JP2020011875A

JP2020011875A - 光学素子の製造方法

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Publication number: JP2020011875A
Application number: JP2018136456A
Authority: JP
Inventors: 卓野瀬; Suguru Nose; 生典廣瀬; Seiten Hirose
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: CN112469672A; WO2020017374A1; CN112469672B; US20210141125A1; JP6964050B2

Abstract

【課題】プリフォームのプレス成形時に発生する不良を抑制することができる光学素子の製造方法を提供すること。【解決手段】光学素子の製造方法は、プリフォームを加熱し、プリフォームの表面を含む領域を変質させることにより、保護層を形成し、保護層を形成したプリフォームをプレス成形することにより、光学素子形状の成形体を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子の製造方法に関する。

ガラスレンズ等の光学素子の製造方法の一つとして、例えば特許文献１に示すように、プリフォームを加熱して軟化させ、プレス成形により光学素子形状とした後、光学素子の表面に形成された酸化層を研磨除去する技術が知られている。

特開２０１４−２４７４１号公報

特許文献１を始めとする従来の製造方法では、プリフォームに用いる硝材の種類によっては、プレス成形時に割れ等の不良が生じる場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、プリフォームのプレス成形時に発生する不良を抑制することができる光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、光学素子の製造方法は、プリフォームを加熱し、前記プリフォームの表面を含む領域を変質させることにより、保護層を形成し、前記保護層を形成した前記プリフォームをプレス成形することにより、光学素子形状の成形体を形成する。

また、光学素子の製造方法は、上記発明において、前記プリフォームが、フツリン酸系硝材からなってもよい。

また、光学素子の製造方法は、上記発明において、前記成形体を加熱することにより、前記成形体の歪を除去し、前記成形体を研磨することにより、前記保護層と、前記保護層の内側の近傍領域において前記成形体の加熱によって変質した変質層と、からなる酸化層の少なくとも一部を除去してもよい。

また、光学素子の製造方法は、上記発明において、前記プリフォームおよび前記成形体を、閉鎖空間に配置した状態で加熱してもよい。

また、光学素子の製造方法は、上記発明において、前記閉鎖空間が、前記プリフォームおよび前記成形体の第一面との間に形成される第一の閉鎖空間と、前記プリフォームおよび前記成形体の第二面との間に形成される第二の閉鎖空間と、からなり、前記第一の閉鎖空間が、前記プリフォームおよび前記成形体の下面の表面積１ｍｍ^２当たりの体積が、１０ｍｍ^３以下の空間であり、前記第二の閉鎖空間が、前記プリフォームおよび前記成形体の上面の表面積１ｍｍ^２当たりの体積が、６００ｍｍ^３以下の空間であってもよい。

本発明によれば、プレス前のプリフォームを加熱してプリフォームの表面に保護層を形成することにより、プレス時における割れ等の不良を抑制することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法の各工程の順序を示すフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法において、第一のアニール工程および第二のアニール工程で用いるアニール炉の構成を示す斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法において、第一のアニール工程で用いる積載トレイの構成を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法において、第二のアニール工程で用いる積載トレイの構成を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法において、第一のアニール工程を実施後のプリフォームを示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態に係る光学素子の製造方法において、第二のアニール工程を実施後の成形体を示す断面図である。

以下、本発明に係る光学素子の製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、以下の実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものも含まれる。

本実施の形態に係る光学素子の製造方法は、加熱軟化させたプリフォーム（成形素材）をプレス成形することにより光学素子（例えばガラスレンズ）を製造するものであり、図１に示すように、第一のアニール工程Ｓ１と、プレス工程Ｓ２と、冷却工程Ｓ３と、第二のアニール工程Ｓ４と、研磨工程Ｓ５と、成膜工程Ｓ６と、をこの順で行う。

本実施の形態に係る光学素子の製造方法では、プリフォームの材料としてフツリン酸系硝材を用いる。フツリン酸系硝材は、一般的に成形が難しく、プレス成形時に割れ等の不良が多く発生することが知られている。本実施の形態に係る方法では、後記するように、プレス工程前に第一のアニール工程を実施することにより、割れ等の不良を抑制する。

本実施の形態に係る光学素子の製造方法の第一のアニール工程および第二のアニール工程では、図２に示すようなアニール炉１を用いて、プリフォームＭおよび光学素子形状の成形体Ｏを、閉鎖空間に配置した状態でアニール処理（加熱処理）する。アニール炉１は、炉内の温度を制御することにより、成形体Ｏの歪を除去するための装置であり、撹拌ファン１１と、載置部１２と、を備えている。

