JP5763612B2 - ロッドレンズの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１による、２００ｍｍまでのロッドレンズ面の包絡直径および少なくとも８００ｍｍのエッジ長さを有するロッドレンズの製造方法と、請求項４による、ロッドレンズの製造に使用し得るロッドレンズのベース素子の製造における火炎加水分解法の使用と、請求項５による、ロッドレンズのベース素子の製造装置とに関する。

ロッドレンズは、特に石英ガラス製の透明な細長い素子から形成される光学素子およびデバイスである。この素子は次の代表的な幾何学的形状を有する。すなわちエッジ長さ（Ｌ）×高さ（Ｈ）×厚さ（Ｄ）である。この場合、光の入射面および出射面はＬ×Ｈによって画定され、エッジ長さ（Ｌ）は高さ（Ｈ）よりも何倍も大きい。エッジ寸法（Ｄ）および（Ｈ）が直角三角形の直角を挟む２辺を形成する場合は、この直角三角形は、ロッドレンズ面の直径を同時に形成する斜辺を生成する。用途に応じて、光の入射面および出射面は、Ｌ方向における、またＨ方向における古典的な光学処理によって、平面、凸面または凹面の機能面として形成される。ロッドレンズは、表示技術、ＬＥＤ光源装置および光学的画像装置において用いられる。

ロッドレンズを製造するには、最初に、ロッドレンズのベース素子を例えば正方形のロッドとして製造する。この正方形のロッドを、引き続いて研摩工程によってロッドレンズの最終形状にするのである。合成石英ガラス製のロッドレンズ素子、あるいはそれから製造されるロッドレンズは、その全長にわたって高度の光学的均質性を有しなければならず、また特に、気泡、夾雑物、層状体および脈理を含まないものでなければならない。さらに、石英ガラスは、≧１０００ｐｐｍのＯＨ含有量と、≧０．８×１０^１８分子／ｃｍ^３のＨ_２含有量とを有するべきである。

これらの高い光学的な要求を達成するために、通常、多段の溶融工程から調製される石英ガラスが用いられる。これは、予備製作された石英ガラス素子を、均質化のステップ（特許文献１）および／または追加のＨ_２付与の工程（特許文献２）によって複雑な方法で仕上げることを意味している。このように作製された石英ガラスの円柱体をさらに付加的な工程において熱的に成形しなければならない。これは、ガラス材料を例えばグラファイト製の型の中に入れ、引き続いて沈下キルンの中で軟化温度または流動温度にすることを意味している。このため、ガラス材料は型の中に沈下する。フラットな型の場合は、引き続いて特定のロッドレンズ素子に分離されるガラス表面（沈下ブロック）が形成される。ロッドレンズの形状が極端である（ＬがＨの何倍もの大きさである）ために、ロッドレンズ素子の最終的な所要の形状を得るまでには、多段の沈下工程が必要である。

上記に引用した沈下法は、ガラスの円柱体内部における不均質個所の位置の正確な制御を必要とする。石英ガラスの円柱体内部に設けられる不均質個所、特に生じ得る層状体が、沈下工程においてその方位を変えないようにしなければならない。それは、光の所定の伝播方向が完成したロッドレンズにおいてこれらの層状体に垂直に向けられたままであり、ロッドレンズの全エッジ長さにわたってロッドレンズの光の伝播の方向（Ｄ）に影響を及ぼさないようにするためである。

近年新しく導入された光学素子、特に有機ＬＥＤ、いわゆるＯＬＥＤによって、その高さに対して相対的に狭いさらに長いロッドレンズが必要になっている。このようなロッドレンズは約８００ｍｍ以上のエッジ長さを有する。さらに、強いレーザ照射に曝露されるロッドレンズは、レンズ素子内部の蛍光性ができるだけ小さいものでなければならない。それに関連して、種々の用途において、紫外線スペクトルの範囲におけるレンズ素子の高度の透過率が必要である。

必要な特性を備えたロッドレンズは、きわめて複雑な方法の沈下法によってのみ、かつ長い製造時間においてのみ製造可能であることが明らかである。従って、特に、ロッドレンズ素子の長い長さにわたる均一な光学的特性の正確な制御が問題点を惹起する。１７００℃以上の沈下工程の間の高温によって、非常にしばしば、ガラス材料の材料特性における好ましくない変化が生起する。グラファイトの型との接触によっても、ガラスの制御されない特性変化が誘起される。より長いロッドレンズ素子は、さらに、多段の工程においてのみ、従って時間を要する方式においてのみ製造可能である。さらに、最後の沈下ブロックに対して複雑な仕上げを実施しなければならず、これは、部分的に相当量の材料損失を伴って実施せざるを得ない。さらにまた、グラファイトの型の稼動寿命は有限であり、その製作は高価である。さらに加えて、ガラス材料の品質と沈下法の実施の成功との最終的なチェックは、完成したロッドレンズにおいてのみ可能である。

