JP2014139117A - 光学素子の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビスマスを含む光学素材を用いた成形であっても、曇りや外観品質の劣化を防止しつつ効率的に生産を行うことができる光学素子の成形方法を提供する。
【解決手段】ビスマスを含む光学素材を、ビスマスの融点以上かつ光学素材の徐冷点未満の温度となるように温度制御して、加熱処理する加熱処理工程Ｓ１と、加熱処理工程Ｓ１にて加熱処理された光学素材を加熱してプレスすることにより、光学素子を成形する成形工程Ｓ３と、を備える、光学素子の成形方法とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子の成形方法に関する。例えば、ビスマスを含む光学素材をプレス成形する光学素子の成形方法に関する。

近年、カメラなどの光学機器では薄型化などの目的のため、高屈折率を有するビスマス（Ｂｉ）系ガラスの非球面レンズが多く用いられている。しかし、Ｂｉ系ガラスは、Ｂｉの還元性が高いため、成形による曇りや着色などの不具合が生じ易い。
Ｂｉを含有するガラス材料には、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）が含まれている。Ｂｉ_２Ｏ_３は不安定なため、酸素が解離して金属状態のビスマスに変化し易いという性質を持つ。金属状態のＢｉは、成形型による加工の際に、ガラス材料に圧力がかかってガラス材料が変形するため、Ｂｉが光学素子の表面に析出しやすい。
このように、金属状態のＢｉが光学素子の表面に析出すると、光透過の妨げとなり、表面の白濁が発生する。
これに対して、特許文献１、２に記載の技術では、成形前に光学素材を加熱処理し、ガラス表面のビスマス濃度を下げたり、酸化状態にしてから成形したりすることで不具合を低減することが提案されている。
例えば、特許文献１に記載の光学素子の成形方法では、光学素材を、粘度ηが１×１０^７ｄＰａ・ｓ超１×１０^１０ｄＰａ・ｓ以下の範囲となる温度で加熱処理する加熱処理工程を有している。具体的には、光学素材が、Ｂｉ_２Ｏ_３を光学素材中に２０モル％以上含有するリン酸ビスマスニオブ系の光学素材の場合、加熱処理工程における加熱温度は５００〜５８０℃である。
特許文献２に記載のガラスレンズ製造方法では、ガラス材料をそのガラス転移温度以上、屈伏温度以下の温度でアニールするステップを備えている。具体的には、４６０℃以上４９０℃以下で、大気開放下のプリフォーム硝材をアニールすることが記載されている。

特開２０１２−０７２０３１号公報 特開２０１１−１８４２５７号公報

しかしながら、上記のような従来の光学素子の成形方法には、以下のような問題があった。
特許文献１、２に記載の技術では、成形前に加熱する工程を有することにより、成形前のガラス材料の表面における金属状態のビスマスの量を低減して、曇りなどの不具合を低減することができる。
しかし、特許文献１、２で行うような高温の加熱を行うと、成形工程に移行する前に常温に戻す際に長い冷却時間が必要となるという問題がある。生産性向上のために、ガラス材料を急冷するとガラス材料そのものにクラックが入ってしまうという問題がある。
すなわち、従来技術では、曇りを除去しつつ生産性を向上しようとすると、クラックが残るため外観品質の良好な光学素子が得られないという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、ビスマスを含む光学素材を用いた成形であっても、曇りや外観品質の劣化を防止しつつ効率的に生産を行うことができる光学素子の成形方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様の光学素子の成形方法は、ビスマスを含む光学素材を、ビスマスの融点以上かつ前記光学素材の徐冷点未満の温度となるように温度制御して、加熱処理する加熱処理工程と、該加熱処理工程にて加熱処理された前記光学素材を加熱してプレスすることにより、光学素子を成形する成形工程と、を備える方法とする。

上記光学素子の成形方法においては、前記加熱処理工程では、前記光学素材を、ビスマスの融点以上かつ前記光学素材の徐冷点より２０度低い上限温度未満の温度となるように温度制御して、加熱処理することが好ましい。

上記光学素子の成形方法においては、前記光学素材は、酸化ビスマスを４０ｗｔ％以上含有していることが好ましい。

上記光学素子の成形方法においては、前記加熱処理工程では、酸素濃度１％以上の酸化性雰囲気にて、前記光学素子の加熱処理を行うことが好ましい。

本発明の光学素子の成形方法によれば、成形前に、ビスマスの融点以上かつ光学素材の徐冷点未満の温度となるように温度制御して加熱処理するため、ビスマスを含む光学素材を用いた成形であっても、曇りや外観品質の劣化を防止しつつ効率的に生産を行うことができるという効果を奏する。

本発明の実施形態の光学素子の成形方法で製造された光学素子の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態の光学素子の成形方法に用いる成形型組立体の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態の光学素子の成形方法の工程フローを説明するフローチャートである。 本発明の実施形態の光学素子の成形方法に用いることができる成形装置の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の実施形態の光学素子の成形方法の成形終了時の成形型組立体を示す模式的な断面図である。

