JP4278209B2 - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子及びその製造方法に係り、特に、光弾性定数が極めて小さなガラスからなり、紫外域から近赤外域において使用されるレンズ、フィルター、プリズムなどの光学素子及び光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズ、フィルター等の透明ガラスからなる光学素子を装置に実装する時には、フレーム等のベースに固定部材を用いて光学素子を固定する。しかし、固定するときの締付などの力によって光学素子に歪が生じ、複屈折が誘起されて収差が生じるなど、光学素子の性能が悪化する場合がある。そのため、組立精度が低下しない程度に光学素子と固定部材の間に緩衝材を設けたり、光学素子形状を固定による応力変形を受けにくい形状にするなどの対策が施されている。しかし、高精度・高性能を要求される光学素子では、これら対策だけでは十分ではなく、光学素子に外力、熱等の外乱が加わっても誘起される複屈折量が少ないように、光学素子を構成するガラス材料に、鉛ガラスなどの光弾性定数の小さいガラスが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、光弾性定数はガラスの組成を僅かに変えても、大きく変化してしまう。しかも、精度良く所望の組成のガラスを再現性よく製造するのは難しく、光弾性定数が小さいガラスを得、そのガラスから光学素子を作るためには、どのような指針で製造すればよいか明らかでなかった。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、光弾性定数が極めて小さなガラスからなる光学素子及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光学素子は、
ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラスであり、
０．２４〜０．８μｍのいずれかの波長に対する光弾性定数が、
−１×１０-1〜＋１×１０-1（ｎｍ／ｃｍ）／（ｋｇｆ／ｃｍ2）であるガラスからなることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の光学素子の製造方法は、
波長０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長λXにおいて光弾性定数が小さいガラス製の光学素子を得るための方法であって、
ガラス素材としてほぼ同じ組成を有し、前記波長λXでの光弾性定数が実質的にゼロとなる屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと、前記屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスとを用い、
前記屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと前記屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスとを溶解し、溶解されてできたガラスの屈折率が前記屈折率ｎとほぼ等しくなるようにしてガラスを得、
前記ガラスに加工を施して光学素子を得ることを特徴とする。
【０００７】
ここで、光弾性定数が実質的にゼロのガラスとは、光弾性定数が±１×１０-1（ｎｍ／ｃｍ）／（ｋｇｆ／ｃｍ2）以下のガラスをいう（なお、この値は石英ガラスの光弾性定数よりも２桁小さい）。
【０００８】
ところで、光学素子を用いた各種装置において、使用する光源（レーザー等）の波長を変えると、光学系で収差が生じるなど、性能・精度が低下することがあった。その原因を究明したところ、ガラスの光弾性定数には波長依存性があり、光学素子を透過する光の波長を変えると光弾性定数の絶対値が増加してしまうために、光学素子の性能が低下することが判明した。
【０００９】
そこで、上記発明では、使用する透過波長λxにおける光弾性定数が実質的にゼロとなるガラスの屈折率ｎを、予め正確な測定から求めておき、目標とする屈折率ｎの値よりも大きな値のガラスと小さい値のガラスを作製し、それらガラスを溶解して目標の屈折率ｎとほぼ等しいガラスを得るようにしている。したがって、０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長において光弾性定数が実質的にゼロとなる屈折率のガラスを製造し、このガラスを用いて使用する波長域で光弾性定数が極めて小さな光学素子を作製できる。
【００１０】
また、原料を溶解して一度に目標の屈折率のガラスを製造する場合、原料をガラス化する工程で原料の一部が揮発するためガラス組成を正確にコントロールするのは困難であるが、まず初めに目標の屈折率を挟んで、これより大きな値のガラスと小さな値のガラスとをそれぞれ原料を溶解して作製し、次いで両ガラスを再溶解して目標の屈折率に近似するガラスを作製しているので、ガラス組成が一定で所望の屈折率のガラスからなる光学素子を再現性よく製造することができる。
