JP5792026B2 - 光学素子、および光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子、および光学素子の製造方法に関する。

従来、レンズ、プリズム等の光学素子においては、光学素子に入射する光の一部が、例えば、光学素子の外周面等で内面反射すると、この内面反射光が原因となってフレアやゴースト等を発生することがある。
このような内面反射光を抑制するため、光学素子の外周面に光吸収性の塗料を塗布することが知られている。
しかし、ガラス母材を切削、研磨して製造する光学素子の場合、非有効領域である外周面等では、粗ずり面等の粗面加工を行うことが可能であるため、塗料が剥がれることなく安定した塗布状態を保持できる。また、塗布面が粗面であることにより、内面反射光を抑制しやすくなっている。
しかし、近年では、生産効率の高い成形によって製造される光学素子が増えている。成形品では、粗面を形成することが困難であるため、光吸収性の塗料を塗布しても、塗料が剥がれやすくなり、かつ、塗布面が滑らかであるため、内面反射の防止効果が劣ることになるという問題があった。
このため、特許文献１には、チタン（Ｔｉ）を含むガラスを用いた光学素子において、成形時に、光学素子の非光学有効部分に、二酸化炭素による発泡痕を形成する光学素子の製造方法が提案されている。
特許文献１に記載の技術によれば、金型の非光学有効領域転写面の表層に炭素を含む素材を配置し、成形時に６００℃以上７５０℃以下に加熱されると、「化学的活性度の大きいＴｉを含むガラス素材４が炭素を含む素材からなる内面５と触れることで、Ｔｉ原子が内面５の炭素原子への酸素供給成分として働く。これによって、活性酸素が炭素に供給され、活性酸素は炭素と接触することによって二酸化炭素を生成し、光学素子の成形表面に発泡痕が形成される。すなわち、光学素子の非光学部分有効領域のみが粗ずり状態にされる。」ことが記載されている。

特開２０１０−１５９１７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、化学的活性度の高いＴｉがガラスに含まれていない場合には、二酸化炭素の発泡が発生しないため、粗面を形成できないという問題がある。
例えば、酸化ビスマスを含む超高屈折率ガラスを用いたガラス成形には、特許文献１に記載の技術が適用できないため、このようなガラス材料を用いた場合でも、塗料が剥がれにくくなる粗面を形成できるようにすることが強く求められている。また、高屈折率を有するガラス材料は、低屈折率のガラス材料に比べて内面反射を起こしやすいという問題もある。

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、酸化ビスマスを含むガラス材料で構成されていても、光学有効領域外への塗料の塗布が容易となり、塗料の剥がれを抑制することができる光学素子および光学素子の製造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、本発明の光学素子は、酸化ビスマスを含むガラス材料で成形された光学素子であって、光学有効領域外のガラス表面に、前記ガラス材料中の酸化ビスマスが還元されてなる金属ビスマスを含む変質層が形成された構成とする。

本発明の光学素子の製造方法は、酸化ビスマスを含むガラス材料を用いた光学素子の製造方法であって、前記光学素子の形状を前記ガラス材料に転写する形状の成形面を有し、該成形面のうち前記光学素子の光学有効領域外の表面形状を転写する部分の少なくとも表面に、ビスマスよりもイオン化傾向の大きい元素を含む還元層が設けられた光学素子成形用型を準備する型準備工程と、前記光学素子成形用型を非酸化雰囲気に配置し、加熱された前記ガラス材料を前記光学素子成形用型によってプレスして、前記ガラス材料に前記光学素子の形状を転写するとともに、前記還元層と密着する前記ガラス材料の表面に金属ビスマスを含む変質層を形成する成形工程と、を備える方法とする。

また、本発明の光学素子に製造方法では、前記還元層は、ビスマスよりもイオン化傾向の大きい元素の酸化物、窒化物、または炭化物を含むことが可能である。

また、本発明の光学素子の製造方法は、前記光学素子成形用型の成形面のうち、前記光学素子の光学有効領域の表面を形成する部分が、白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、ハフニウムで構成される元素群の中の少なくとも１種の元素からなる、又は前記元素群の中の少なくとも１種の元素を含む合金からなることが可能である。

また、本発明の光学素子の製造方法は、前記光学素子成形用型の成形面のうち、前記光学素子の光学有効領域の表面を形成する部分が、前記元素群の中の少なくとも２種の元素から構成される合金からなることが可能である。