以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態の光学素子の成形方法で製造された光学素子の一例を示す模式的な断面図である。図２は、本発明の実施形態の光学素子の成形方法に用いる成形型組立体の構成を示す模式的な断面図である。図３は、本発明の実施形態の光学素子の成形方法の工程フローを説明するフローチャートである。図４は、本発明の実施形態の光学素子の成形方法に用いることができる成形装置の構成を示す模式的な断面図である。図５は、本発明の実施形態の光学素子の成形方法の成形終了時の成形型組立体を示す模式的な断面図である。

本実施形態の光学素子の成形方法は、ビスマス（Ｂｉ）を含む光学素材をプレス成形して、光学素子を成形する方法である。
光学素子の種類としては、Ｂｉを含む光学素材を用いた光学素子であれば特に限定されず、例えば、レンズ、プリズム、ミラー、フィルタ、基板などの光学素子の例を挙げることができる。いずれの場合も、光学有効領域の表面は曲率を有していてもよいし、曲率を有しない平面であってもよい。また、曲率を有する場合には凸面でも凹面でもよい。また、曲率を有する面形状は特に限定されず、球面、非球面、自由曲面等適宜の面形状を採用することができる。
以下では、一例として、光学素子が、図１に示すレンズ３０（光学素子）の場合の例で説明する。

レンズ３０は、フランジ付きのメニスカスレンズであり、光学面として、凸面からなる第１面３０ａと、凹面からなる第２面３０ｂとを有しており、これら光学面の外周側には、外周が円形で光軸方向に一定の厚さを有するフランジ部３０ｃが形成されている。
レンズ３０を成形するＢｉ系の光学素材は、屈折率を高めるとともにガラスを軟化させる効果がある酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）を含むガラス材料である。
このようなＢｉ系のガラス材料としては、Ｂｉ_２Ｏ_３を含む周知のプレス成形用のガラス材料を、すべて採用することができる。例えば、本実施形態では、Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が４０ｗｔ％以上であっても良好に成形を行うことが可能である。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が４０ｗｔ％以上であると高屈折率のレンズ３０を成形によって製造することができるため好ましい。
光学素材中のその他の成分としては、周知のガラス成分の他にも、例えば、Ｐ_２Ｏ_５、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＷＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧｅＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等を含有することが可能である。

レンズ３０は、本実施形態の光学素子の成形方法により、図２に示す光学素子成形型組立体５を用いて、ガラス素材４（光学素材）をプレス成形することにより製造される。
光学素子成形型組立体５は、下型１、上型２、およびスリーブ３を含む成形型内にガラス素材４を配置して構成される。

下型１は、レンズ３０の第１面３０ａおよび第１面３０ａ側のフランジ部３０ｃの形状を成形する成形面１ａを上端部に有する略円柱状の部材である。
上型２は、レンズ３０の第２面３０ｂおよび第２面３０ｂ側のフランジ部３０ｃの形状を成形する成形面２ａを下端部に有し、上端部に下端側よりも大径のフランジ形状を有する段付き円柱状の部材である。
スリーブ３は、下型１および上型２をそれぞれ下端側、上端側から嵌合させ、軸方向に移動可能に保持するスリーブ内周面３ａを有する円筒状の部材である。
スリーブ内周面３ａは、組立時に下型１の成形面１ａよりも上側の一定の領域は、レンズ３０のフランジ部３０ｃの外周側面の形状を成形する成形面になっている。
スリーブ３の側面には、スリーブ内周面３ａにおいて軟化したガラス素材４が入り込まない程度の開口を有し、気体が流通可能な気体流通孔３ｂが径方向に貫通して設けられている。

下型１、上型２、およびスリーブ３は、耐酸化性が高い材質で製造されている。本実施形態では、いずれも、例えば、タングステンカーバイド（ＷＣ）等を含む超硬合金、ＳｉＣなどのセラミックス材料等を精密加工して製作されている。
また、成形面１ａ、２ａ、および成形中にガラス素材４と接触するスリーブ内周面３ａには、ガラスとの離型性を向上させるために離型膜が形成されている。離型膜としては、酸化性雰囲気における使用に耐える耐酸化性が良好な材質、例えば、窒化クロム（ＣｒＮ）膜や、白金イリジウム膜などを採用することができる。

ガラス素材４は、レンズ３０を構成するＢｉ系のガラス硝材を、レンズ３０の成形に必要な質量だけ秤量して塊状に形成したものである。図２では、ガラス素材４を球状に描いているが、ガラス素材４の形状は球形状には限定されず、楕円体状、円板状、レンズ３０の外形に近似した形状などの適宜形状も採用することができる。
ガラス素材４の製造方法は、例えば、成形加工、母材からの研削・研磨加工など適宜の製造方法を採用することができる。
ガラス素材４は、光学素子成形型組立体５において、成形面１ａ、２ａ、およびスリーブ内周面３ａに囲まれた成形空間Ｓに、下型１と上型２によって挟持した状態で配置されている。
成形空間Ｓは、気体流通孔３ｂによって光学素子成形型組立体５の外部と連通している。
このような組立状態で、上型２のフランジ部は、スリーブ３の上端部との間に隙間を空けて配置されている。