【００１１】
なお、光弾性定数の正確な測定には、光ヘテロダイン法による測定方法（高和宏行，梅田 倫弘：“周波数安定化横ゼーマンレーザによる光弾性定数測定”，光学，２０（１９９１）１１２―１１４）を使用し、所望の透過波長におけるガラスの光弾性定数と屈折率とを高精度に測定した。
【００１２】
上記光学素子の製造方法において、
前記屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスに、ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラスを用い、
前記屈折率ｎとして次式、
ｎ＝１．８４２５＋０．０１３５２５×λX
（ただし、λXはμｍ単位）
で示される値を使用するのが好ましい（ただし、上記屈折率は、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率ｎdを意味する。）。
このようにすると、光弾性定数が実質的にゼロのガラスからなる光学素子を再現性良く製造することができる。
【００１３】
また、本発明の光学素子の製造方法は、
波長０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長λXにおいて光弾性定数が小さいガラス製の光学素子を得るための方法であって、
ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラスを用い、
前記波長λXでの屈折率ｎとして次式、
ｎ＝１．８４２５＋０．０１３５２５×λX
（ただし、λXはμｍ単位）
で示される値とほぼ等しい屈折率のガラスを得、
前記ガラスに加工を施して光学素子を得ることを特徴とする。（ただし、上記屈折率は、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率ｎdを意味する。）
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
レンズ、フィルター、プリズム、ミラーなどの光学素子を実装すると、温度、圧力などの外乱によって光学素子に複屈折が誘起される。したがって、高性能・高精度の光学素子を得るためには、これらの外乱によって誘起される複屈折の生じにくいガラスを用いることが有用である。複屈折の大部分は、光弾性定数Ｃに比例する。
【００１５】
例えば、残留応力に起因する複屈折βSは、βS＝（２π／λ）・Ｃ・Ｔであり、熱応力複屈折βTは、βT＝Ｃ・（α・Ｅ／（１−νP））・ｆである。なお、λ：波長、Ｔ：残留応力、Ｅ：ヤング率、α：線膨張係数、ｆ：形状に依存する係数、νP：ポアソン比である。
【００１６】
ところが、今回、ガラスの光弾性定数には波長依存性があり、透過光の波長を変えると光弾性定数の絶対値が変化してしまうことが判明した。そのため、透過光の波長を変えたとき、どのようにすれば、その波長における光弾性定数の絶対値をゼロに近づけることができるかが問題となる。
【００１７】
そこで、後述するように、光ヘテロダイン法による測定方法（高和 宏行，梅田 倫弘：“周波数安定化横ゼーマンレーザによる光弾性定数測定”，光学，２０（１９９１）１１２―１１４）を用いた図２に示す光弾性測定装置によって、各透過波長におけるガラスの光弾性定数と屈折率とを高精度に測定した。
【００１８】
図１には、波長１．５２３μｍおよび６３２．８ｎｍにおけるガラスの光弾性定数を、図２の光弾性測定装置を用いて測定した測定結果を示す。
測定したガラス試料は、ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラス（以下、ＬＢ系ガラスと呼ぶ）であり、屈折率を種々に変えたＬＢ系ガラス試料を作製して行った。なお、屈折率はいずれも黄色ヘリウムのｄスペクトル線（波長５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率ｎdである。
【００１９】
図１に示すように、屈折率に対する光弾性定数の各測定値は、回帰直線によく一致した。回帰直線１１は波長６３２．８ｎｍの測定値に対するものであり、回帰直線１２は波長１．５２３μｍの測定値に対するものである。また、同一試料において、波長を長くすると光弾性定数が大きくなり、光弾性定数が波長に対して正の依存性を持つことがわかった。また、図１に示すように、光弾性定数は屈折率に対して負の依存性があることがわかった。
【００２０】
０．２４〜０．８μｍの範囲における任意の波長λxに対する光弾性定数Ｃがゼロになる屈折率ｎは、波長６３２．８ｎｍ及び１．５２３μｍの測定データより、線形性が満足されるとすると、次式で表せる。
ｎ＝１．８４２５＋０．０１３５２５×λx
【００２１】