独国特許第１０２００５０４３２８９Ｂ３号明細書 独国特許翻訳版第６９６１３２６８Ｔ３号明細書

従って、本発明の目的は、特に少なくとも８００ｍｍの長いエッジ長さを有するロッドレンズの製造が簡易化されるロッドレンズの製造方法であって、コスト効率的であり、かつ製造時間が大幅に短縮される製造方法を提供することにある。しかもこの場合、製造されるロッドレンズは、強いレーザ放射を受ける場合、有利な光学的特性を有しなければならない。

この目的は、請求項１の教示による、２００ｍｍまでのロッドレンズ面の包絡直径および少なくとも８００ｍｍのエッジ長さを有するロッドレンズの製造方法によって実現される。さらにこの目的は、方法請求項４の特徴と、請求項５の特徴を備えた装置とによって実現される。

請求項１による方法は、溶融シリカのインゴットの形態の合成石英ガラス材料製のロッドレンズのベース素子を、火炎加水分解法を用いて製造するという特徴を有する。それに従って、ＳｉＯ_ｘ粒子を火炎流れから直接単段堆積させる工程が、回転および可動ダイに対して実施される。

このタイプの方法は、比較的短くかつ厚い石英ガラスの円柱体と類似の半仕上げ製品との製造からすでに知られている。それらは、好ましくは、特に無欠陥かつ明確な材料構造が半仕上げ製品の光学的機能の方向に沿って規定されるような、あるいは、光学的構成要素が重要であるような光学ウエハおよびリソグラフィー素子に仕上げられる。

意外なことに、上記に引用した長さおよび厚さのロッドレンズのベース素子を、火炎加水分解法を用いて製造し得ることが明らかになった。この場合、特に、得られるロッドレンズ素子は、その全断面にわたってだけでなく、さらにその全長にわたっても不均質性を含まないことが明らかである。これは、これまで期待し得なかったことである。それは、火炎加水分解法が、縦方向に不均質性を含まない半仕上げ製品の製造に関与しておらず、従って、長いロッドレンズ素子の製造にも用いられていないからである。しかし、特に、この方法で製造されたむしろ長いロッドレンズ素子が、完成ロッドレンズにさらに加工するための優れたベース材料であることが判明した。これは、特に次の点で重要である。すなわち、この方法によって、優れた光学的特性を有する比較的長いエッジ長さのロッドレンズ素子の製造が、先行技術において用いられる沈下法に比べて、連続法において、しかもさらに短時間で、従って、コンベヤベルト上の方法に正確に類似して簡易化されるという点である。

この方法の有利な一実施態様において、堆積工程において堆積される合成石英ガラスが、１０００ｐｐｍより高いＯＨ含有量を有する。従って、それは、比較的高含有量のＯＨ基および水素を含む合成石英ガラスであって、レーザ誘起の蛍光が抑制された合成石英ガラスである。

別の実施態様においては、堆積工程において堆積される合成石英ガラスが約１９３〜４００ｎｍの波長範囲の紫外線放射に対して最大の透過率を有するように、この方法が実施される。

本発明の別の態様は、ロッドレンズ製造用のロッドレンズ素子を製造するために、ＳｉＯ_ｘ粒子を火炎流れから回転および可動ダイの上に直接単段堆積させる工程を含む火炎加水分解法を使用することを含む。

２００ｍｍまでのロッドレンズ面の包絡直径および少なくとも８００ｍｍのエッジ長さを有するロッドレンズ素子の製造装置においては、多重シェルの管状またはトンネル形状のマッフルを備えたマッフルキルンに、第１の側からマッフル内に差し込まれるバーナであって、ケイ素を含む反応剤用の供給装置を備えたバーナと、バーナの反対側に配置される可動ダイとが設けられる。さらに、この装置は、マッフルが、成形されたＦＳインゴットの包絡面およびマッフルの内壁の間の４０〜７５ｍｍの範囲の間隔と、マッフルおよびＦＳインゴットの溶融表面の間の１０〜２５ｍｍの間隔とを有するマッフル形状を備え、かつ、マッフルが、１１００〜１３００℃の換気空気制御されたキルン温度を有する、ことを特徴とする。