撹拌ファン１１は、炉内の空気を撹拌して炉内雰囲気を均一化するためのものである。載置部１２には、収容箱１３が載置される。収容箱１３は、収容部１３１と、蓋部１３２と、を備えている。収容部１３１には、複数（本実施の形態では二枚）の積載トレイ１４が収容される。

積載トレイ１４には複数の凹部が形成されており、それぞれの凹部にプリフォームＭが載置される。積載トレイ１４には、具体的には図３に示すように、第一の凹部１４１と、第二の凹部１４２とが形成されている。プリフォームＭは、第一の凹部１４１と第二の凹部１４２との間の段差部に載置される。このような積載トレイ１４を用いてアニール処理を行うことにより、プリフォームＭにキズ等の欠陥が発生することを防ぐことができる。なお、積載トレイ１４は、例えばアルミやステンレス等の金属で構成されている。

第二のアニール工程では、積載トレイ１４に代えて、図４に示す積載トレイ１４Ａを用いる。積載トレイ１４Ａには複数の凹部が形成されており、それぞれの凹部に成形体Ｏが載置される。積載トレイ１４Ａには、具体的には図４に示すように、第一の凹部１４１Ａと、第二の凹部１４２Ａとが形成されている。成形体Ｏは、第一の凹部１４１Ａと第二の凹部１４２Ａとの間の段差部に載置される。このような積載トレイ１４Ａを用いてアニール処理を行うことにより、成形体Ｏの光学機能面にキズ等の外観欠陥が発生することを防ぐことができる。なお、積載トレイ１４Ａは、例えばアルミやステンレス等の金属で構成されている。

ここで、図２に示した収容箱１３の蓋部１３２を閉めると、収容箱１３内に二つの閉鎖空間が形成される。すなわち、図３に示すように、プリフォームＭの下面（第一面）と積載トレイ１４の第二の凹部１４２との間には、第一の閉鎖空間Ｓｐ１が形成される。また、図４に示すように、成形体Ｏの下面（第一面）と積載トレイ１４Ａの第二の凹部１４２Ａとの間には、第一の閉鎖空間Ｓｐ１が形成される。

また、図２に示すように、プリフォームＭの上面（第二面）と蓋部１３２との間には、第二の閉鎖空間Ｓｐ２が形成される。また、成形体Ｏを載置した積載トレイ１４Ａを収容箱１３に収容した場合も同様に、成形体Ｏの上面（第二面）と蓋部１３２との間には、第二の閉鎖空間Ｓｐ２が形成される。

第一の閉鎖空間Ｓｐ１は、プリフォームＭの下面の表面積および成形体Ｏの下面の表面積１ｍｍ^２当たりの体積を、１０ｍｍ^３以下の空間とすることが好ましい。第一の閉鎖空間Ｓｐ１をこのような体積とすることにより、プリフォームＭの上下面が反応する酸素の量を制限することができる。これにより、第一のアニール工程においてプリフォームＭの表面に形成される保護層（図５参照）の形成速度を鈍化させ、保護層の形成を緩やかにすることができるため、保護層の厚さを所望の厚さに制御しやすくなる。なお、プリフォームＭの下面に接する第一の閉鎖空間Ｓｐ１の体積の下限は、所望の保護層の厚さに応じて実験的に求めることができる。また、成形体Ｏの下面に接する第一の閉鎖空間Ｓｐ１の体積の下限はなく、例えば体積が０であってもよい。

また、第二の閉鎖空間Ｓｐ２は、プリフォームＭの上面の表面積および成形体Ｏの上面の表面積１ｍｍ^２当たりの体積を、６００ｍｍ^３以下の空間とすることが好ましい。第二の閉鎖空間Ｓｐ２をこのような体積とすることにより、成形体Ｏの上下面が反応する酸素の量を制限することができる。これにより、第二のアニール工程において成形体Ｏの表面に形成される変質層（図６参照）の形成速度を鈍化させ、変質層の形成を緩やかにすることができるため、変質層の厚さを所望の厚さに制御しやすくなる。なお、プリフォームＭの下面および成形体Ｏの下面に接する第二の閉鎖空間Ｓｐ２の体積の下限は、所望の変質層の厚さに応じて実験的に求めることができる。