これより、ＬＢ系ガラスに対し、上記波長範囲における任意の波長で光弾性定数ゼロを満たす光学素子材料用のガラスの設計が可能となった。また、ＬＢ系ガラス以外のガラスに対しても、上記と同様に、各波長におけるガラスの光弾性定数と屈折率とを測定すれば、当該ガラスに対する任意の波長での光弾性定数がゼロとなる屈折率がわかり、透過波長での光弾性定数が極めて小さな光学素子を作製することが可能となる。
【００２２】
次に、低光弾性ガラスの具体的な製造方法を述べる。
まず、光弾性定数がゼロとなる目標の屈折率よりも小さな屈折率のカレットＡと大きな屈折率のカレットＢを作製する。そのために、表１に示す組成（重量％で表示）で、カレットＡ用、カレットＢ用のバッチ原料を調合し、これらバッチ原料をそれぞれ石英ガラス坩堝で溶解し、カレットＡ、Ｂを作製する。ＦＲ系ガラスは高鉛含有ガラスであるため、ガラス中の鉛成分の原料であるＰｂＯを白金坩堝でガラス化させてしまうと、多量の白金がイオン化してガラス中に溶け込んでしまい、特に短波長側の光吸収を強く招くことから、ガラスバッチ原料を石英ガラス坩堝でガラス化する。
【００２３】
【表１】
作製したカレットＡ、Ｂの屈折率を測定し（カレットＡの屈折率ｎdは、１.８４５５２であり、カレットＢの屈折率ｎdは、１.８８３５９であった。）、所望の屈折率となるように、カレットＡとカレットＢを調合する。図３にカレットＡ、Ｂを調合した調合例を示す。
【００２４】
次いで、調合したカレットを白金坩堝で再溶解し、脱泡・均質化し、型にキャストしてガラスブロックを作製した。再溶解時には、乾燥酸素によってバブリングしてガラス中の水分を取り除き、ガラス中のＯＨ基による吸収の低減を図った。なお、乾燥窒素によってバブリングを行うと、高鉛含有ガラスの還元を起こしてしまうおそれがあるため、乾燥酸素を使用した。
【００２５】
カレットＡ、Ｂの調合により屈折率の異なる種々のガラスを作製し、これらガラスの光弾性定数［（ｎｍ／ｃｍ）／（ｋｇｆ／ｃｍ2）］を測定したところ、図１に示される結果となった。なお、図１中のＮＯ.２〜ＮＯ.４は、上記調合カレットＮＯ.２〜ＮＯ.４で作製されたガラスの光弾性定数の測定値をプロットしたものである。
【００２６】
これらのガラスを所望の形状に加工し、光学素子として、レンズ、フィルター、プリズムを作製した。そして、作製されたこれら光学素子に、０．２４〜０．８μｍの範囲内の所定の使用波長λx近傍の光を透過させたところ、複屈折が極めて小さく良好な光学素子が得られた。
【００２７】
また、バッチ原料を溶解して一度に目標の屈折率のガラスを製造する場合、バッチ原料をガラス化する工程で酸化物や塩類として持ち込んだ蒸気圧の異なるガラス構成元素が揮発するため、ガラス組成を正確に調整するのは困難である。しかし、上述したように、まず初めに目標の屈折率よりも小さな屈折率のカレットＡと大きな屈折率のカレットＢを作製し、目標の屈折率となるようにカレットＡとカレットＢを調合し、調合したカレットＡ、Ｂを再溶解してガラスを作製しているので、ガラス組成が一定で所望の屈折率のガラスを再現性よく製造することができる。
【００２８】
次に、各透過波長におけるガラス試料の光弾性定数を、光ヘテロダイン法により測定する測定方法を、図２に示す光弾性測定装置により説明する。図２における測定では、円柱状ないし円盤状の試料２０に直径方向から圧縮応力を与え、それによって生ずるリターデーション（複屈折位相差）Δを計測した。
【００２９】
周波数安定化横ゼーマンレーザ２１からのレーザー光を、１／２波長板２２、試料２０及び検光子２３を透過させて、光電検出器２４で検出し、光電検出器２４で検出された電気信号を電気位相計２７に入力する。電気位相計２７は、光電検出器２４からの電気信号と、レーザ２１の安定化制御用ビート信号（基準信号）との位相差信号を出力し、この位相差信号がＡ／Ｄ変換器２８ａでデジタル変換されて、コンピュータ２９に取り込まれる。また、加圧装置２５により試料２０に加えられる負荷量は、ロードセル２６によって検出され、Ａ／Ｄ変換器２８ｂでデジタル変換されて、コンピュータ２９に取り込まれる。なお、レーザ２１として、波長６３２．８ｎｍと、新たに波長１．５２３μｍのＨｅ‐Ｎｅレーザを使用し、それぞれ横ゼーマンレーザに構成して測定装置を構築した。
【００３０】
周波数安定化横ゼーマンレーザ２１からの出射光は、周波数がわずかに異なり、互いに直交する二つの直線偏光成分からなる。二つの偏光成分の振動方向をそれぞれｘ方向（横磁場の方向）、ｙ方向とすると、これらの振動成分Ｅx、Ｅyは次のように表すことができる。
Ｅx＝ａxｃｏｓωｔ
Ｅy＝ａyｃｏｓ(ωｔ＋２πｆbｔ)
ここで、ａx、ａyはｘおよびｙ成分の振幅、ωはｘ成分の光周波数、ｆbはｘ成分とｙ成分との周波数差である。
【００３１】
試料２０の進相軸とｘ方向成分とを一致させると、ｙ方向成分の位相差はΔだけ遅れ、これが方位４５°の検光子２３を通過すると、透過光強度Ｉは次式のようになる。
Ｉ＝ａx 2＋ａy 2＋２ａxａyｃｏｓ(２πｆbｔ＋Δ)