このような構成の光学素子成形型組立体５を用いてレンズ３０を製造するには、図３に示すように、加熱処理工程Ｓ１、冷却工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、および脱型工程Ｓ４をこの順に行う。
本実施形態では、加熱処理工程Ｓ１、冷却工程Ｓ２、成形工程Ｓ３は、図４に示す光学素子製造装置１０を用いて行う。
まず光学素子製造装置１０の構成について説明する。

光学素子製造装置１０は、図４に示すように、加熱処理室１１、待機室１２、および成形室１３がこの順に隣接して配置された構成を有する。
光学素子製造装置１０の内部には、加熱処理室１１、待機室１２、および成形室１３の各室内とこれらの各室との間にて、光学素子成形型組立体５を水平方向に搬送する図示略の搬送機構が設けられている。このような搬送機構の一例としては、例えば、ロボットアームを挙げることができる。

加熱処理室１１は、後述する加熱処理工程Ｓ１を行うための装置部分である。
本実施形態では、加熱処理室１１は、側面に、光学素子成形型組立体５を搬入するための搬入口１１ａと、光学素子成形型組立体５を搬出するための搬出口１１ｂとが設けられ、その間に、光学素子成形型組立体５を載置する載置台１１ｃが設けられたチャンバーを有している。
光学素子成形型組立体５は、下型１の下端面１ｂおよびスリーブ３の下端面を下に向けた状態で、上型２の上端面２ｂが最上面となる姿勢で載置第１１ｃに載置され、この姿勢を保持して、水平方向に搬送されていく。
搬入口１１ａ、搬出口１１ｂには、それぞれを開け閉めするためのシャッター１４Ａ、１４Ｂが設けられている。

また、加熱処理室１１には、内部の酸素濃度を制御するため、図示略のガス供給部に接続されたガス供給管路１６が設けられている。
加熱処理室１１内の酸素濃度は、加熱処理室１１内で加熱処理される際に、ガラス素材４の表面に生じるＢｉの酸化を促進できる濃度に制御する。このような好適な酸素濃度としては、１％以上が好ましい。
酸素濃度は、多ければ多いほどＢｉの酸化が促進されるため、後述する加熱処理工程Ｓ１に要する時間を短縮することができる。
ただし、酸素が過剰になりすぎると成形型の酸化が進みやすくなるため、酸素濃度は、例えば、５％以下にすることが好ましい。
ガス供給管路１６から供給するガスとしては、酸素ガス、または酸素ガスと好適な酸素濃度を達成できる他のガスとを含む混合ガスを採用することができる。
混合ガスの場合、例えば、一酸化窒素、二酸化窒素、オゾン等のいわゆる活性酸素と称されるガスを含めることが可能である。この場合、加熱雰囲気下で活性酸素に含まれる酸素もＢｉを酸化するため、Ｂｉの酸化がさらに促進される。

加熱処理室１１の内部には、加熱処理室１１内に搬送された光学素子成形型組立体５および加熱処理室１１内の雰囲気を加熱して、温度制御するためのヒーター１５が設けられている。
ヒーター１５の構成は、光学素子成形型組立体内のガラス素材４の温度を、Ｂｉの融点である２７１．５℃以上、かつガラス素材４の徐冷点未満の温度となるように温度制御できれば、特に限定されない。ヒーター１５としては、例えば、電熱などを用いるものを採用することができる。

待機室１２は、成形室１３に酸素を混入させないように、真空引きを行うための装置部分である。
本実施形態では、待機室１２は、側面に、光学素子成形型組立体５を搬入するための搬入口１２ａと、光学素子成形型組立体５を搬出するための搬出口１２ｂとが設けられ、その間に、光学素子成形型組立体５を載置する載置台１２ｃが設けられたチャンバーを有している。
また、待機室１２は、このチャンバー内部を真空引きするため、図示略の真空ポンプに接続されるとともに、必要に応じて冷却用のガスを供給可能な真空引き管路１７Ａを有している。
冷却用のガスとしては、特に限定されないが、本実施形態では、後述するガスＧ_Ｏを常温状態で供給できるようになっている。
載置台１２ｃは、隣接する加熱処理室１１の載置台１１ｃと同じ高さに設けられており、これにより、光学素子成形型組立体５を水平搬送することが容易になっている。
搬入口１２ａは、加熱処理室１１の搬出口１１ｂと対向する位置に近接して配置され、その開け閉めは、シャッター１４Ｂによって行われる。
搬出口１２ｂには、開口部を開け閉めするためのシャッター１４Ｃが設けられている。
シャッター１４Ｂ、１４Ｃが閉じられたとき、待機室１２は気密が保たれるようになっている。