本発明の光学素子および光学素子の製造方法によれば、光学素子の光学有効領域外のガラス表面に金属ビスマスを含む変質層が形成されるため、酸化ビスマスを含むガラス材料で構成されていても、光学有効領域外への塗料の塗布が容易となり、塗料の剥がれを抑制する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一例を示す正面図、平面図、および光学有効領域外のガラス表面の拡大断面図である。 本発明の実施形態の光学素子の製造方法に用いる光学素子成形用型の分解図である。 光学素子成形用型の還元層の拡大断面図、および光学有効領域の表面を形成する光学素子成形用型の成形面の拡大断面図である。 本発明の実施形態の光学素子の製造方法に用いる成形装置の断面図である。 本発明の実施形態の光学素子の製造方法の成形工程を示す工程説明図である。 本発明の実施形態の光学素子を用いた光学部品の一例を示す正面図、平面図、および光学有効領域外の部品表面の拡大断面図である。

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。
本発明の実施形態の光学素子について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施形態の光学素子の一例を示す正面図、平面図である。図１（ｃ）は、本発明の実施形態の光学素子の光学有効領域外のガラス表面の拡大断面図である。

本実施形態の光学素子は、酸化ビスマスを含むガラス材料を加工して外形を形成し、光学有効領域外のガラス表面に金属ビスマスを含む変質層を形成したものである。
光学素子の種類としては、光学有効領域内に光を透過させる光学素子であれば特に限定されない。例えば、レンズ、プリズム、ミラー、フィルタ、基板などの適宜の種類を採用することができ、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。
以下では、本実施形態の光学素子について、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すレンズ１の例で説明する。

レンズ１は、酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）を含むガラスＧ（ガラス材料）によって成形された単玉の両凸レンズである。
レンズ１は、凸レンズ面１ａと、凸レンズ面１ｂとを備え、これら凸レンズ面１ａ、１ｂの外周に外形が円形のフランジ部１ｃが設けられた形状を有している。

ガラスＧは、後述する変質層Ｔが形成できる程度に酸化ビスマスが含有されていれば、特に限定されないが、酸化ビスマスの含有量は、１０重量％以上９０重量％以下であれば好ましく、５０重量％以上９０重量％以下であれば、より好ましい。さらに、８０重量％以上９０重量％以下であれば、より一層好ましい。
ガラスＧの具体例としては、例えば、Ｋ−ＰＳＦｎ２（商品名；（株）住田光学ガラス製、ｎ_ｄ＝２．００１７０、Ｃ＝５７（重量％））、Ｋ−ＰＳＦｎ３（商品名；（株）住田光学ガラス製、ｎ_ｄ＝１．８３９１７、Ｃ＝１１（重量％））、Ｌ−ＢＢＨ１（商品名；（株）オハラ製、ｎ_ｄ＝２．１０２０５０、Ｃ＝８４（重量％））、Ｍ−ＦＤＳ２（商品名；ＨＯＹＡ（株）製、ｎ_ｄ＝２．００１７８、Ｃ＝５１（重量％））などの例を挙げることができる。ここで、ｎ_ｄはｄ線における屈折率（メーカデータ）、Ｃは酸化ビスマスの含有量である。ただし、Ｃは、実測に基づく推定値である。
これらの硝材はいずれもガラスモールド用である。

凸レンズ面１ａ、１ｂは、レンズ１の設計仕様に基づく面形状、面精度に加工されている。また、凸レンズ面１ａ、１ｂには、必要に応じて、例えば、反射防止膜コートや保護膜コートなどの膜コートを施すことが可能である。
凸レンズ面１ａでは、光軸Ｏを中心とする直径Ｄ_ａの円内が光学有効領域Ｅ_ａに設定されている。光学有効領域Ｅ_ａの外周側は、非光学有効領域Ｎ_ａを構成している。
同様に、凸レンズ面１ｂでは、光軸Ｏを中心とする直径Ｄ_ｂの円内が光学有効領域Ｅ_ｂに設定されている。光学有効領域Ｅ_ｂの外周側は、非光学有効領域Ｎ_ｂを構成している。
本実施形態では、非光学有効領域Ｎ_ａ、Ｎ_ｂである表面には、図１（ｃ）に示すように、変質層Ｔが形成されている。

