JP2018012617A - 赤外線透過性レンズの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】表面品位に優れた赤外線透過性レンズの製造方法の提供。
【解決手段】カルコゲナイドガラスのプリフォームを不活性ガス雰囲気下で焼成し、焼成体を得た後、前記焼成体を、軟化点以下で熱プレス成形する赤外線透過性レンズの製造方法。プリフォームを屈伏点より０〜５０℃低い温度の窒素雰囲気下で焼成し、カルコゲナイドガラスの屈伏点以上、軟化点以下の温度の不活性ガス雰囲気下で熱プレス成形する、赤外線透過性レンズの製造方法。カルコゲナイドガラスが、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのいずれかを含有し、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅを３０〜８０モル％含有する赤外線透過性レンズ。また、表面における単位面積(１ｍｍ×１ｍｍ)当たりの直径２．５〜１００μｍの凹部の個数が１００個以下である赤外線透過性レンズ。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサ、赤外線カメラ等に使用される赤外線透過性レンズの製造方法に関する。
車載ナイトビジョンやセキュリティシステム等は、夜間の生体検知に用いられる赤外線センサを備えている。赤外線センサは、生体から発せられる波長約８〜１４μｍの赤外線を感知するため、センサ部の前には当該波長範囲の赤外線を透過するフィルターやレンズ等の光学素子が設けられる。
上記のような光学素子用の材料として、ＧｅやＺｎＳｅが挙げられる。これらは結晶体であるため加工性に劣り、非球面レンズ等の複雑な形状に加工することが困難である。そのため量産しにくく、また赤外線センサの小型化も困難であるという問題がある。
そこで、波長約８〜１４μｍの赤外線を透過し、加工が比較的容易なガラス質の材料として、カルコゲナイドガラスが提案されている。（例えば特許文献１参照）
カルコゲナイドガラスは、モールド成形が可能であり、上型と下型で挟み込んで熱プレスすることで、非球面レンズなどの光学素子を得ることができる。（例えば特許文献２参照）
特開２００９−１６１３７４号公報 特開Ｈ０６−２１１５４０号公報
カルコゲナイドガラスは、プレス時の加熱により、成形したレンズの光学素子表面に凹部が生じ、レンズの表面品位が低下する問題がある。光学素子の表面に多数の凹部が生じた場合、カメラのレンズとして用いた際に像に歪みや乱れが生じる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、表面品位に優れた赤外線透過性レンズの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、種々の検討を行った結果、以下の知見を得て、本発明を提案するに至った。カルコゲナイドガラスは、熱プレス成形時に、カルコゲナイドガラスの表面吸着水とカルコゲナイドガラス中の成分が反応することにより、ガスを発生する。例えば、硫黄を多く含有する硫化物系のカルコゲナイドガラスでは、ガラスの表面吸着水と、ガラス中の硫黄が反応し、Ｈ２Ｓがガラス表面から発生する。そのガスが、カルコゲナイドガラスと金型との界面で生じると、熱プレス成形後のレンズ表面に凹みが発生しやすくなり表面品位が低下しやすい。そこで、熱プレス成形前にカルコゲナイドガラスのプリフォームを不活性ガス雰囲気で焼成すると、ガラスの表面吸着水を除去できるため、カルコゲナイドガラスの焼成体を熱プレス成形する際にガスが発生しにくくなり、熱プレス成形後のレンズ表面に凹みが発生しにくくなる。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、カルコゲナイドガラスのプリフォームを不活性ガス雰囲気下で焼成し、焼成体を得た後、前記焼成体を、熱プレス成形することを特徴とする。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、プリフォームを屈伏点より０〜５０℃低い温度で焼成することが好ましい。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、プリフォームを窒素雰囲気下で焼成することが好ましい。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、カルコゲナイドガラスの屈伏点以上、軟化点以下の温度で、焼成体を熱プレス成形することが好ましい。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、焼成体を、不活性ガス雰囲気中で、熱プレス成形することが好ましい。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、焼成体を、窒素雰囲気中で、熱プレス成形することが好ましい。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、上記のカルコゲナイドガラスが、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのいずれかを含有することが好ましい。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、上記のカルコゲナイドガラスが、モル％で、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ３０〜８０％を含有することが好ましい。
