却体５を用いると、設計効果をもたらし、かつ凹状の幾何形状の側面を凸状の形状の側面に変化させることさえ可能になる。

図５は、冷却体５を通る空気の流れの関数としての、加熱装置１と冷却体５との間の温度差を一例として示す。冷却体５を通る空気の流れが増加すると、冷却体はさらに冷却され、それにより、加熱装置の温度が一定である（この場合は約８１０℃）とすると、温度差が広がる。流量の関数としての温度差の拡大は、この場合、ほぼ線形である。直線は、各記号で表されている実験的に求められたデータへの適合度を示している。

図６は、加熱装置１への冷却体５の相対侵入深さの関数としての相対高さを一例として示す。但し、これは、（３ｃｍ×３ｃｍ）／２の断面積を有するＮ−ＢＫ７からできている（図３ａに示すような）四角グランドプリズムに関して、３リットル／分という一定流量のクーラントが冷却体５を流れる場合である。冷却体５は、この場合、側面８の中央付近に約０．１ｃｍの距離で位置する。相対高さは、側面の変形を特徴付け、側面の幅に対する側面の側面収縮（山対谷）の商から求められる。相対侵入深さは、加熱装置１への冷却体５の侵入深さＨと、加熱装置の全高との商から求められる。相対高さは、加熱装置１への冷却体５の侵入深さの増加とともに、ほぼ線形に減少することが分かる。歪みが０であり、側面が平坦である地点の値は、データの外挿（直線として図示されている）により求めることができる。

図７は、直角二等辺プリズムの断面６を有するガラスストランド２の側面に沿った本発明による冷却体５の配置の一実施形態を有する、図１に示す装置の切断線Ｓ１に沿った中央断面を一例として示す。

約５０ｍｍの側面１０の長さを有するＮ−ＢＫ７からできている直角二等辺プリズム９を、光ピックアップシステムに用いることができるこのマイクロプリズムの製造のためのガラスストランド２のプリフォーム６として用いる。このプリフォームは、約１０ｍｍ／分の速度で、約１５０ｍｍの直径を有する加熱装置に供給される。プリズムを製造する場合、側面１０の長さに対する加熱装置の直径のサイズ比は、２．５を超えることが有利である。３つの冷却体５が、プリズム９として設計されるガラスストランド２の断面の周りに上方から、加熱装置内に導入される。ガラスからの垂直距離は約０．５ｃｍである。冷却体５は、斜辺１１の中央にくるように位置する。プリズム９の側面１０上の冷却体５は、直角からプリフォームの側面１０の長さの約１／３の距離に位置する。加熱装置は、約７４０℃の温度まで加熱される。冷却体５は、室温において約６リットル／分の流量で、圧縮空気を用いて冷却される。正確な流量は、個々の側面１０、１１の平面度を試験する光学測定システムから所望の値を受け取る自動コントローラによって設定される。ガラスストランドは、約１，５６０ｍｍ／分の速度で平行グリッパによって引き出され、このプロセスにおいて７０ｍｍの長さに切断される。この方法で得られるプリズムは、４±０．１ｍｍの側面長さ、２ｎｍの粗度ＲＭＳ、０．１μｍ未満の平面度（ＰＶ）、および３０’’よりも良好なエッジにより形成される角度の精度を有する。

上述の各実施形態は例示として理解されるべきであることは、当業者には明らかであろう。本発明は、これらの実施形態に制限されるのではなく、むしろ、本発明の特許請求の範囲から逸脱せずに、多くの方法で変更することができる。

１ 加熱装置
２ ガラスストランド
３ 供給方向
４ 引き出し方向
５ 冷却体または加熱体
６ ガラスストランドのプリフォームまたは断面幾何形状
７ 三角プリズムの側面
８ 四角プリズムの側面
９ 直角二等辺プリズム
１０ 直角二等辺プリズムの側面
１１ 直角二等辺プリズムの斜辺
Ｓ１ 加熱装置の横軸に沿った切断線

Claims (33)