変質層Ｔは、ガラスＧの表面が加熱されることにより変質した層状部分であり、特に、ガラスＧ中の酸化ビスマスが還元されることにより変質しているものである。このため、変質層Ｔの最表面には、ガラスＧ中の酸化ビスマスに由来する微量の金属ビスマスの析出、凝集が見られる。また、ガラスＧの組成における、主として酸化ビスマス成分の組成変化と、金属ビスマスの析出、凝集とに伴って、ガラス表面に微細な凹凸形状が形成されている。このため、非光学有効領域Ｎ_ａ、Ｎ_ｂの面粗さは、光学有効領域Ｅ_ａ、Ｅ_ｂにおける面粗さよりも大きくなっている。

フランジ部１ｃの外形は、光軸Ｏと同軸の円筒面からなるフランジ側面１ｆと、凸レンズ面１ａ、１ｂの外周に隣接されそれぞれ光軸Ｏに直交する平面からなるフランジ平面部１ｄ、１ｅとによって形成されている。
フランジ側面１ｆは、レンズ１を、例えばレンズ鏡筒等の保持部材に組み付ける際、レンズ１の径方向の位置決めに用いる位置決め面、あるいは径方向の位置を固定する固定面として用いることが可能である。
また、フランジ平面部１ｄ、１ｅは、レンズ１を、例えばレンズ鏡筒等の保持部材に組み付ける際、レンズ１の光軸方向の位置決めに用いる位置決め面、あるいは光軸方向の位置を固定する固定面として用いることが可能である。

レンズ１では、入射光、出射光は、いずれも光学有効領域Ｅ_ａ、Ｅ_ｂを通過することが想定されているため、フランジ部１ｃのフランジ側面１ｆ、フランジ平面部１ｄ、１ｅの全体は、光学有効領域外に位置する。
本実施形態では、フランジ側面１ｆ、フランジ平面部１ｄ、１ｅの各表面には、非光学有効領域Ｎ_ａ、Ｎ_ｂと同様に、変質層Ｔが形成されている。

次に、本実施形態のレンズ１を製造するための光学素子の製造方法について説明する。
図２は、本発明の実施形態の光学素子の製造方法に用いる光学素子成形用型の分解図である。図３（ａ）は、光学素子成形用型の還元層の拡大断面図である。図３（ｂ）は、光学有効領域の表面を形成する光学素子成形用型の成形面の拡大断面図である。図４は、本発明の実施形態の光学素子の製造方法に用いる成形装置の断面図である。図５は、本発明の実施形態の光学素子の製造方法の成形工程を示す工程説明図である。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施形態の光学素子を用いた光学部品の一例を示す正面図、平面図、および光学有効領域外の部品表面の拡大断面図である。

本実施形態の光学素子の製造方法は、ガラスＧをプレス成形することによってレンズ１を製造する方法であり、金型準備工程、および成形工程を備える。

金型準備工程は、光学素子成形用型２（図２参照）を準備する工程である。光学素子成形用型２は、レンズ１の形状をガラスＧに転写する形状の成形面を有し、この成形面のうち、レンズ１の光学有効領域外の表面形状である非光学有効領域Ｎ_ａ、Ｎ_ｂ、フランジ側面１ｆ、およびフランジ平面部１ｄ、１ｅの形状を転写する部分の少なくとも表面に、ビスマスよりもイオン化傾向の大きい元素を含む還元層が設けられた金型である。

光学素子成形用型２は、図２に示すように、下型３、上型４、胴型５、および外径型６を備え、これらのそれぞれの中心軸線が、中心軸線Ｐに整列された状態に配置されている。このため、以下では、光学素子成形用型２を構成する各部材の中心軸線をいずれも中心軸線Pと称することにする。

下型３は、レンズ１の外径よりも大きな外径を有する円筒面状の側面３ｄを備えた略円柱状部材からなり、その中心軸線Ｐに沿う軸方向の一方の端部（図２における上側の端部）に、凸レンズ面１ｂの形状を転写する成形面である凹面のレンズ面成形面３ａと、フランジ平面部１ｅの形状を転写する成形面である平面状の平面部成形面３ｂとが形成されている。
平面部成形面３ｂの外周部には、後述する外径型６の内周面６ａと嵌合可能な外径を有し側面３ｄよりも小径の円筒面状の側面と、外径型６の軸方向の端部を当接させるための中心軸線Ｐに直交する平面とで構成された段状の外径型受け部３ｃが設けられている。
また、下型３の軸方向の他方の端部には、側面３ｄから中心軸線Ｐに直交する径方向の外側に延びるフランジ部３ｅが形成されている。フランジ部３ｅの軸方向の他方側の端面（図２の下側の端面）は中心軸線Ｐに直交する下面３ｆを構成している。