本発明の赤外線透過性レンズは、カルコゲナイドガラスからなり、表面における、単位面積(１ｍｍ×１ｍｍ)当たりの直径２．５μｍ以上１００μｍ以下の凹部の個数が１００個以下であることを特徴とする。
本発明の赤外線カメラは、上記の赤外線透過性レンズを用いてなる。
本発明によれば、表面品位に優れた赤外線透過性レンズの製造方法を提供することができる。
実施例で得られたレンズの表面状態を示す写真である。 比較例で得られたレンズの表面状態を示す写真である。
本発明の赤外線透過性レンズの製造方法は、カルコゲナイドガラスのプリフォームを不活性ガス雰囲気下で焼成し、焼成体を得た後、前記焼成体を、熱プレス成形することを特徴とする。以下、本発明の赤外線透過性レンズの製造方法について詳細に説明する。
まず、例えば、以下のようにしてカルコゲナイドガラスのプリフォームを得る。なお、カルコゲナイドガラスの組成については、後述する。所望のガラス組成となるように、原料を混合し、原料バッチを得る。次に、石英ガラスアンプルを加熱しながら真空排気した後、原料バッチを入れ、真空排気を行いながら酸素バーナーで石英ガラスアンプルを封管する。封管された石英ガラスアンプルを溶融炉内で１０〜２０℃／時間の速度で６５０〜１０００℃まで昇温後、６〜１２時間保持する。保持時間中、必要に応じて、石英ガラスアンプルの上下を反転し、溶融物を攪拌する。その後、石英ガラスアンプルを溶融炉から取り出し、室温まで急冷することによりカルコゲナイドガラスを得る。得られたカルコゲナイドガラスを切断、研磨等により加工し、カルコゲナイドガラスのプリフォームを得る。
得られたプリフォームを焼成し、焼成体を得る。これにより、上述したように、ガラス表面からのガスの発生を抑制できる。
焼成雰囲気は、不活性雰囲気であり、窒素、アルゴンまたはヘリウム雰囲気であることが好ましい。安価である点から、特に窒素雰囲気が好ましい。雰囲気制御を行わずに焼成した場合、ガラスが酸化され、赤外線透過特性が低下する傾向がある。焼成温度は、ガラスの屈伏点から０〜５０℃低い温度であることが好ましく、０〜４０℃低い温度がより好ましく、０〜２０℃低い温度であることが特に好ましい。焼成温度が高すぎると、焼成時に、表面吸着水とカルコゲナイドガラス中の成分が反応することによりガスが発生し、焼成体の表面品位が低下する。一方、焼成温度が低すぎると、ガラスの表面吸着水が完全に除去できず、熱プレス成形時にガスが発生し、成形後の表面品位が低下する傾向がある。
得られた焼成体を、金型にて、熱プレス成形を行い赤外線透過性レンズを得る。熱プレス雰囲気は、不活性雰囲気、例えば、窒素、アルゴンまたはヘリウム雰囲気であることが好ましい。安価である点から、特に窒素雰囲気が好ましい。雰囲気制御を行わずに熱プレスした場合、ガラスが酸化され、赤外線透過特性が低下する傾向がある。また、金型が酸化されることで劣化が進んで金型の使用寿命が縮み、製造コストが高くなる傾向がある。さらに、プレス温度は、ガラスの屈伏点以上、軟化点以下の温度であることが好ましく、ガラスの屈伏点より０〜５０℃高い温度であることがより好ましく、ガラスの屈伏点より０〜３０℃高い温度であることがさらに好ましく、ガラスの屈伏点より０〜２０℃高い温度であることが特に好ましい。プレス温度が低すぎると、ガラスが軟化変形せず、プレス圧により破壊されるおそれがある。また、プレス温度が高すぎると、プレス時のガス発生量が増し、成形後のレンズ表面品位が低下する傾向がある。ちなみに、金型は、光学的な研磨面を有することが好ましい。また、レンズ形状は、メニスカス形状が好ましい。
本発明により製造された赤外線透過性レンズは表面品位に優れる。具体的には、単位面積(１ｍｍ×１ｍｍ)当たりの直径２．５μｍ以上１００μｍ以下の凹部の個数が１００個以下であることが好ましく、５０個以下であることがより好ましく、３０個以下であることがさらに好ましく、１０個以下であることが特に好ましい。本発明により製造された赤外線透過性レンズは表面品位に優れるため、赤外線カメラの赤外線センサ部に赤外光を集光させるためのレンズ等の光学素子として好適である。
以下、本発明で使用するカルコゲナイドガラスについて説明する。
カルコゲナイドガラスは、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのいずれかを含有することが好ましい。カルコゲン元素であるＳ、Ｓｅ及びＴｅはガラス骨格を形成する成分である。Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅの含有量（Ｓ、Ｓｅ及びＴｅの合量）は、モル％で、３０〜８０％であることが好ましく、３５〜７０％であることがより好ましい。Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅの含有量が少なすぎると、ガラス化しにくくなり、一方、多すぎると耐候性が低下する恐れがある。
なお、カルコゲン元素としては、環境面からＳまたはＴｅを選択することが好ましい。
上記成分以外にも、下記の成分を含有させることができる。
Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｂ、Ｂｉ及びＳｎはガラス化範囲を広げ、ガラスの熱的安定性を高める成分であり、その含有量は、モル％で、それぞれ０〜５０％であることが好ましく、０〜４０％であることがより好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると、ガラス化しにくくなる。