1. 光学ガラス素子の製造方法であって、
   選ばれたプリフォームのガラスストランドを用意する工程；
   該ガラスストランドを加熱装置内に供給する工程；
   該加熱装置内で該ガラスストランドを軟化させる工程；
   延伸装置を通して該ガラスストランドを延伸して該光学ガラス素子を形成する工程；
   該光学ガラス素子の幾何形状を、該加熱装置の内部の、該ガラスストランドの外周および／または長軸の少なくとも一部の周りに位置する冷却体によって制御する工程であって、
   該冷却体が実質的に中空体として設けられており、かつ該冷却体が、該ガラスストランドが供給される開口から、かつ／または該光学ガラス素子が引き出される開口から、該加熱装置内に完全にかつ／または部分的に導入される工程；及び
   該中空体を通して流体を、該ガラスストランドの表面上に流体の流れが導かれないように通過させる工程を有することを特徴とする光学ガラス素子の製造方法。
2. 前記冷却体が、前記ガラスストランドと物理的に接触しておらず、かつ／または該ガラスストランドと物理的に接触しない請求項１に記載の製造方法。
3. 前記冷却体が、前記ガラスストランドの少なくとも１つの側面に沿って、かつ／または少なくとも１つの角に沿って配置されている請求項１に記載の製造方法。
4. 前記冷却体が、前記ガラスストランドの長軸に対して平行に、かつ／または傾斜して配置されている請求項１に記載の製造方法。
5. 前記冷却体が、前記加熱装置に供給される前記ガラスストランドの表面、および／または前記加熱装置内の前記ガラスストランドの表面、および／または前記光学ガラス素子
   の表面から０．１ｃｍ〜３ｃｍの距離に位置する請求項１に記載の製造方法。
6. 前記冷却体が、一体的または互いに独立的に導入、配置、および／または位置される請求項１に記載の製造方法。
7. 前記中空体が、それぞれ、０．１ｃｍ〜１０ｃｍの直径及び５ｃｍ〜５０ｃｍの長さを有している請求項１に記載の製造方法。
8. 前記流体が、０．１リットル／分〜５０リットル／分の流量で前記中空体に通される請求項１に記載の製造方法。
9. 前記冷却体各々における前記流体の流量が一様または互いに独立に設定される請求項８に記載の製造方法。
10. 前記中空体に前記流体を通すことにより、前記中空体が、加熱マッフルに対して０℃〜２，５００℃の温度差を有するように冷却される請求項１に記載の製造方法。
11. 前記加熱装置が、前記ガラスストランドを１０^５ｄＰａｓ〜１０^９ｄＰａｓ、好ましくは１０^５ｄＰａｓ〜１０^９ｄＰａｓの粘度に軟化させる請求項１に記載の製造方法。
12. 前記加熱装置に給送される前記ガラスストランドが、該ガラスストランドの延伸により、１／２〜１／１００，０００の率で減少させられる断面積を有する請求項１に記載の製造方法。
13. 前記の選ばれたプリフォームが、前記光学ガラス素子の最終形状の断面とは異なるか又は同一の形状に形成された断面を有する請求項１に記載の製造方法。
14. 前記ガラスストランドが、該ガラスストランドを断面で見た場合に、凹状の少なくとも１つの側面を有しており、該少なくとも１つの側面が前記光学ガラス素子の平坦な側面および／または凸状の形状に変化する請求項１に記載の製造方法。
15. 前記ガラスストランドが、該ガラスストランドを断面で見た場合に、平坦な少なくとも１つの側面を有しており、該少なくとも１つの側面が前記光学ガラス素子の凹状の側面および／または凸状の形状に変化する請求項１に記載の製造方法。
16. 前記ガラスストランドが、該ガラスストランドを断面で見た場合に、実質的に凸状の少なくとも１つの側面を有しており、該少なくとも１つの側面が前記光学ガラス素子の平坦な側面および／または凹状の形状に変化する請求項１に記載の製造方法。
17. 前記ガラスストランドが、該ガラスストランドを断面で見た場合に、円形の少なくとも１つの側面を有しており、該少なくとも１つの側面が前記光学ガラス素子の非円形の形状に変化する請求項１に記載の製造方法。
18. 前記ガラスストランドが、該ガラスストランドを断面で見た場合に、非円形の少なくとも１つの側面を有しており、該少なくとも１つの側面が前記光学ガラス素子の円形の形状に変化する請求項１に記載の製造方法。