上式は、光電検出器２４に入射する信号が周波数ｆbの余弦信号で、その位相が試料２０のリターデーションΔによって変化することを表している。
【００３２】
円柱状の試料２０の直径方向にレーザ２１に与えられた磁場に対して９０度となる方向に圧縮負荷を加えて、それにより生じる試料２０のリターデーションを測定し、次式により光弾性定数Ｃを計算する。
Ｃ＝πＤ・Δ／８Ｐ
ただし、Ｄは円柱状の試料２０の直径、Δは円柱状試料２０の中央部でのリターデーション、Ｐは圧縮負荷である。
【００３３】
１／２波長板２２と検光子２３を１：２の割合で回転角を同期させて回転させると、周波数ｆbの余弦信号に影響を与えることなく、偏光の方位を変化させることができる。１／２波長板２２と検光子２３とを回転させながら位相差を測定すると、直交する二つの偏光方向のうち一つが試料２０の進相軸（Ｆ軸）と一致したときの位相差が最大になるので、１／２波長板２２の１回転に対して４周期変化する位相差変化成分が得られる。この成分の振幅と初期位相量とが、それぞれ試料２０のΔ、Ｆ軸方位の２倍となる。
【００３４】
複屈折の状態をベクトルで表現するために、Δをベクトルの大きさ、Ｆ軸方位θの２倍をベクトルの方位として、歪ベクトルＨを定義する（なお、ベクトルＡをＡとアンダーラインを付して表記する）。試料に負荷を与えない状態での残留歪Ｈ Rおよび合成歪（負荷によって生じる負荷歪と残留歪との合成値）Ｈ Sの大きさと方位とを、それぞれＲR、ΘRおよびＲS、ΘSとすると、負荷歪Ｈ Lは、次のように求められる。
Ｈ L＝Ｈ S−Ｈ R＝（ＨLx、ＨLy）
ここで、ＨLxとＨLyとは、それぞれ負荷歪Ｈ Lのｘ成分、ｙ成分で次のように表される。
ＨLx＝ＲSｃｏｓΘS−ＲRｃｏｓΘR
ＨLy＝ＲSｓｉｎΘS−ＲRｓｉｎΘR
【００３５】
このようにして、残留歪を除去して求められた負荷歪のＦ軸方位から、光弾性定数の正・負を判別できる。光弾性定数が正の場合、負荷を与えた方位（９０°）は密な状態となり、屈折率が大きくなるので、Ｆ軸方位は０°となる。一方、光弾性定数が負の場合は、陽イオンの分極の影響で負荷と同じ方位の屈折率が小さくなるため、Ｆ軸方位は９０°となる。
【００３６】
測定の信頼性を高めるために、実際の測定では、負荷を変化させて複屈折量を数点計測し、負荷に対し最小二乗法で直線近似し、得られた直線の傾きから光弾性定数を求めている。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ガラスの光弾性定数には波長依存性があるとの知見に基づき、０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長における光弾性定数が実質的にゼロとなるガラスを屈折率を指標として確実に作製し、そのガラスから光学素子を製造することが可能となった。
【００３８】
また、まず初めに所望波長での光弾性定数が実質的にゼロとなる屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと小さい屈折率を有するガラスとを作製し、両ガラスを調合して溶解することにより、屈折率がｎとほぼ等しく、所望波長における光弾性定数が極めて小さなガラスからなる光学素子を再現性よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】屈折率が違う種々のＬＢ系ガラス試料に対し、異なる波長で光弾性定数を測定した測定結果を示すグラフである。
【図２】ガラスの光弾性定数を測定する光弾性測定装置を示す概略構成図である。
【図３】目標の屈折率よりも小さな屈折率のカレットＡと大きな屈折率のカレットＢとを調合した調合例におけるデータを示す表である。
【符号の説明】
１１、１２ 回帰直線
２０ 試料
２１ 周波数安定横ゼーマンレーザ
２２ １／２波長板
２３ 検光子
２４ 光電検出器
２５ 加圧装置
２６ ロードセル
２７ 電気位相計
２８ａ、２８ｂ Ａ／Ｄ変換器
２９ コンピュータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子及びその製造方法に係り、特に、光弾性定数が極めて小さなガラスからなり、紫外域から近赤外域において使用されるレンズ、フィルター、プリズムなどの光学素子及び光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズ、フィルター等の透明ガラスからなる光学素子を装置に実装する時には、フレーム等のベースに固定部材を用いて光学素子を固定する。しかし、固定するときの締付などの力によって光学素子に歪が生じ、複屈折が誘起されて収差が生じるなど、光学素子の性能が悪化する場合がある。そのため、組立精度が低下しない程度に光学素子と固定部材の間に緩衝材を設けたり、光学素子形状を固定による応力変形を受けにくい形状にするなどの対策が施されている。