本実施形態では、待機室１２は、後述するように、加熱処理された光学素子成形型組立体５を放熱により冷却する装置部分も兼ねている。

成形室１３は、後述する成形工程Ｓ３を行うための装置部分である。
本実施形態では、成形室１３は、側面に、光学素子成形型組立体５を搬入するための搬入口１３ａと、光学素子成形型組立体５を搬出するための搬出口１３ｂとが設けられたチャンバーを有している。
搬入口１３ａは、待機室１２の搬出口１２ｂと対向する位置に近接して配置され、その開け閉めは、シャッター１４Ｃによって行われる。
搬出口１３ｂには、開口部を開け閉めするためのシャッター１４Ｄが設けられている。
シャッター１４Ｃ、１４Ｄが閉じられたとき、成形室１３は気密が保たれるようになっている。

また、成形室１３には、内部の雰囲気を不活性ガス置換するため、図示略の真空ポンプに接続された真空引き管路１７Ｂと、図示略の不活性ガス供給部に接続された不活性ガス供給管路１８が設けられている。
不活性ガス供給管路１８から供給される不活性ガスの例としては、例えば、窒素ガス、Ａｒガスなどを挙げることができる。本実施形態では、窒素ガスを採用している。

成形室１３の内部には、搬入口１３ａと搬出口１３ｂとの間に、加熱ステージ１９、プレスステージ２０、および冷却ステージ２１が、搬入口１３ａ側からこの順に隣接して設けられている。

加熱ステージ１９は、光学素子成形型組立体５を上下から挟持して加熱することにより、光学素子成形型組立体５内のガラス素材４に軟化させる装置部分である。
加熱ステージ１９の概略構成は、光学素子成形型組立体５を載置して光学素子成形型組立体５を下方から加熱する下加熱板１９ａと、下加熱板１９ａとの間に光学素子成形型組立体５を挟んで光学素子成形型組立体５の上端部から加熱する上加熱板１９ｂと、上加熱板１９ｂを昇降させて、上加熱板１９ｂが光学素子成形型組立体５の上端部に当接する状態と上方に離間する状態とを切り替えるエアーシリンダー２２Ａとを備える。
下加熱板１９ａ、上加熱板１９ｂの内部には、ヒーター等の温調機構が内蔵され、加熱温度を適宜値に設定したり、温度制御したりすることができる。

プレスステージ２０は、光学素子成形型組立体５を上下から加熱するとともに加圧することにより、光学素子成形型組立体５内で軟化したガラス素材４を変形させ、成形面１ａ、２ａ、およびスリーブ内周面３ａに接触するガラス素材４の表面に、これら成形面１ａ、２ａ、およびスリーブ内周面３ａの形状を転写する装置部分である。
プレスステージ２０の概略構成は、光学素子成形型組立体５を載置して光学素子成形型組立体５を下方から加熱する下加熱板２０ａと、下加熱板２０ａとの間に光学素子成形型組立体５を挟んで光学素子成形型組立体５の上端部から加熱する上加熱板２０ｂと、上加熱板２０ｂを昇降させて、下降時に、上加熱板２０ｂを介して、光学素子成形型組立体５の上型２に加圧力を伝達するエアーシリンダー２２Ｂとを備える。
下加熱板２０ａ、上加熱板２０ｂの内部には、下加熱板１９ａ、上加熱板１９ｂと同様のヒーターが内蔵され、加熱温度を適宜値に設定したり、温度制御したりすることができる。

冷却ステージ２１は、光学素子成形型組立体５を上下に挟持して冷却する装置部分であり、光学素子成形型組立体５を載置して光学素子成形型組立体５を下方から冷却する下冷却板２１ａと、下冷却板２１ａとの間に光学素子成形型組立体５を挟んで光学素子成形型組立体５を上方から冷却する上冷却板２１ｂと、上冷却板２１ｂを昇降して、下降時に上冷却板２１ｂを光学素子成形型組立体５の上型２に押しつけるエアーシリンダー２２Ｃとを備える。
下冷却板２１ａ、上冷却板２１ｂの内部には、ヒーターが内蔵され、冷却温度が制御可能になっている。

光学素子製造装置１０を用いて行う加熱処理工程Ｓ１、冷却工程Ｓ２、成形工程Ｓ３について説明する。成形条件等の具体的な数値例については、以下のようなレンズ３０の一具体例の場合の例で説明する。
レンズ３０の外径、レンズ厚は、それぞれ３．３ｍｍ、０．４ｍｍである。
レンズ３０の材質は、Ｂｉ系ガラス材料であるＬ−ＢＢＨ２（商品名；（株）オハラ製、屈折率ｎ_ｄ：２．１０、Ａｔ（屈伏点）：４２５℃、Ｔｇ（ガラス転移点）：４０４℃、徐冷点：３８７℃）とする。
このようなレンズ３０を製造するため、ガラス素材４は、Ｌ−ＢＢＨ２からなる直径２．８５ｍｍの球形プリフォームを用いる。