本実施形態では、このような構成の下型３は、例えば、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、炭化ケイ素などの、高硬度で耐熱性が良好な材料からなる基体部３Ｃによって外形を形成した後、レンズ面成形面３ａと平面部成形面３ｂとに薄膜層を形成して作製されている。
レンズ面成形面３ａは、凸レンズ面１ｂの光学有効領域Ｅ_ｂと非光学有効領域Ｎ_ｂとにそれぞれ対応して、光学有効領域成形面３Ａと非光学有効領域成形面３Ｂとを有し、それぞれの薄膜層の種類が異なる。

光学有効領域成形面３Ａは、レンズ面成形面３ａにおいて、中心軸線Ｐを中心として直径Ｄ_ｂの範囲内の部分であり、図３（ｂ）に示すように、基体部３Ｃの表面に形成された薄膜層である金属層ｍにより構成される。
金属層ｍの材質は、ガラスＧを成形対象とした場合に、凸レンズ面１ｂに必要とされる面精度の凹面形状を転写して繰り返し成形が行えるような成形性、離型性、耐久性が得られる適宜の金属単体、複数の金属元素の混合体、または合金を含む構成とすることができる。本実施形態では、後述するように、成形工程を非酸化雰囲気で行うため、酸化されやすい金属元素を含む構成も可能である。
金属層ｍに含まれる好ましい金属元素としては、貴金属元素、遷移金属元素を挙げることができる。また、特に好ましい材質としては、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）から選択される少なくとも１種類の元素、もしくはこれら元素を１種以上含む合金を挙げることができる。金属層ｍを合金で形成する場合、例えば、白金とイリジウムとの合金、白金とパラジウムとの合金などが特に好適である。
金属層ｍの層厚は、ガラスＧの材質や成形温度などに応じて、必要な耐久性が得られるように適宜設定することができる。例えば、Ｋ−ＰＳＦｎ２の場合、１００ｎｍ〜１０００ｎｍが好適である。
金属層ｍの成膜方法としては、例えば、ＲＦスパッタ、イオンビームスパッタ、蒸着などを採用することができる。

非光学有効領域成形面３Ｂは、レンズ面成形面３ａにおいて、中心軸線Ｐを中心として直径Ｄ_ｂの範囲外の部分であり、図２、図３（ａ）に示すように、基体部３Ｃの表面に形成された薄膜層である還元層Ｘにより構成される。
還元層Ｘの材質は、後述する成形工程において、加熱されたガラスＧ内で還元される酸化ビスマスに由来する金属ビスマスの表面への析出、凝縮を促進するビスマスよりもイオン化傾向の大きい元素の酸化物、窒化物、炭化物を採用することができる。ビスマスよりもイオン化傾向の大きい元素の酸化物、窒化物、炭化物の種類は一種類には限定されず、複数の元素の酸化物、窒化物、炭化物の混合体も可能である。
還元層Ｘの好ましい材質としては、成形加熱に耐えうる耐熱性が良好な酸化物、窒化物、炭化物を挙げることができる。特に好ましい例としては、例えば、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、窒化クロム（ＣｒＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などを挙げることができる。
還元層Ｘの層厚は、ガラスＧの材質や成形温度などに応じて、必要な耐久性が得られるように適宜設定することができる。例えば、酸化タンタルの場合、１００ｎｍ〜１０００ｎｍが好適である。

還元層Ｘは、基体部３Ｃの表面に直接形成してもよいが、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、基体部３Ｃの表面に傾斜中間層ＧＲを設け、この傾斜中間層ＧＲ上に還元層Ｘを積層させている。
傾斜中間層ＧＲの組成は、還元層Ｘに含まれる金属元素等の酸化される元素をＭで表すと、基体部３Ｃと接する部分ではＭが１００％であり、層厚方向において還元層Ｘに向かうにつれて、酸素（Ｏ）の組成が、連続的または段階的に増大して、還元層Ｘと接する部分で還元層Ｘにおける元素の酸化物と同じ組成となる層である。
このような傾斜中間層ＧＲおよび還元層Ｘは、例えば、Ｍのターゲットと、Ｍの酸化物のターゲットとを用いて、それぞれの組成比を調整しながらスパッタリングをおこなうことによって形成することができる。
このように、傾斜中間層ＧＲを介して還元層Ｘを形成することにより、基体部３Ｃと還元層Ｘとの密着力を高めることができる。