19. 側面及び端部を備えた選ばれたプリフォーム（６）を有するガラスストランド（２）から光学ガラス素子を製造する装置であって、
    該ガラスストランドを受容するための入り口開口及び該光学ガラス素子を排出するための出口開口を有する加熱マッフルの形状をした加熱装置（１）；
    該加熱装置（１）の該入り口開口に該ガラスストランド（２）を供給するための供給装置；
    該ガラスストランド（２）が該加熱装置を通過する際に、該ガラスストランド（２）の断面を小さくし、該光学ガラス素子を形成するための延伸装置；及び
    中空体の形状をし、該中空体中を通過する冷却流体によって冷却される壁を有する各冷却体（５）であって、該入り口開口または該出口開口を通して該加熱マッフル内に該ガラスストランド（２）に沿って、該ガラスストランド（２）の外面の周りの一以上の部分に位置するように、かつ該各冷却体間に自由空間を残し、それによって一方では該加熱マッフルと該ガラスストランドプリフォーム（６）の該表面上の第１の各帯状部分との間に、かつ他方では該各冷却体と該ガラスストランドプリフォーム（６）の該表面上の第２の各帯状部分との間に放射による熱交換が存在するように、それによって該ガラスストランドプリフォーム（６）の該表面ガラスの粘度に異なる影響を与えるようにかつ該延伸装置により延伸されている該ガラスストランドプリフォーム（６）の該側面のあらゆる収縮を制御するように延在している各冷却体（５）を含むことを特徴とする装置。
20. 前記各冷却体（５）が前記ガラスストランド（２）と物理的に接触していない請求項１９に記載の装置。
21. 前記各冷却体（５）が、前記ガラスストランド（２）の長軸に対して平行に、かつ／または傾斜して配置されている請求項１９又は２０に記載の装置。
22. 前記各冷却体（５）が、前記ガラスストランド（２）の前記表面から０．１ｃｍ〜３ｃｍの距離に位置している請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の装置。
23. 前記各冷却体（５）が、一体として、または互いに独立して、導入され、配置され、位置決めされ、かつ／または制御可能である請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の装置。
24. 前記中空体が、０．１ｃｍ〜１０ｃｍの直径を有し、かつ５ｃｍ〜５０ｃｍの長さを有する請求項２９に記載の装置。
25. 前記冷却流体が空気である請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の装置。
26. 前記冷却流体が、前記中空体内で、０．１リットル／分〜５０リットル／分の流量を有する請求項２５に記載の装置。
27. 前記冷却体（５）の各々における前記冷却流体の流量が一様にまたは独立的に設定される請求項２６に記載の装置。
28. 前記冷却流体を導入することにより、前記中空体が、前記加熱マッフルに対して０℃〜２，５００℃の温度差を有する請求項１９〜２７のいずれか一項に記載の装置。
29. 前記加熱装置内の前記ガラスが、１０^５ｄＰａｓ〜１０^９ｄＰａｓの粘度である請求項１９〜２８のいずれか一項に記載の装置。
30. 前記延伸されたガラスストランドの断面が、前記加熱装置に給送される前記ガラスストランドの断面積と比較して、１／２〜１／１００，０００に縮小された断面積を有する請求項１９〜２９のいずれか一項に記載の装置。
31. 前記ガラスストランドの前記プリフォームが、前記光学ガラス素子の最終形状の断面と異なるか、または同一の幾何形状を有する請求項１９〜３０のいずれか一項に記載の装置。
32. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法により製造された光学ガラス素子。
33. １０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、特に好ましくは０．１μｍ未満の平面度を有する表面を有している請求項３２に記載の光学ガラス素子。

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