加熱処理工程Ｓ１は、ガラス素材４を、ビスマスの融点以上かつガラス素材４の徐冷点未満の温度となるように温度制御して、加熱処理する工程である。
本工程では、シャッター１４Ａを開いて、加熱処理室１１の搬入口１１ａから光学素子成形型組立体５を加熱処理室１１内に搬入し、シャッター１４Ａを閉じた状態とする。次に、ガス供給管路１６から酸素を含むガスＧ_Ｏを供給し、加熱処理室１１内の酸素濃度を１％以上となるように酸素濃度を調整する。
本実施形態では、一例として、ガスＧ_Ｏは、Ａｒが９５％、Ｏ_２が５％の組成を採用している。加熱処理室１１内の酸素濃度としては、５％に設定している。
光学素子成形型組立体５は、気体流通孔３ｂを通して、気体が流通可能になっているため、ガスＧ_Ｏはガラス素材４の周囲にも満たされる。

次に、ヒーター１５による加熱を開始し、ガラス素材４の徐冷点である３８７℃を越えないように、Ｂｉの融点である２７１．５℃以上の温度に昇温し、温度範囲を２７１．５℃以上３８７℃未満に保つように、ヒーター１５の制御を行う。
徐冷点はガラス転移点よりも低く、かつガラス素材４にかかる荷重も上型２の自重のみであるため、本工程においてガラス素材４は流動して変形することはない。
本実施形態では、一例として、加熱処理室１１内の雰囲気温度を３５０℃まで昇温し、３５０℃±５℃の状態を１０００秒間保持した後、ヒーター１５の加熱を停止する。
本実施形態の具体例においては、ガラス素材４は、加熱開始後、約６０秒で、３５０℃となり、ガラス素材４は、加熱終了まで約１０００秒間、略この温度に保持されている。
以上で、加熱処理工程Ｓ１が終了する。

ガラス素材４は、製造されてからプリフォームに形成されるまで時間が経過するうちに、Ｂｉ_２Ｏ_３の還元が進んで、表層部には金属状態のＢｉが分布している。このため、成形のため、ガラス素材４を加熱すると、これらのＢｉが集積しガラス内を移動して表面に析出し易くなっている。
本工程では、ガラス素材４が酸素濃度１％以上の酸化性雰囲気下で、Ｂｉの融点以上に加熱することにより、ガラス素材４内の金属状態のＢｉの酸化を促進する。これにより、ガラス素材４の表層のＢｉは、周囲の酸素により酸化されてＢｉ_２Ｏ_３に戻り、ガラス素材４の成分が回復される。
また、本工程では、徐冷点未満で加熱するため、粘度がきわめて大きい状態で加熱される。このため、ガラス成分の流動によって金属状態のＢｉの析出が促進されることが抑制される。また、析出した金属状態のＢｉも集積しにくくなる。

次に、冷却工程Ｓ２を行う。本工程は、加熱処理されたガラス素材４を冷却する工程である。
本実施形態では、光学素子成形型組立体５を加熱処理室１１から待機室１２に移動して、放熱させることにより徐冷する。
すなわち、シャッター１４Ｂを開いて、加熱処理室１１と待機室１２とを連通させる。このとき、シャッター１４Ｃは閉じられており、このため、待機室１２と成形室１３とは連通されていない。
この状態で、加熱処理室１１の搬出口１１ｂから待機室１２の搬入口１２ａに向けて光学素子成形型組立体５を搬送する。光学素子成形型組立体５が待機室１２内に移動したら、シャッター１４Ｂを閉じる。

待機室１２は、加熱処理室１１と独立しているため、常温の雰囲気とされている。
シャッター１４Ｂが開かれると、加熱処理室１１の加熱雰囲気が流入するが、シャッター１４Ｂを閉じるとともに、真空引き管路１７Ａを通して常温のガスＧ_Ｏを流し続け、光学素子成形型組立体５およびガラス素材４を冷却する。
このとき、本実施形態では、加熱処理室１１における加熱温度が、徐冷点未満であるため、冷却速度が同じであっても、より高温で加熱処理する場合に比べて、冷却に要する時間が短縮される。
光学素子成形型組立体５およびガラス素材４が冷却されたら、真空引き管路１７Ａを通して真空引きし、ガスＧ_Ｏを含む室内雰囲気を排出する。これにより、光学素子成形型組立体５の成形空間Ｓ内の酸化性雰囲気も、待機室１２の外部に真空引きされて除去される。

クラックの発生を抑制するためには、加熱処理工程Ｓ１における加熱温度が低いほど好ましい。例えば、徐冷点よりも２０℃低い上限温度未満であるとより好ましい。本実施形態の具体例では、加熱温度は、２７１．５℃以上３６７℃未満であることがより好ましい。