Ｚｎ、Ｉｎ及びＰはガラス化範囲を広げる成分であり、その含有量は、モル％で、それぞれ０〜２０％であることが好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると、ガラス化しにくくなる。
Ｃｌ、Ｆ及びＩは赤外線の透過波長範囲を広げる成分であり、その含有量は、モル％で、それぞれ０〜２０％であることが好ましい。これらの成分の含有量が多すぎると、耐候性が低下しやすくなる。
なお、有毒物質であるＡｓ、Ｃｄ、Ｔｌ及びＰｂを実質的に含有しないことが好ましい。このようにすれば、環境面への影響を最小限に抑えることができる。ここで、「実質的に含有しない」とは、意図的に原料中に含有させないという意味であり、不純物レベルの混入をも排除するものではない。客観的には、各成分の含有量が１０００ｐｐｍ未満を指す。
カルコゲナイドガラスの屈伏点は、２００〜４００℃が好ましく、特に２２０〜３４０℃が好ましい。軟化点は、２３０〜４３０℃が好ましく、特に２５０〜３７０℃が好ましい。
（実施例）
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例のレンズは次のようにして作製した。モル％で、Ｓ ６１％、Ｇｅ ５％、Ｂｉ １％、Ｓｂ ３３％になるように原料を調合し、原料バッチを得た。次に、純水で洗浄した石英ガラスアンプルを加熱しながら真空排気した後、原料バッチを入れ、真空排気を行いながら酸素バーナーで石英ガラスアンプルを封管した。
封管された石英ガラスアンプルを溶融炉内で１０〜２０℃／時間の速度で６５０〜１０００℃まで昇温後、６〜１２時間保持した。保持時間中、２時間ごとに石英ガラスアンプルの上下を反転し、溶融物を攪拌した。その後、石英ガラスアンプルを溶融炉から取り出し、室温まで急冷することによりカルコゲナイドガラス（屈伏点 ２４０℃、軟化点 ２７０℃）を得た。
得られたカルコゲナイドガラスをプリフォーム形状に加工した。加工後、窒素雰囲気下にて、屈伏点より１０〜２０℃低い温度で６〜１２時間焼成し、ガラスの表面付着水を除去した。
焼成後のプリフォームを窒素雰囲気下にて、屈伏点より１０〜２０℃高い温度に加熱し、光学的な研磨面を有する金型にてメニスカスレンズ形状に熱プレス成形を行い、レンズを得た。得られたレンズについてデジタルマイクロスコープにて表面観察を行った。図１に、レンズの表面状態を撮影した写真を示す。レンズ表面における、単位面積(１ｍｍ×１ｍｍ)当たりの直径２．５μｍ以上１００μｍ以下の凹部の個数は６個であり、良好な表面品位であった。
（比較例）
プリフォームの焼成を行わずに熱プレス成形したこと以外は、実施例と同様にしてレンズを得た。図２に、レンズの表面状態を撮影した写真を示す。レンズ表面における単位面積(１ｍｍ×１ｍｍ)当たりの直径２．５μｍ以上１００μｍ以下の凹部の個数は１６２個であり、表面品位に劣っていた。
本発明で製造した赤外線透過性レンズは、赤外線カメラの、赤外線センサ部に赤外光を集光させるためのレンズ等の光学素子として好適である。

Claims (10)

  1. カルコゲナイドガラスのプリフォームを不活性ガス雰囲気下で焼成し、焼成体を得た後、前記焼成体を、熱プレス成形することを特徴とする赤外線透過性レンズの製造方法。
  2. プリフォームを屈伏点より０〜５０℃低い温度で焼成することを特徴とする請求項１に記載の赤外線透過性レンズの製造方法。
  3. プリフォームを窒素雰囲気下で焼成することを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線透過性レンズの製造方法。
  4. カルコゲナイドガラスの屈伏点以上、軟化点以下の温度で、焼成体を熱プレス成形することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線透過性レンズの製造方法。
  5. 焼成体を、不活性ガス雰囲気中で、熱プレス成形することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線透過性レンズの製造方法。
  6. 焼成体を、窒素雰囲気中で、熱プレス成形することを特徴とする請求項５に記載の赤外線透過性レンズの製造方法。
  7. カルコゲナイドガラスが、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのいずれかを含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の赤外線透過性レンズの製造方法。
  8. カルコゲナイドガラスが、モル％で、Ｓ＋Ｓｅ＋Ｔｅ ３０〜８０％を含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の赤外線透過性レンズの製造方法。
  9. カルコゲナイドガラスからなり、表面における単位面積(１ｍｍ×１ｍｍ)当たりの直径２．５μｍ以上、１００μｍ以下の凹部の個数が１００個以下であることを特徴とする赤外線透過性レンズ。
  10. 請求項９に記載の赤外線透過性レンズを用いてなることを特徴とする赤外線カメラ。
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