平面部成形面３ｂは、レンズ１において、光学有効領域Ｅ_ｂ外に位置するフランジ平面部１ｅの形状を転写する成形面である。このため、基体部３Ｃの表面に形成する薄膜層は、非光学有効領域成形面３Ｂと同様の薄膜層を採用している。

上型４は、下型３の側面３ｄと同じ外径を有する円筒面状の側面４ｄを備えた略円柱状部材からなり、その中心軸線Ｐに沿う軸方向の一方の端部（図２における下側の端部）に、凸レンズ面１ａの形状を転写する成形面である凹面のレンズ面成形面４ａと、フランジ平面部１ｄの形状を転写する成形面である平面状の平面部成形面４ｂとが形成されている。
平面部成形面４ｂの外周部には、後述する外径型６の内周面６ａと嵌合可能な外径を有し側面４ｄよりも小径の円筒面状の側面と、外径型６の軸方向の端部を当接させるための中心軸線Ｐに直交する平面とで構成された段状の外径型受け部４ｃが設けられている。
また、上型４の軸方向の他方の端部には、側面４ｄから中心軸線Ｐに直交する径方向の外側に延びるフランジ部４ｅが形成されている。フランジ部４ｅの軸方向の他方側の端面（図２の上側の端面）は中心軸線Ｐに直交する上面４ｆを構成している。

本実施形態では、このような構成の上型４は、例えば、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、炭化ケイ素などの、高硬度で耐熱性が良好な材料からなる基体部４Ｃによって外形を形成した後、レンズ面成形面４ａと平面部成形面４ｂとに薄膜層を形成して作製されている。
レンズ面成形面４ａは、凸レンズ面１ａの光学有効領域Ｅ_ａと非光学有効領域Ｎ_ａとにそれぞれ対応して、光学有効領域成形面４Ａと非光学有効領域成形面４Ｂとを有し、それぞれの薄膜層の種類が異なる。

光学有効領域成形面４Ａは、レンズ面成形面４ａにおいて、中心軸線Ｐを中心として直径Ｄ_ａの範囲内の部分であり、図３（ｂ）に示すように、基体部４Ｃの表面に形成された薄膜層である金属層ｍにより構成される。
金属層ｍの材質は、下型３の光学有効領域成形面３Ａに設けられた金属層ｍと同じ材質、または同様の選択肢の内から選ばれた材質を採用することができる。

非光学有効領域成形面４Ｂは、レンズ面成形面４ａにおいて、中心軸線Ｐを中心として直径Ｄ_ａの範囲外の部分であり、図２、図３（ａ）に示すように、基体部４Ｃの表面に形成された薄膜層である還元層Ｘにより構成される。
還元層Ｘの材質は、下型３の非光学有効領域成形面３Ｂに設けられた還元層Ｘと同じ材質、または同様の選択肢の内から選ばれた材質を採用することができる。

平面部成形面４ｂは、レンズ１において、光学有効領域Ｅ_ａ外に位置するフランジ平面部１ｄの形状を転写する成形面である。このため、基体部４Ｃの表面に形成する薄膜層は、非光学有効領域成形面４Ｂと同様の薄膜層を採用している。

胴型５は、下型３の側面３ｄ、上型４の側面４ｄ、および後述する外径型６の外周面６ｂを摺動可能に外嵌する内周面５ａを有する円筒状部材である。胴型５の軸方向の両端部である下面５ｂおよび上面５ｃは、内周面５ａの中心軸線Ｐと直交する平面からなる。
胴型５の軸方向の長さ（下面５ｂから上面５ｃまでの距離）は、後述する光学素子成形用型２の組立状態におけるフランジ部３ｅ、４ｅ間の距離よりも短くなっている。
このような構成により、胴型５は、ガラスＧの成形を行う間、下型３、上型４、および外径型６を同軸の位置関係に保持するとともに、上型４を中心軸線Ｐに沿って移動可能に案内できるようになっている。
本実施形態では、胴型５は、ガラスＧを成形する成形面を有しておらず、また加圧を受ける部材でもないため、成形温度に対する耐熱性を有する適宜の金属材料やセラミックスで構成することができる。本実施形態では、高硬度で耐熱性が良好な超硬合金を採用している。