しかし、高精度・高性能を要求される光学素子では、これら対策だけでは十分ではなく、光学素子に外力、熱等の外乱が加わっても誘起される複屈折量が少ないように、光学素子を構成するガラス材料に、鉛ガラスなどの光弾性定数の小さいガラスが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、光弾性定数はガラスの組成を僅かに変えても、大きく変化してしまう。しかも、精度良く所望の組成のガラスを再現性よく製造するのは難しく、光弾性定数が小さいガラスを得、そのガラスから光学素子を作るためには、どのような指針で製造すればよいか明らかでなかった。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、光弾性定数が極めて小さなガラスからなる光学素子及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光学素子は、
ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラスであり、
０．２４〜０．８μｍのいずれかの波長に対する光弾性定数が、
−１×１０-1〜＋１×１０-1（ｎｍ／ｃｍ）／（ｋｇｆ／ｃｍ2）であるガラスからなることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の光学素子の製造方法は、
波長０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長λXにおいて光弾性定数が小さいガラス製の光学素子を得るための方法であって、
ガラス素材としてほぼ同じ組成を有し、前記波長λXでの光弾性定数が実質的にゼロとなる屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと、前記屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスとを用い、
前記屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと前記屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスとを溶解し、溶解されてできたガラスの屈折率が前記屈折率ｎとほぼ等しくなるようにしてガラスを得、
前記ガラスに加工を施して光学素子を得ることを特徴とする。
【０００７】
ここで、光弾性定数が実質的にゼロのガラスとは、光弾性定数が±１×１０-1（ｎｍ／ｃｍ）／（ｋｇｆ／ｃｍ2）以下のガラスをいう（なお、この値は石英ガラスの光弾性定数よりも２桁小さい）。
【０００８】
ところで、光学素子を用いた各種装置において、使用する光源（レーザー等）の波長を変えると、光学系で収差が生じるなど、性能・精度が低下することがあった。その原因を究明したところ、ガラスの光弾性定数には波長依存性があり、光学素子を透過する光の波長を変えると光弾性定数の絶対値が増加してしまうために、光学素子の性能が低下することが判明した。
【０００９】
そこで、上記発明では、使用する透過波長λxにおける光弾性定数が実質的にゼロとなるガラスの屈折率ｎを、予め正確な測定から求めておき、目標とする屈折率ｎの値よりも大きな値のガラスと小さい値のガラスを作製し、それらガラスを溶解して目標の屈折率ｎとほぼ等しいガラスを得るようにしている。したがって、０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長において光弾性定数が実質的にゼロとなる屈折率のガラスを製造し、このガラスを用いて使用する波長域で光弾性定数が極めて小さな光学素子を作製できる。
【００１０】
また、原料を溶解して一度に目標の屈折率のガラスを製造する場合、原料をガラス化する工程で原料の一部が揮発するためガラス組成を正確にコントロールするのは困難であるが、まず初めに目標の屈折率を挟んで、これより大きな値のガラスと小さな値のガラスとをそれぞれ原料を溶解して作製し、次いで両ガラスを再溶解して目標の屈折率に近似するガラスを作製しているので、ガラス組成が一定で所望の屈折率のガラスからなる光学素子を再現性よく製造することができる。
【００１１】
なお、光弾性定数の正確な測定には、光ヘテロダイン法による測定方法（高和宏行，梅田 倫弘：“周波数安定化横ゼーマンレーザによる光弾性定数測定”，光学，２０（１９９１）１１２―１１４）を使用し、所望の透過波長におけるガラスの光弾性定数と屈折率とを高精度に測定した。
【００１２】
上記光学素子の製造方法において、
前記屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスに、ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラスを用い、
前記屈折率ｎとして次式、
ｎ＝１．８４２５＋０．０１３５２５×λX
（ただし、λXはμｍ単位）