続いて、本実施の形態に係る光学素子の製造方法の各工程の詳細について説明する。

（第一のアニール工程Ｓ１）
第一のアニール工程は、プリフォームＭの表面を含む領域に保護層を形成するための工程である。本工程では、複数のプリフォームＭを積載トレイ１４に載置し、積載トレイ１４を収容箱１３の収容部１３１に収容した後、蓋部１３２を閉じる。これにより、各々のプリフォームＭの下側に第一の閉鎖空間Ｓｐ１を形成し、かつ複数のプリフォームＭの上側に第二の閉鎖空間Ｓｐ２を形成する。そして、収容箱１３内のプリフォームＭを所定の温度（例えば４３０±５℃）で加熱してアニール処理を行う。

第一のアニール工程では、大気雰囲気中でプリフォームＭを加熱し、当該プリフォームＭの表面を含む領域を変質させることにより、図５に示すように、通常のガラス成分からなる標準層Ｍ１の外側に保護層Ｍ２を形成する。この保護層Ｍ２は、プリフォームＭの表面近傍のガラス成分が酸化して変質した酸化層である。保護層Ｍ２には、例えばフッ素が３０％以下かつ酸素が３０％以上含まれている。また、保護層Ｍ２の厚みは、０．０６μｍ〜０．１μｍとすることが好ましく、例えば設定温度（例えば４３０±５℃）に１時間で昇温し、その温度を１０分間保持した後、急冷することにより、上記範囲の厚みを有する保護層Ｍ２を形成することができる。

第一のアニール工程では、前記したように「第一の閉鎖空間Ｓｐ１の体積＜第二の閉鎖空間Ｓｐ２の体積」とする。そのため、プリフォームＭの二つの面のうち、保護層Ｍ２を薄く形成したい側を第一の閉鎖空間Ｓｐ１側に配置し、保護層Ｍ２を厚く形成したい側を第二の閉鎖空間Ｓｐ２側に配置する。

第一のアニール工程では、プリフォームＭの下面が第一の閉鎖空間Ｓｐ１内の酸素とのみ反応し、プリフォームＭの上面が第二の閉鎖空間Ｓｐ２内の酸素とのみ反応する。そのため、例えばプリフォームＭを収容箱１３に入れず、アニール炉１内でそのままアニール処理を行う従来の方法と比較して、保護層Ｍ２の形成速度を鈍化させることができる。従って、保護層Ｍ２が不必要に厚くなることを抑制し、最小限かつ所望の厚さの保護層Ｍ２を形成することができる。

（プレス工程Ｓ２）
プレス工程では、アニール処理によって保護層Ｍ２を形成したプリフォームＭを図示しない成形型に配置し、所定の温度（例えば６００℃）でさらに加熱した後、プレス成形することにより、光学素子形状の成形体Ｏを形成する。

（冷却工程Ｓ３）
冷却工程では、プレス成形後の成形体Ｏを所定の温度で冷却した後、成形型から成形体Ｏを剥がして離型する。

ここで、フツリン酸系硝材に含まれるフッ素は、成形型の膜材と密着しやすい性質を有しているため、従来は、フツリン酸系硝材からなるプリフォームをプレス成形すると、プリフォームが成形型に強く密着していた。これにより、冷却工程で成形型からプリフォームを剥がす際に、プリフォームの収縮が成形型によって阻害され、プリフォーム内部の収縮とプリフォーム表面の密着力とによってプリフォームに破断力が発生し、割れが多く発生していた。

一方、本実施の形態に係る光学素子の製造方法では、プレス工程の前に第一のアニール工程を実施することにより、プリフォームＭの表面（表層）からフッ素が抜け、代わりに酸素が入り、プリフォームＭの表面に酸素が豊富な保護層Ｍ２が形成される。そのため、成形型に対する成形体Ｏの密着力が低下し、冷却工程において、成形型から成形体Ｏをスムーズに剥がすことができる。

（第二のアニール工程Ｓ４）
第二のアニール工程は、プレス成形後に成形体Ｏに生じた歪を除去するための工程である。本工程では、複数の成形体Ｏを積載トレイ１４Ａに載置し、積載トレイ１４Ａを収容箱１３の収容部１３１に収容した後、蓋部１３２を閉じる。これにより、各々の成形体Ｏの下側に第一の閉鎖空間Ｓｐ１を形成し、かつ複数の成形体Ｏの上側に第二の閉鎖空間Ｓｐ２を形成する。そして、収容箱１３内の成形体Ｏを所定の温度で加熱してアニール処理を行う。