外径型６は、外径型受け部３ｃ、４ｃに摺動可能に嵌合するとともにレンズ１のフランジ側面１ｆの形状を転写する内周面６ａと、胴型５の内周面５ａに摺動可能に嵌合する外周面６ｂとを備える円環部材である。
外径型６の軸方向の両端部である下面６ｃと上面６ｄとは、それぞれ、下型３の外径型受け部３ｃの上型４の外径型受け部４ｃとにそれぞれ軸方向に当接して、下型３と上型４との間の中心軸線Ｐに沿う距離を規制できるようになっている。

本実施形態では、このような構成の外径型６は、例えば、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金、炭化ケイ素などの、高硬度で耐熱性が良好な材料からなる基体部６Ａによって外形を形成した後、内周面６ａに薄膜層を形成して作製されている。
内周面６ａの薄膜層としては、非光学有効領域成形面３Ｂまたは非光学有効領域成形面４Ｂと同様な薄膜層を採用している。

このような構成の光学素子成形用型２が準備されたら、金型準備工程は終了し、次に、成形工程を行う。
本工程は、光学素子成形用型２を非酸化雰囲気に配置し、加熱されたガラスＧを光学素子成形用型２によってプレスして、ガラスＧにレンズ１の形状を転写するとともに、還元層Ｘと密着するガラスＧの表面に金属ビスマスを含む変質層Ｔを形成する工程である。
以下では、具体例を挙げて説明する際、特に断らない場合には、一例として、ガラスＧがＫ−ＰＳＦｎ２（商品名）であって、レンズ１の大きさは、レンズ外径７ｍｍ、レンズ有効径４．５ｍｍの場合の例で説明する。また、基体部３Ｃ、４Ｃ、６Ａは超硬合金であり、還元層ＸがＴａ_２Ｏ_５（層厚３００ｎｍ）、金属層ｍがＰｔとＩｒとの合金（層厚３００ｎｍ）であるとして説明する。

本工程は、図４に示す成形装置１０を用いて行うことができる。
成形装置１０は、光学素子成形用型２を内部に収容し、内部を非酸化雰囲気に保つ真空チャンバー１１と、下型３を下側に向けた光学素子成形用型２を、その中心軸線Ｐが鉛直方向に沿うように載置し、下型３の下面３ｆと当接する載置面を通して光学素子成形用型２を下方から加熱する加熱ステージ１２と、加熱ステージ１２上に載置された光学素子成形用型２を上方から加熱しつつ押圧する加圧部１３とを備える。

加圧部１３は、加熱ステージ１２上に載置された光学素子成形用型２の上部を押圧する押圧板１３ａと、押圧板１３ａを鉛直方向に駆動する駆動アーム１３ｂと、駆動アーム１３ｂの移動量および押圧板１３ａに加わる押圧力を制御する駆動部１３ｃとを備える。
押圧板１３ａには図示略のヒータ等の加熱手段を備えており、光学素子成形用型２の押圧時に、光学素子成形用型２を上方から加熱することができるようになっている。

また、真空チャンバー１１には、図示略の真空ポンプに接続された排気管１４と、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを供給する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１５とが、設けられている。このため、排気管１４から内部雰囲気を排気して不活性ガス供給管１５から不活性ガスを供給することにより、真空チャンバー１１の内部に適宜圧の非酸化雰囲気を形成することができる。

このような成形装置１０によってレンズ１を成形するには、まず、光学素子成形用型２の組立体を形成する。
すなわち、下型３に胴型５を外嵌させるとともに、胴型５の内周面５ａ内に外径型６を挿入し、外径型６の下面６ｃが形成された端部を下型３の環状型受け部３ｃに嵌め込み、レンズ面成形面３ａ上に、レンズ１を成形するために必要な質量に秤量されたガラスＧを配置する。
そして、胴型５の上部から、レンズ面成形面４ａを下方に向けた上型４を挿入して、レンズ面成形面４ａをガラスＧの上部に当接させる。
このようにして、光学素子成形用型２の組立体が形成される（図４参照）。