で示される値を使用するのが好ましい（ただし、上記屈折率は、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率ｎdを意味する。）。
このようにすると、光弾性定数が実質的にゼロのガラスからなる光学素子を再現性良く製造することができる。
【００１３】
また、本発明の光学素子の製造方法は、
波長０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長λXにおいて光弾性定数が小さいガラス製の光学素子を得るための方法であって、
ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラスを用い、
前記波長λXでの屈折率ｎとして次式、
ｎ＝１．８４２５＋０．０１３５２５×λX
（ただし、λXはμｍ単位）
で示される値とほぼ等しい屈折率のガラスを得、
前記ガラスに加工を施して光学素子を得ることを特徴とする。（ただし、上記屈折率は、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率ｎdを意味する。）
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
レンズ、フィルター、プリズム、ミラーなどの光学素子を実装すると、温度、圧力などの外乱によって光学素子に複屈折が誘起される。したがって、高性能・高精度の光学素子を得るためには、これらの外乱によって誘起される複屈折の生じにくいガラスを用いることが有用である。複屈折の大部分は、光弾性定数Ｃに比例する。
【００１５】
例えば、残留応力に起因する複屈折βSは、βS＝（２π／λ）・Ｃ・Ｔであり、熱応力複屈折βTは、βT＝Ｃ・（α・Ｅ／（１−νP））・ｆである。なお、λ：波長、Ｔ：残留応力、Ｅ：ヤング率、α：線膨張係数、ｆ：形状に依存する係数、νP：ポアソン比である。
【００１６】
ところが、今回、ガラスの光弾性定数には波長依存性があり、透過光の波長を変えると光弾性定数の絶対値が変化してしまうことが判明した。そのため、透過光の波長を変えたとき、どのようにすれば、その波長における光弾性定数の絶対値をゼロに近づけることができるかが問題となる。
【００１７】
そこで、後述するように、光ヘテロダイン法による測定方法（高和 宏行，梅田 倫弘：“周波数安定化横ゼーマンレーザによる光弾性定数測定”，光学，２０（１９９１）１１２―１１４）を用いた図２に示す光弾性測定装置によって、各透過波長におけるガラスの光弾性定数と屈折率とを高精度に測定した。
【００１８】
図１には、波長１．５２３μｍおよび６３２．８ｎｍにおけるガラスの光弾性定数を、図２の光弾性測定装置を用いて測定した測定結果を示す。
測定したガラス試料は、ガラス組成として、ＳｉＯ2を５〜２８ｗｔ％、Ｂ2Ｏ3を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ2Ｏ3を０〜５ｗｔ％、Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ2＋Ｂ2Ｏ3＋Ａｌ2Ｏ3を１６〜２８ｗｔ％含有するガラス（以下、ＬＢ系ガラスと呼ぶ）であり、屈折率を種々に変えたＬＢ系ガラス試料を作製して行った。なお、屈折率はいずれも黄色ヘリウムのｄスペクトル線（波長５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率ｎdである。
【００１９】
図１に示すように、屈折率に対する光弾性定数の各測定値は、回帰直線によく一致した。回帰直線１１は波長６３２．８ｎｍの測定値に対するものであり、回帰直線１２は波長１．５２３μｍの測定値に対するものである。また、同一試料において、波長を長くすると光弾性定数が大きくなり、光弾性定数が波長に対して正の依存性を持つことがわかった。また、図１に示すように、光弾性定数は屈折率に対して負の依存性があることがわかった。
【００２０】
０．２４〜０．８μｍの範囲における任意の波長λxに対する光弾性定数Ｃがゼロになる屈折率ｎは、波長６３２．８ｎｍ及び１．５２３μｍの測定データより、線形性が満足されるとすると、次式で表せる。
ｎ＝１．８４２５＋０．０１３５２５×λx
【００２１】
これより、ＬＢ系ガラスに対し、上記波長範囲における任意の波長で光弾性定数ゼロを満たす光学素子材料用のガラスの設計が可能となった。また、ＬＢ系ガラス以外のガラスに対しても、上記と同様に、各波長におけるガラスの光弾性定数と屈折率とを測定すれば、当該ガラスに対する任意の波長での光弾性定数がゼロとなる屈折率がわかり、透過波長での光弾性定数が極めて小さな光学素子を作製することが可能となる。
【００２２】
次に、低光弾性ガラスの具体的な製造方法を述べる。