ガラス素材４の温度が、５０℃以下になるまで冷却が進んだら、真空引きを停止する。例えば、本実施形態の具体例の条件では、約３０秒で冷却が完了する。
以上で、冷却工程Ｓ２が終了する。

次に、成形工程Ｓ３を行う。本工程は、加熱処理工程Ｓ１にて加熱処理されたガラス素材４を加熱してプレスすることにより、レンズ３０を成形する工程である。
本工程を行うには、まず、シャッター１４Ｃを開放し、搬入口１３ａを通して、光学素子成形型組立体５を成形室１３の加熱ステージ１９に移動し、シャッター１４Ｃを閉じる。
このとき、成形室１３の雰囲気は、予め不活性ガスＧ_Ｎに置換されている。待機室１２は、真空引きされているため、加熱処理室１１の酸化性雰囲気は待機室１２には残存しておらず、シャッター１４Ｃを開放しても成形室１３は不活性ガスＧ_Ｎに置換された非酸化性雰囲気のままである。

加熱処理されたガラス素材４は、例えば、大気中に放置しておくと、ある一定時間で大気中の水分と反応し、加熱処理工程Ｓ１で形成されたＢｉの酸化状態が、加熱処理の前の状態に戻ってしまう。このため、曇りを抑えるためには、加熱処理後、６時間以内に本工程を開始するのが好ましい。
本実施形態では、ガラス素材４を光学素子成形型組立体５に組み立てた状態で、加熱処理工程Ｓ１を行い、この状態で冷却工程Ｓ２を行った後、ただちに、成形室１３に移動するため、加熱処理工程Ｓ１と成形工程Ｓ３との間の時間差は、冷却工程Ｓ２に要する時間のみである。
このため、ガラス素材４のみの状態で加熱処理工程Ｓ１を行う場合に比べると、ガラス素材４の移動や光学素子成形型組立体５の組立等の作業時間を省略できるため、成形工程Ｓ３を開始するまでの時間を短縮することができる。

加熱ステージ１９に移動された光学素子成形型組立体５は、加熱ステージ１９の下加熱板１９ａおよび上加熱板１９ｂによって上下から挟持される。すなわち、エアーシリンダー２２Ａによって、上加熱板１９ｂを下降させ、下加熱板１９ａ、上加熱板１９ｂがそれぞれ光学素子成形型組立体５の下端面（下型１の下端面１ｂ）、上端面（上型２の上端面２ｂ）に密着して当接するようにする。
本実施形態の具体例では、例えば、光学素子成形型組立体５が受ける加圧荷重が、４．９Ｎ（０．５ｋｇｆ）程度となるように加圧することで、良好な当接状態を形成することができる。
このとき、下加熱板１９ａ、上加熱板１９ｂは、予めガラス転移点を超えない所定温度に加熱しておく。例えば、本実施形態の具体例では、４００℃に設定しておく。
加熱ステージ１９では、この状態を６０秒間保つことで、光学素子成形型組立体５および光学素子成形型組立体５内のガラス素材４を加熱する。これにより、ガラス素材４が４００℃に昇温される。
このとき、ガラス素材４の温度がガラス転移点を超えておらず、エアーシリンダー２２Ａの加圧荷重が低いことにおりガラス素材４に作用する圧力も小さいことから、ガラス素材４の変形は抑制される。

加熱ステージ１９による加熱が終了したら、エアーシリンダー２２Ａを上昇させて光学素子成形型組立体５の挟持を解除し、光学素子成形型組立体５を隣接するプレスステージ２０に移動する。
プレスステージ２０に移動された光学素子成形型組立体５は、プレスステージ２０の下加熱板２０ａおよび上加熱板２０ｂによって上下から挟持される。すなわち、エアーシリンダー２２Ｂによって、上加熱板２０ｂを下降させ、下加熱板２０ａ、上加熱板１９ｂがそれぞれ光学素子成形型組立体５の下端面、上端面に密着して当接するようにする。
このとき、下加熱板２０ａ、上加熱板２０ｂは、予め屈伏点よりも高い所定温度に加熱しておく。例えば、本実施形態の具体例では、４３０℃に設定しておく。
これにより、光学素子成形型組立体５および光学素子成形型組立体５内のガラス素材４がさらに加熱され、ガラス素材４の温度が４３０℃に昇温される。
この状態で、エアーシリンダー２２Ｂを下降させて、下型１および上型２に挟まれたガラス素材４をプレスしていく。これにより、軟化したガラス素材４は、下型１の成形面１ａ、上型２の成形面２ａに沿って変形していく。
本実施形態の具体例では、このプレス時の加圧荷重は、例えば、１０７．８Ｎ（１１．０ｋｇｆ）が好適である。

上型２がスリーブ３の上端部に当てつくまで、上加熱板２０ｂが下降したら、エアーシリンダー２２Ｂの下降を停止して、変形したガラス素材４の形状が安定し、変形によるひずみが緩和されるまでその位置を保持する。これにより、図５に示すように、光学素子成形型組立体５内に、成形面１ａ、２ａ、スリーブ内周面３ａの形状が転写されたガラス成形体４Ａが形成される。
本実施形態の具体例では、プレスステージ２０によるプレス開始から、ガラス素材４に各成形面の形状が転写されたガラス成形体４Ａの形状が安定するまで、約２００秒程度である。