第二のアニール工程では、大気雰囲気中で成形体Ｏを加熱した後に徐冷することにより、成形体Ｏの歪を除去し、成形体Ｏの屈折率を設定値に戻す。また、本工程では、大気雰囲気中で成形体Ｏを加熱するため、通常のガラス成分からなる標準層の外側に変質層が形成される。この変質層は、前記した保護層Ｍ２と同様に、成形体Ｏのガラス成分が酸化して変質した酸化層である。変質層には、例えばフッ素が３０％以下かつ酸素が３０％以上含まれている。

変質層は、第一のアニール工程で形成された保護層Ｍ２の内側の近傍領域のガラス成分が変質（酸化）することにより形成される。変質層と保護層Ｍ２とは、ともに同じ成分からなる層であるため、両者に境界は存在しない。そのため、本実施の形態では、図６に示すように、通常のガラス成分からなる標準層Ｏ１の外側に形成された層であって、第一のアニール工程で形成された保護層Ｍ２と第二のアニール工程で形成された変質層と含んだ層のことを、「酸化層Ｏ２」と定義する。なお、前記したように、変質層および保護層Ｍ２の境界は明確ではないものの、概念的には、酸化層Ｏ２のうちの最外層が保護層Ｍ２に相当し、保護層Ｍ２と標準層Ｏ１の間の層が変質層に相当する。

第二のアニール工程では、前記したように「第一の閉鎖空間Ｓｐ１の体積＜第二の閉鎖空間Ｓｐ２の体積」とする。そのため、成形体Ｏの二つの面のうち、変質層を薄く形成したい側を第一の閉鎖空間Ｓｐ１側に配置し、変質層を厚く形成したい側を第二の閉鎖空間Ｓｐ２側に配置する。

第二のアニール工程では、成形体Ｏの下面が第一の閉鎖空間Ｓｐ１内の酸素とのみ反応し、成形体Ｏの上面が第二の閉鎖空間Ｓｐ２内の酸素とのみ反応する。そのため、例えば成形体Ｏを収容箱１３に入れず、アニール炉１内でそのままアニール処理を行う従来の方法と比較して、変質層の形成速度を鈍化させることができる。従って、第二のアニール工程では、変質層が不必要に厚くなることを抑制し、最小限の変質層のみを形成することができる。

ここで、従来の光学素子の製造方法では、プレス工程前のアニール処理は実施しておらず、プレス工程後の成形体Ｏを、収容箱１３に入れることなく、アニール炉１内で一度のみアニール処理を行っていた。一方、本実施の形態に係る光学素子の製造方法では、二度のアニール処理を行っているものの、閉鎖空間内で反応する酸素の量を制御しながらアニール処理を行っている。そのため、本実施の形態に係る方法によって二度のアニール処理を経て成形体Ｏの表面に形成される酸化層Ｏ２の厚さ（保護層Ｍ２と変質層の合計の厚さ）は、従来の方法によって一度のアニール処理を経て成形体の表面に形成される酸化層の厚さよりも薄くなる。

（研磨工程Ｓ５）
研磨工程では、成形体Ｏを研磨することにより、第一のアニール工程において形成された保護層Ｍ２と、当該保護層Ｍ２の内側の近傍領域に形成された変質層と、からなる酸化層Ｏ２（図６参照）の少なくとも一部を除去する。なお、本工程で用いる研磨剤の種類は特に限定されない。また、本工程では、成形体Ｏの表面に形成された酸化層Ｏ２を全て除去する必要はなく、光学機能や、後段の成膜工程に影響のない厚さの酸化層Ｏ２を残してもよい。

ここで、従来の光学素子の製造方法においても研磨工程は実施しているものの、成形体の表面に形成される酸化層が厚いため、成形体の研磨時間が長かった。例えば、従来の製造方法では、アニール工程後の酸化層の厚さが約０．２４μｍであり、これを除去するために１３分／個程度の研磨時間が必要であった。一方、本実施の形態に係る光学素子の製造方法では、従来と同じプリフォームＭを用いた場合、第二のアニール工程後の酸化層Ｏ２（保護層Ｍ２および変質層）が約０．１２μｍしか形成されず、研磨時間も従来の半分の６．５分／個程度まで短縮することができる。

（成膜工程Ｓ６）
成膜工程では、反射防止膜を成形体Ｏの表面に成膜する。フツリン酸系硝材からなる成形体Ｏの表面にこのような反射防止膜を成膜することにより、成形体Ｏの反射率を向上させ、かつ成形体Ｏの表面を保護することができる。本実施の形態に係る光学素子の製造方法では、以上の工程を経て光学素子を製造する。