まず、光弾性定数がゼロとなる目標の屈折率よりも小さな屈折率のカレットＡと大きな屈折率のカレットＢを作製する。そのために、表１に示す組成（重量％で表示）で、カレットＡ用、カレットＢ用のバッチ原料を調合し、これらバッチ原料をそれぞれ石英ガラス坩堝で溶解し、カレットＡ、Ｂを作製する。ＦＲ系ガラスは高鉛含有ガラスであるため、ガラス中の鉛成分の原料であるＰｂＯを白金坩堝でガラス化させてしまうと、多量の白金がイオン化してガラス中に溶け込んでしまい、特に短波長側の光吸収を強く招くことから、ガラスバッチ原料を石英ガラス坩堝でガラス化する。
【００２３】
【表１】
【００２４】
次いで、調合したカレットを白金坩堝で再溶解し、脱泡・均質化し、型にキャストしてガラスブロックを作製した。再溶解時には、乾燥酸素によってバブリングしてガラス中の水分を取り除き、ガラス中のＯＨ基による吸収の低減を図った。なお、乾燥窒素によってバブリングを行うと、高鉛含有ガラスの還元を起こしてしまうおそれがあるため、乾燥酸素を使用した。
【００２５】
カレットＡ、Ｂの調合により屈折率の異なる種々のガラスを作製し、これらガラスの光弾性定数［（ｎｍ／ｃｍ）／（ｋｇｆ／ｃｍ2）］を測定したところ、図１に示される結果となった。なお、図１中のＮＯ.２〜ＮＯ.４は、上記調合カレットＮＯ.２〜ＮＯ.４で作製されたガラスの光弾性定数の測定値をプロットしたものである。
【００２６】
これらのガラスを所望の形状に加工し、光学素子として、レンズ、フィルター、プリズムを作製した。そして、作製されたこれら光学素子に、０．２４〜０．８μｍの範囲内の所定の使用波長λx近傍の光を透過させたところ、複屈折が極めて小さく良好な光学素子が得られた。
【００２７】
また、バッチ原料を溶解して一度に目標の屈折率のガラスを製造する場合、バッチ原料をガラス化する工程で酸化物や塩類として持ち込んだ蒸気圧の異なるガラス構成元素が揮発するため、ガラス組成を正確に調整するのは困難である。しかし、上述したように、まず初めに目標の屈折率よりも小さな屈折率のカレットＡと大きな屈折率のカレットＢを作製し、目標の屈折率となるようにカレットＡとカレットＢを調合し、調合したカレットＡ、Ｂを再溶解してガラスを作製しているので、ガラス組成が一定で所望の屈折率のガラスを再現性よく製造することができる。
【００２８】
次に、各透過波長におけるガラス試料の光弾性定数を、光ヘテロダイン法により測定する測定方法を、図２に示す光弾性測定装置により説明する。図２における測定では、円柱状ないし円盤状の試料２０に直径方向から圧縮応力を与え、それによって生ずるリターデーション（複屈折位相差）Δを計測した。
【００２９】
周波数安定化横ゼーマンレーザ２１からのレーザー光を、１／２波長板２２、試料２０及び検光子２３を透過させて、光電検出器２４で検出し、光電検出器２４で検出された電気信号を電気位相計２７に入力する。電気位相計２７は、光電検出器２４からの電気信号と、レーザ２１の安定化制御用ビート信号（基準信号）との位相差信号を出力し、この位相差信号がＡ／Ｄ変換器２８ａでデジタル変換されて、コンピュータ２９に取り込まれる。また、加圧装置２５により試料２０に加えられる負荷量は、ロードセル２６によって検出され、Ａ／Ｄ変換器２８ｂでデジタル変換されて、コンピュータ２９に取り込まれる。なお、レーザ２１として、波長６３２．８ｎｍと、新たに波長１．５２３μｍのＨｅ‐Ｎｅレーザを使用し、それぞれ横ゼーマンレーザに構成して測定装置を構築した。
【００３０】
周波数安定化横ゼーマンレーザ２１からの出射光は、周波数がわずかに異なり、互いに直交する二つの直線偏光成分からなる。二つの偏光成分の振動方向をそれぞれｘ方向（横磁場の方向）、ｙ方向とすると、これらの振動成分Ｅx、Ｅyは次のように表すことができる。
Ｅx＝ａxｃｏｓωｔ
Ｅy＝ａyｃｏｓ(ωｔ＋２πｆbｔ)
ここで、ａx、ａyはｘおよびｙ成分の振幅、ωはｘ成分の光周波数、ｆbはｘ成分とｙ成分との周波数差である。
【００３１】
試料２０の進相軸とｘ方向成分とを一致させると、ｙ方向成分の位相差はΔだけ遅れ、これが方位４５°の検光子２３を通過すると、透過光強度Ｉは次式のようになる。
Ｉ＝ａx 2＋ａy 2＋２ａxａyｃｏｓ(２πｆbｔ＋Δ)
上式は、光電検出器２４に入射する信号が周波数ｆbの余弦信号で、その位相が試料２０のリターデーションΔによって変化することを表している。
【００３２】
円柱状の試料２０の直径方向にレーザ２１に与えられた磁場に対して９０度となる方向に圧縮負荷を加えて、それにより生じる試料２０のリターデーションを測定し、次式により光弾性定数Ｃを計算する。
Ｃ＝πＤ・Δ／８Ｐ
ただし、Ｄは円柱状の試料２０の直径、Δは円柱状試料２０の中央部でのリターデーション、Ｐは圧縮負荷である。
【００３３】
１／２波長板２２と検光子２３を１：２の割合で回転角を同期させて回転させると、周波数ｆbの余弦信号に影響を与えることなく、偏光の方位を変化させることができる。１／２波長板２２と検光子２３とを回転させながら位相差を測定すると、直交する二つの偏光方向のうち一つが試料２０の進相軸（Ｆ軸）と一致したときの位相差が最大になるので、１／２波長板２２の１回転に対して４周期変化する位相差変化成分が得られる。この成分の振幅と初期位相量とが、それぞれ試料２０のΔ、Ｆ軸方位の２倍となる。