次に、真空チャンバー１１内の加熱ステージ１２上に、下面３ｆが当接するようにして、光学素子成形用型２の組立体を載置する。
次に、駆動部１３ｃによって、駆動アーム１３ｂの移動量を調整して、押圧板１３ａを、光学素子成形用型２の上面４ｆに当接させる。
このような状態で、排気管１４から真空チャンバー１１内の酸素を含む雰囲気を排気し、不活性ガス供給管１５を通して、不活性ガスを供給して、真空チャンバー１１内の酸素が排出され、不活性ガスに満たされた非酸化雰囲気を形成する。
例えば、窒素ガスが満たして、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下の非酸化雰囲気を形成する。

次に、加熱ステージ１２および押圧板１３ａを通して、加熱を開始し、ガラスＧが軟化して成形に必要な流動性が得られる成形温度まで加熱されたら、押圧板１３ａを徐々に下降させてガラスＧを加圧する。上型４の外径型受け部４ｃに外径型６の上面６ｄが当接したら、下降を停止して、一定時間加熱を続ける。これにより、図５に示すように、軟化したガラスＧがレンズ面成形面３ａ、平面部成形面３ｂ、内周面６ａ、レンズ面成形面４ａ、および平面部成形面４ｂに密着し、これらの成形面の形状がガラスＧに転写される。
例えば、Ｋ−ＰＳＦｎ２（商品名）の屈伏点は、５１４℃であるため、上記成形工程において、成形温度としては、５６０℃が好適である。
このとき、光学素子成形用型２に加える押圧力は、０．３ＭＰａ、加熱時間は、５分が好適である。この加熱時間は、変質層Ｔを形成しない従来の製造方法による成形を行う場合の加熱時間と同一である。例えば、ガラスＧにおけるＢｉ_２Ｏ_３の含有量等によって変質層Ｔの形成が不十分となる場合には、加熱時間を延長するか、成形温度を上げればよい。
加熱時間が経過したら、加熱を停止し、放熱冷却させる。ガラスＧの温度が、ガラス転移点より充分低い温度になったら、光学素子成形用型２を成形装置１０の外部に移動して脱型を行う。
以上で、成形工程が終了する。これにより、ガラスＧが固化したレンズ１が製造される。
還元層Ｘからなる成形面によって成形された非光学有効領域Ｎ_ａ、Ｎ_ｂ、フランジ平面部１ｄ、１ｅ、フランジ側面１ｆの表面に、変質層Ｔが形成されていることは、脱型したレンズ１の表面に金属ビスマス粒子が観察されること、これらの表面が光学有効領域Ｅ_ａ、Ｅ_ｂに比べて粗面化していることによって容易に確かめられる。

ここで、上記成形工程で、変質層Ｔが形成される理由について考察する。
ガラスＧに含まれるＢｉ_２Ｏ_３は成形加熱によって表面に析出しやすくなる。
表面に析出したＢｉ_２Ｏ_３は非酸化雰囲気（周辺に酸素が無い又は極めて少ない状態）で還元層Ｘと接しているため、イオン化傾向の大きい元素の還元層Ｘと酸化還元反応を起こして還元され、金属化する。なお、酸素が極めて少ない状態とは、酸素濃度が例えば２０ｐｐｍ以下をいう。
析出して金属化したビスマス同士は、安定な結晶状態を生成する過程で凝集して微粒子になる。このため、金属ビスマス粒子がガラスＧの表面に残り、ガラスＧの表面に微細な凹凸形状が形成され、ガラスＧの表面の粗面化が起こる。また、金属ビスマス粒子は光を吸収するため、ガラスＧの表面の光学特性は悪化する。
これに対して、金属層ｍからなる成形面では、ビスマスよりもイオン化傾向が小さいため、酸化還元反応を起こさない。この結果、ガラスＧの表面が粗面化されず、また金属ビスマス粒子による光吸収も発生しない。
このため、金属層ｍによって形成される光学有効領域Ｅ_ａ、Ｅ_ｂでは、良好な光学特性が維持される。

このようにして製造されるレンズ１は、光学有効領域Ｅ_ａ、Ｅ_ｂ外の領域に、変質層Ｔが形成されているため、例えば、光吸収性の塗料を塗布すると、塗料の密着性が良好であるため、塗料の塗布が容易となり、塗料の剥がれが抑制される。
また、金属ビスマス粒子自体も光を吸収するため、塗料による光吸収作用と相俟って、内面反射によるゴーストやフレアを抑制することができる。