別の実施態様においては、マッフルが、少なくとも５０ｍｍの長さの温度安定用の横方向の炉の延長部を含む。

以下、本発明を実施態様に基づいてさらに詳しく説明する。さらなる説明のために図１および２を用いる。図においては、同一または等価の構成要素に対しては同じ参照番号を用いる。

図１は、基本的なマッフルの形態を示す。 図２は、炉の延長部を示す。

提案する火炎加水分解法はマッフル炉において実施される。マッフル炉は、このタイプの炉に関して知られる形態を含む。それは管状またはトンネル形状のマッフル１から構成され、その中で堆積工程が遂行される。マッフルは、特に繊維質および／またはセラミックの材料である多孔質の断熱材料１ａと、コンクリートレンガまたは耐火レンガの壁面１ｂと、高温に対して十分に抵抗力のある材料製、特に酸化アルミニウムまたは炭化ケイ素製の内側のフェアリング１ｃとから構成される多重シェルの壁面構成を有することが望ましい。

マッフル１は、その端部にそれぞれの開口を有する。２つの開口の内の一方はダイ４を挿入するのに用いられる。反対側の開口は、その中に挿入されるバーナ２を含むが、バーナ２は複数の火炎を有するように構成することも可能である。バーナ２は、ケイ素を含む反応物質の供給ライン３を含むように構成され、その反応物質は、気体形態でバーナ部分に導入され、酸化ケイ素ＳｉＯ_ｘに酸化される。ここで形成された酸化ケイ素の粒子は、火炎の流れの中でダイ４の方向に流され、ダイの上に堆積する。ダイ４は回転可能に支持されているので、粒子の流れによってダイ表面の均等な被覆が形成される。これによって、合成生成された石英ガラスの成長層が、溶融シリカインゴット（ｆｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃａ ｉｎｇｏｔ：ＦＳインゴット）５の形態において、ダイ４の表面上に形成される。

この方法は、バーナ２の火炎部分と形成中の石英ガラス層の表面との間の間隔が実質的に一定に維持されるように実施される。すなわち、石英ガラスの円柱体またはＦＳインゴット５がダイ４上に長さを増大しながら形成されるように、ダイ４が連続的な速度で引き戻される。それは、ロッドレンズのベース素子の形成を意味しており、このベース素子は、取り外して、冷却・試験し、続いて、堆積工程完了後直ちに、１つまたは複数のロッドレンズ製造用の半仕上げ製品として直接使用することが可能である。

この方法は、全堆積工程にわたって、かつロッドレンズ素子の大部分に対して均等な高温を供給する。ＦＳインゴットにおけるできるだけ長い溶融長さが重要である。その場合に、ＦＳインゴットの縦方向において不均質性を効果的に防止できる。１１００〜１３００℃の範囲のキルン温度が有利であることが判明している。この場合、温度は、排気空気温度を調整・監視することによって制御される。２３０〜２７０℃の排気空気温度が有用であることが判明している。

マッフルの内壁と堆積されたＦＳインゴットの溶融表面との間の間隔ｂは、光線監視法によって一定に維持することが望ましい。１０〜２５ｍｍの間隔が有用であることが判明している。

形成中のＦＳインゴットとマッフルの内側との間に、再現可能な反応空洞容積を調整および予め選択することが有利である。この場合、ＦＳインゴットの包絡面とマッフルの内壁との間の４０〜７５ｍｍの範囲の間隔を形成するそれぞれ異なるマッフル形状が用いられる。

この点に関して、炉の空洞の調整された可変形態の延長部７であって実際のマッフル１に横方向に接続される延長部７が有利である。このタイプの炉の延長部が図２に表現されている。この炉の延長部は、マッフルの空洞部における温度の整合性にも付加的に寄与する。この延長部は、例えば約５０〜２５０ｍｍの長さＬを含む。

上記の方法は、特に、エッジ長さと高さ／厚さとの間の比が大きいロッドレンズ素子の製造を簡易化する。このロッドレンズ素子の通常の長さは、少なくとも８００ｍｍであり、問題なく１５００ｍｍ以上とすることが可能である。すなわち、エッジ長さＬは、通常のロッドレンズの場合の高さＨまたは厚さＤより何倍も大きい。

仕上げられたロッドレンズ素子の合成石英ガラスは、その全長にわたって完全に均質であり、気泡、層状体、介在物および脈理を含まず、少なくとも１０００ｐｐｍ、特に１２００ｐｐｍ以上の高いＯＨ基含有量を含む。分子水素Ｈ_２の含有量は０．８×１０^１８分子／ｃｍ^３を超えており、通常１．２×１０^１８分子／ｃｍ^３である。応力複屈折の値は５ｎｍ／ｃｍより小さく、通常３ｎｍ／ｃｍ未満である。軸方向においては、４×１０^−６以下の偏差の高い屈折率の均質性が実現される。このガラス材料は、紫外線のスペクトル範囲、すなわち１９３〜４００ｎｍの範囲の光に対して、その全長にわたって最高の透過率を有する。同時に、これは、仕上げられたロッドレンズにおける照射レーザ光の影響による好ましくない蛍光を抑制する。