このように、加熱ステージ１９およびプレスステージ２０では、ガラス素材４が徐冷点よりも高温になり、プレスステージ２０では、軟化したガラス素材４が流動することになる。
しかし、加熱処理工程Ｓ１によってガラス素材４の表層部の金属状態のＢｉが予め低減されているため、還元が進行して金属状態のＢｉが析出するとしても、加熱処理を行わない場合に比べて微量である。このため、金属状態のＢｉの析出やその揮発による曇りの発生を防止することができる。
また、Ｂｉ_２Ｏ_３の減少が抑制されるため、Ｂｉ_２Ｏ_３の作用による光学特性や成形性が良好に保たれる。

このようにして、ガラス成形体４Ａが形成されたら、エアーシリンダー２２Ｂを上昇させて光学素子成形型組立体５のプレス状態を解除し、光学素子成形型組立体５を隣接する冷却ステージ２１に移動する。
冷却ステージ２１に移動された光学素子成形型組立体５は、冷却ステージ２１の下冷却板２１ａおよび上冷却板２１ｂによって上下から挟持される。すなわち、エアーシリンダー２２Ｃによって、上冷却板２１ｂを下降させ、下冷却板２１ａ、上冷却板２１ｂがそれぞれ光学素子成形型組立体５の下端面、上端面に密着して当接するようにする。
エアーシリンダー２２Ｃによる加圧荷重は加熱ステージ１９におけるエアーシリンダー２２Ａによる加圧荷重と同様に設定する。
このとき、下冷却板２１ａ、上冷却板２１ｂの温度は、必要な冷却速度が得られる冷却温度に予め設定しておく。例えば、本実施形態の具体例では、１００℃に設定しておく。
冷却ステージ２１では、この状態を６０秒間保つことで、光学素子成形型組立体５および光学素子成形型組立体５内のガラス成形体４Ａを冷却する。これにより、ガラス成形体４Ａが１００℃に冷却される。

このようにして、ガラス成形体４Ａの冷却が終了したら、シャッター１４Ｄを開放して、光学素子成形型組立体５およびガラス成形体４Ａを搬出口１３ｂから成形室１３の外部に搬出する。
以上で、成形工程Ｓ３が終了する。

次に、脱型工程Ｓ４を行う。本工程は、光学素子成形型組立体５から、ガラス成形体４Ａを脱型して、光学素子成形型組立体５の外部に取り出す工程である。
すなわち、光学素子成形型組立体５を分解して、ガラス成形体４Ａを外部に取り出す。
ガラス成形体４Ａは、必要に応じて、外形を２次加工したり、反射防止膜等を成膜したりすることにより、図１に示すようなレンズ３０が製造される。

このような本実施形態の光学素子の成形方法によれば、成形工程Ｓ３の前に行う加熱処理工程Ｓ１において、Ｂｉの融点以上かつガラス素材４の徐冷点未満の温度となるように温度制御して加熱処理するため、Ｂｉを含むガラス素材４を用いた成形であっても、曇りや外観品質の劣化を防止しつつ効率的に生産を行うことができる。
曇り以外の外観品質としては、レンズ３０の表面のクラックなどを挙げることができる。
また、外観品質の劣化を防止できることにより、光学素子の歩留まりを向上し、光学素子の製造コストを低減することができる。

なお、上記の実施形態の説明では、加熱処理を、酸素ガスを１％以上含む酸化性雰囲気の下で行う場合の例で説明したが、いわゆる活性酸素のみの雰囲気下で加熱処理することも可能である。この場合、活性酸素に由来する酸素によって金属Ｂｉの酸化が進行する。

また、上記の実施形態の説明では、加熱処理を、酸素ガスを１％以上含む酸化性雰囲気の下で行う場合の例で説明したが、Ｂｉの融点以上かつガラス素材４の徐冷点未満の温度に温度制御して加熱処理すれば、ガラス素材４の種類などによっては、不活性ガス雰囲気下で加熱処理を行うことも可能である。
つまり、本発明では、加熱処理温度が徐冷点よりも低いため、ガラス素材４の粘度が高く、金属状態のＢｉが析出しても集積しにくい。このため、例えば、ガラス素材４の硝材の種類によってＢｉの濃度が低い場合など、Ｂｉが析出しても曇りの発生に到らない場合がある。

また、上記の実施形態の説明では、成形室１３を密閉構造として、成形室１３内を不活性ガス置換して成形工程を行う場合の例で説明したが、成形室１３内に不活性ガス雰囲気が形成されれば、不活性ガス置換は必須ではない。
例えば、成形室１３を半密閉構造として、不活性ガスＧ_Ｎを成形室１３内に継続的に供給して、成形室１３内を陽圧にすることで、外部からのガスが流入しないようにして不活性ガス雰囲気を維持する構成としてもよい。