【００３４】
複屈折の状態をベクトルで表現するために、Δをベクトルの大きさ、Ｆ軸方位θの２倍をベクトルの方位として、歪ベクトルＨを定義する（なお、ベクトルＡをＡとアンダーラインを付して表記する）。試料に負荷を与えない状態での残留歪Ｈ Rおよび合成歪（負荷によって生じる負荷歪と残留歪との合成値）Ｈ Sの大きさと方位とを、それぞれＲR、ΘRおよびＲS、ΘSとすると、負荷歪Ｈ Lは、次のように求められる。
Ｈ L＝Ｈ S−Ｈ R＝（ＨLx、ＨLy）
ここで、ＨLxとＨLyとは、それぞれ負荷歪Ｈ Lのｘ成分、ｙ成分で次のように表される。
ＨLx＝ＲSｃｏｓΘS−ＲRｃｏｓΘR
ＨLy＝ＲSｓｉｎΘS−ＲRｓｉｎΘR
【００３５】
このようにして、残留歪を除去して求められた負荷歪のＦ軸方位から、光弾性定数の正・負を判別できる。光弾性定数が正の場合、負荷を与えた方位（９０°）は密な状態となり、屈折率が大きくなるので、Ｆ軸方位は０°となる。一方、光弾性定数が負の場合は、陽イオンの分極の影響で負荷と同じ方位の屈折率が小さくなるため、Ｆ軸方位は９０°となる。
【００３６】
測定の信頼性を高めるために、実際の測定では、負荷を変化させて複屈折量を数点計測し、負荷に対し最小二乗法で直線近似し、得られた直線の傾きから光弾性定数を求めている。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ガラスの光弾性定数には波長依存性があるとの知見に基づき、０．２４〜０．８μｍの範囲の所望の波長における光弾性定数が実質的にゼロとなるガラスを屈折率を指標として確実に作製し、そのガラスから光学素子を製造することが可能となった。
【００３８】
また、まず初めに所望波長での光弾性定数が実質的にゼロとなる屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと小さい屈折率を有するガラスとを作製し、両ガラスを調合して溶解することにより、屈折率がｎとほぼ等しく、所望波長における光弾性定数が極めて小さなガラスからなる光学素子を再現性よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】屈折率が違う種々のＬＢ系ガラス試料に対し、異なる波長で光弾性定数を測定した測定結果を示すグラフである。
【図２】ガラスの光弾性定数を測定する光弾性測定装置を示す概略構成図である。
【図３】目標の屈折率よりも小さな屈折率のカレットＡと大きな屈折率のカレットＢとを調合した調合例におけるデータを示す表である。
【符号の説明】
１１、１２ 回帰直線
２０ 試料
２１ 周波数安定横ゼーマンレーザ
２２ １／２波長板
２３ 検光子
２４ 光電検出器
２５ 加圧装置
２６ ロードセル
２７ 電気位相計
２８ａ、２８ｂ Ａ／Ｄ変換器
２９ コンピュータ
Claims (3)
- ガラス組成として、ＳｉＯ ２ を５〜２８ｗｔ％、Ｂ ２ Ｏ ３ を０〜１０ｗｔ％、Ａｌ ２ Ｏ ３ を０〜５ｗｔ％、Ｎａ ２ Ｏ＋Ｋ ２ Ｏを０．３〜２．５ｗｔ％、ＰｂＯを６９．５〜８３．７ｗｔ％、Ａｓ ２ Ｏ ３ ＋Ｓｂ ２ Ｏ ３ を０〜０．５ｗｔ％、ただし、ＳｉＯ ２ ＋Ｂ ２ Ｏ ３ ＋Ａｌ ２ Ｏ ３ を１６〜２８ｗｔ％含有するガラスを使用し、
波長０．２４〜０．８μｍの範囲の任意の波長λ Ｘ において、前記ガラス組成のガラスの光弾性定数が実質的にゼロとなる、屈折率ｎと波長λ Ｘ との関係を表す次式、
ｎ＝１．８４２５＋０．０１３５２５×λ Ｘ
（ただし、波長λ Ｘ はμｍ単位であり、屈折率ｎは、波長５８７．５６ｎｍにおける屈折率ｎ d を意味する。）を用いて、
使用する波長λ Ｘ で上記の式をほぼ満たす屈折率ｎの前記ガラス組成のガラスを得、当該ガラスに加工を施して光学素子を製造することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 前記使用波長λ Ｘ において、前記ガラス組成であって前記屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと、前記ガラス組成であって前記屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスとを用い、
前記屈折率ｎより大きい屈折率を有するガラスと前記屈折率ｎより小さい屈折率を有するガラスとを溶解し、溶解されてできたガラスの屈折率が前記屈折率ｎとほぼ等しくなるようにして得られたガラスを用いることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。 - 請求項１または２に記載の光学素子の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする光学素子。
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