その材料特性が本質的に同一の２つまたは複数のロッドレンズを、最終的に提供されるロッドレンズが原円柱体のどの部分から切り出されたかに関係なく、１つの石英ガラスの円柱体（ロッドレンズのベース素子）から何ら問題なく製造できる。

本発明を典型的な実施態様に基づいて説明した。他の実施態様は、当業者には明らかであろうし、また、従属請求項からも導出できる。

１ マッフル
１ａ 断熱材料
１ｂ コンクリートレンガ壁または耐火レンガ壁
１ｃ 内側フェアリング
２ バーナ
３ 反応剤用の供給ライン
４ ダイ
５ ＦＳインゴット
６ 溶融表面
７ 炉空洞の延長部
ａ ＦＳインゴットの包絡面からマッフル内壁までの間隔
ｂ 溶融表面からマッフル内壁までの間隔
Ｌ キルン空洞延長部の長さ

Claims (6)

1. ２００ｍｍまでのロッドレンズ面の包絡直径および８００ｍｍ以上のエッジ長さを有するロッドレンズの製造方法において、前記製造が、ＳｉＯ_ｘ粒子を火炎流れから火炎流れに関して直線状にマッフル内で可動な回転ダイ上に直接単段堆積させる工程を含む火炎加水分解法に基づいて溶融シリカのインゴットとして構成される合成石英ガラス材料製の円柱状の素子からの製作によって行われ、
   前記マッフルが、形成中のベース素子（５）の包絡面および前記マッフルの内壁の間の４０〜７５ｍｍの範囲の間隔（ａ）と、前記マッフルおよび前記ベース素子（５）の溶融表面（６）の間の１０〜２５ｍｍの間隔（ｂ）とを有するマッフル形状を具え、これにより最終的なロッドレンズの合成石英ガラスがその全長にわたって均質であることを特徴とするロッドレンズの製造方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記堆積工程において堆積される合成石英ガラス材料の総量が、１０００ｐｐｍより多いＯＨ含有量、および／または、０．８×１０^１８分子／ｃｍ^３より多い、通常１．２×１０^１８分子／ｃｍ^３のＨ_２含有量を有する、ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、前記堆積工程において堆積される合成石英ガラス材料の総量が、１９３〜４００ｎｍの波長範囲の紫外線放射に対して最高の透過率を有する、ことを特徴とする方法。
4. ロッドレンズの製造用として構成される円柱体素子を製造するための、ＳｉＯｘ粒子を火炎流れからマッフル内の回転および可動ダイの上に直接単段堆積させる工程を含む火炎加水分解法の使用であって、
   前記マッフルが、形成中のベース素子（５）の包絡面および前記マッフルの内壁の間の４０〜７５ｍｍの範囲の間隔（ａ）と、前記マッフルおよび前記ベース素子（５）の溶融表面（６）の間の１０〜２５ｍｍの間隔（ｂ）とを有するマッフル形状を具え、これにより最終的なロッドレンズの合成石英ガラスがその全長にわたって均質であることを特徴とする使用。
5. 円柱体形状のロッドレンズベース素子を製造するためのマッフル炉を含む装置であって、前記マッフル炉が、多重シェルの管状またはトンネル形状のマッフル（１）と、第１の側において前記マッフル内に差し込まれるバーナ（２）であり、ケイ素を含む反応剤用の供給ライン（３）を備えたバーナ（２）と、前記マッフルの第２の側における可動なダイ（４）であり、前記バーナの反対側に配置されるダイ（４）とを含む装置において、前記マッフルが、形成中のベース素子（５）の包絡面および前記マッフルの内壁の間の４０〜７５ｍｍの範囲の間隔（ａ）と、前記マッフルおよび前記ベース素子（５）の溶融表面（６）の間の１０〜２５ｍｍの間隔（ｂ）とを有するマッフル形状を含み、かつ、１１００〜１３００℃の排気空気制御されたキルン温度が前記マッフル内に形成され、これにより最終的なロッドレンズの合成石英ガラスがその全長にわたって均質であることを特徴とする装置。
6. 請求項５に記載の装置において、前記マッフルが、少なくとも５０ｍｍの長さの温度安定用の炉空洞部の延長部（７）を含む、ことを特徴とする装置。

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