以上説明したような光学素子の製造方法によれば、第一のアニール工程において、プレス前のプリフォームＭを加熱してプリフォームＭの表面に保護層Ｍ２を形成することにより、プレス時における割れ等の不良を抑制することができる。

また、第一のアニール工程および第二のアニール工程において、閉鎖空間（第一の閉鎖空間Ｓｐ１、第二の閉鎖空間Ｓｐ２）内でプリフォームＭおよび成形体Ｏのアニール処理を行うことにより、酸化層Ｏ２（保護層Ｍ２、変質層）の形成速度を鈍化させることができるため、酸化層Ｏ２の厚さを容易に制御することができる。

また、フツリン酸系硝材は、大気雰囲気中で加熱を行うと、表面のフッ素が減少し、酸素が増加することにより、表面に変質層（酸化層）が形成される。そして、この変質層が厚く形成されたままで反射防止膜を成膜すると、成膜後の反射率のばらつきが大きくなる。そのため、従来からこの変質層を研磨除去する研磨工程を行っているが、変質層の厚さと反射率の規格に比例して工数が掛かってしまうという問題があった、一方、本実施の形態に係る光学素子の製造方法の第二のアニール工程では、変質層が不必要に厚くなることを抑制し、最小限の変質層のみを形成することができるため、研磨工程の工数を最小化することができる。

また、例えばプリフォームＭを収容箱１３に入れることなく第一のアニール工程を実施した場合において、加熱温度が高い、もしくは加熱時間が長いと、プリフォームＭの表面にひび割れのような外観欠陥が現れる。また反対に、加熱温度が低い、もしくは加熱時間が短いと、所望の厚さの保護膜が形成されず、後段のプレス工程における割れを抑制することができなくなる。また、例えばアニール炉１を複数用いる場合、アニール炉１間に機差があるため、あるアニール炉１では「アニール過度」、あるアニール炉１では「アニール不足」、というように差が出てしまう。

一方、本実施の形態に係る光学素子の製造方法では、プリフォームＭを収容箱１３に入れることにより、保護層Ｍ２の形成速度を鈍化させ、適度なアニールを実施することができるため、アニール条件の幅を広げることができ、かつアニール炉１間の機差についてもキャンセルすることができる。従って、成形体Ｏを製造する際の歩留まりが向上する。

以上、本発明に係る光学素子の製造方法について、発明を実施するための形態により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

１アニール炉
１１撹拌ファン
１２載置部
１３収容箱
１３１収容部
１３２蓋部
１４，１４Ａ積載トレイ
１４１，１４１Ａ第一の凹部
１４２，１４２Ａ第二の凹部
Ｍプリフォーム
Ｍ１標準層
Ｍ２保護層
Ｏ成形体
Ｏ１標準層
Ｏ２酸化層
Ｓｐ１第一の閉鎖空間
Ｓｐ２第二の閉鎖空間

Claims

プリフォームを加熱し、前記プリフォームの表面を含む領域を変質させることにより、保護層を形成し、
前記保護層を形成した前記プリフォームをプレス成形することにより、光学素子形状の成形体を形成する、
光学素子の製造方法。
前記プリフォームは、フツリン酸系硝材からなる請求項１に記載の光学素子の製造方法。
前記成形体を加熱することにより、前記成形体の歪を除去し、
前記成形体を研磨することにより、前記保護層と、前記保護層の内側の近傍領域において前記成形体の加熱によって変質した変質層と、からなる酸化層の少なくとも一部を除去する、
請求項１または請求項２に記載の光学素子の製造方法。
前記プリフォームおよび前記成形体を、閉鎖空間に配置した状態で加熱する請求項３に記載の光学素子の製造方法。
前記閉鎖空間は、
前記プリフォームおよび前記成形体の第一面との間に形成される第一の閉鎖空間と、
前記プリフォームおよび前記成形体の第二面との間に形成される第二の閉鎖空間と、
からなり、
前記第一の閉鎖空間は、前記プリフォームおよび前記成形体の下面の表面積１ｍｍ^２当たりの体積が、１０ｍｍ^３以下の空間であり、
前記第二の閉鎖空間は、前記プリフォームおよび前記成形体の上面の表面積１ｍｍ^２当たりの体積が、６００ｍｍ^３以下の空間である、
請求項４に記載の光学素子の製造方法。