また、上記の実施形態の説明では、加熱処理室１１が待機室１２を介して成形室１３に隣接し、光学素子製造装置１０内に一体化されている場合の例で説明したが、このような装置構成は一例である。
例えば、加熱処理室は、成形室１３と別に設けてもよい。この場合、加熱処理室において、光学素子成形型組立体５を加熱処理することは必須ではなく、例えば、ガラス素材４のみを加熱処理してもよい。
また、加熱処理時の熱やガラス素材４から発生するガス等が、他のガラス素材４の成形に影響を与えないようにできれば、加熱処理工程と成形工程とを一つのチャンバー内で行う構成としてもよい。

また、上記に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり、削除したりして実施することができる。

以下では、上記実施形態の実施例について、比較例とともに説明する。
実施例１は、上記実施形態に具体例として説明した条件に基づいて、加熱処理工程Ｓ１、冷却工程Ｓ２、成形工程Ｓ３、脱型工程Ｓ４を行って、レンズ３０を製造した例である。上記に説明したように、加熱処理工程Ｓ１における加熱温度（平均値）は３５０℃である。
実施例２は、加熱処理工程Ｓ１における加熱温度（平均値）を３８０℃にした以外は実施例１と同様にして、レンズ３０を製造した例である。

比較例１、２、３、４は、加熱処理工程Ｓ１における加熱温度（平均値）を、それぞれ４５０℃、４００℃、２７０℃、２００℃にした以外は実施例１と同様にして、レンズ３０を製造した例である。

このようにして、製造された実施例１、２、比較例１〜４について、製造されたレンズ３０の外観検査を行い、レンズ面の曇り、クラックの評価を行った。
各評価は、限度見本を用いた目視検査により実施した。この結果を下記表１にまとめた。

表１において、評価結果は、「◎（very good）」、「○(good)」、「×（no good）」で表した。それぞれの意味は、「◎」は外観の欠陥が目視確認できないことを示し、「○」は外観の欠陥が限度見本以下であることを示し、「×」は外観の欠陥が限度見本よりも悪いことを示す。

表１から分かるように、曇りに関しては、加熱温度が３５０℃以上の実施例１、２、比較例１、２にて、「○」と評価された。
これは、加熱処理を行うことにより、成形前にガラス素材４の表面の金属Ｂｉの析出量が抑制される結果、成形時に金属状態のＢｉの析出や、集積した金属状態のＢｉの揮発によるレンズ表面に微小孔の発生が抑制されているからと考えられる。
一方、Ｂｉの融点より低い加熱処理しか行っていない比較例３、４では、「×」と評価された。これは、ガラス素材４の表面の金属状態のＢｉが残った状態で成形されたため、曇りが生じたと考えられる。

クラックに関しては、実施例１、比較例３、４では「◎」、実施例２では「○」、４００℃以上で加熱処理した比較例１、２では「×」と評価された。
すなわち、クラックは、加熱処理が高温になるほど、悪化している。これは、冷却工程Ｓ２における冷却温度差が大きくなるため、成形前のガラス素材４にひずみが蓄積され、その後の工程でも緩和できなかったためと考えられる。
実施例１、２では、クラックの程度に差が見られることから、クラックの発生に関しては、徐冷点よりも低い温度であることが好ましいことが分かる。

１ 下型
２ 上型
３ スリーブ
４ ガラス素材（光学素材）
４Ａ ガラス成形体
５ 光学素子成形型組立体
１０ 光学素子製造装置
１１ 加熱処理室
１２ 待機室
１３ 成形室
１５ ヒーター
１６ ガス供給管路
１７Ａ、１７Ｂ 真空引き管路
１８ 不活性ガス供給管路
１９ 加熱ステージ
２０ プレスステージ
２１ 冷却ステージ
３０ レンズ（光学素子）
Ｓ１ 加熱処理工程
Ｓ２ 冷却工程
Ｓ３ 成形工程
Ｓ４ 脱型工程

Claims (4)

1. ビスマスを含む光学素材を、ビスマスの融点以上かつ前記光学素材の徐冷点未満の温度となるように温度制御して、加熱処理する加熱処理工程と、
   該加熱処理工程にて加熱処理された前記光学素材を加熱してプレスすることにより、光学素子を成形する成形工程と、
   を備える、光学素子の成形方法。
2. 前記加熱処理工程では、
   前記光学素材を、ビスマスの融点以上かつ前記光学素材の徐冷点より２０度低い上限温度未満の温度となるように温度制御して、加熱処理する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の光学素子の成形方法。
3. 前記光学素材は、
   酸化ビスマスを４０ｗｔ％以上含有している
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子の成形方法。
4. 前記加熱処理工程では、
   酸素濃度１％以上の酸化性雰囲気にて、前記光学素子の加熱処理を行う
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子の成形方法。

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