なお、このような成形工程を繰り返すと、析出して金属化したビスマスの一部が、還元層Ｘによる成形面にも微量ずつ付着し堆積していく傾向がある。
このように、金属ビスマスが成形面に堆積すると、成形面が粗面化し、成形時のガラスＧの密着性や離型性が悪くなるおそれがある。このため、本実施形態では、一定回数の成形を行ったら、還元層Ｘによって形成された成形面を有機溶剤により洗浄するようにしている。また、酸化還元反応によって過酸化状態となった還元層Ｘの一部を、研磨などにより除去し、過酸化した部分を取除いている。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、レンズ１に、内面反射防止のため、塗料を塗布して光吸収層Ａを形成した光学部品２０の一例を示す。
光学部品２０は、レンズ１の非光学有効領域Ｎａ、Ｎｂ、フランジ平面部１ｄ、１ｅ、フランジ側面１ｆ上に形成された変質層Ｔの表面に、塗料を塗布して乾燥させ、光吸収層Ａを形成したものである。
光吸収層Ａに用いる塗料としては、オリジン電機株式会社製レンズ用黒ＢＮｏ．３などのふち塗り塗料を採用することができる。

次に、このような本実施形態のレンズ１、およびこれを用いた光学部品２０の効果を調べるため、ガラスＧのガラス種と、製造方法とを変えて、レンズ１、光学部品２０を作製し、フレア・ゴーストと、光吸収層Ａの塗布状態を評価した。
実施例１は、上記実施形態の具体例として説明したものと同じである。
実施例２、３は、それぞれ、ガラス種を、Ｌ−ＢＢＨ１（商品名）、Ｋ−ＰＳＦｎ３（商品名）に代えて、上記の実施形態の光学素子の製造方法を用いて製造した例である。
いずれも、レンズ１の形状と、光学素子成形用型２の構成と、光吸収層Ａを形成するのに用いた塗料の種類とは、実施例１と共通である。
成形温度、加熱時間は、実施例２が４２０℃、５分、実施例３が５６０℃、５分とした。
比較例は、実施例１に用いた光学素子成形用型２において、すべての成形面を金属層ｍによって形成した点以外は、実施例１と同じである。

フレア・ゴーストの評価は、光吸収層Ａを形成した各光学部品をレンズユニットに組み込み、デジタルカメラに搭載し、太陽光が入射する等のフレアやゴーストが出やすい撮影条件で共通の被写体を撮影し、その撮影画像からフレアやゴーストの程度を比較した。
また、光吸収層Ａの塗布状態の評価は、乾燥後の光吸収層Ａを観察し、光吸収層Ａの剥がれや、浮きなどがないか目視検査することにより行った。
これらの評価結果を以下に表１として示す。

表１に示すように、フレア・ゴースト評価では、実施例１〜３は、撮像された画像に目視で分かるフレアやゴーストが見られず、良好と評価した。一方、比較例は、フレアまたはゴーストに起因する異常画像が観察され、不良と評価した。
また、光吸収層Ａの塗布状態の評価では、実施例１〜３は、剥がれや浮きが見られなかったため、良好と評価した。一方、比較例は、剥がれが見られたため、不良と評価した。

このように、実施例１〜３は、フレア・ゴースト、光吸収層Ａの塗布状態とも、良好な結果であったのに対して、比較例では、いずれも不良となった。
比較例は、実施例１の還元層Ｘが金属層ｍに置き換えられている点のみが異なるため、このような評価結果の違いは、変質層Ｔが形成されているかいないかの違いである。
したがって、この評価結果から、変質層Ｔが上記実施形態で説明したような効果を発揮していることが分かる。

なお、上記の実施形態の説明では、レンズ１の光学有効領域Ｅ_ａ、Ｅ_ｂ外のすべての表面に、変質層Ｔを形成した場合の例で説明したが、変質層Ｔは、内面反射を防止する必要のある表面のみに設けられていてもよい。例えば、非光学有効領域Ｎ_ａ、Ｎ_ｂにおける変質層Ｔの形成を省略したり、フランジ側面１ｆのみに設けたりすることなどが可能である。

また、上記の実施形態の説明では、光学部品２０において、レンズ１に形成された変質層Ｔのすべてに対して光吸収層Ａを形成した場合の例で説明したが、内面反射の発生頻度が少ない部位では、変質層Ｔのみを形成し、内部反射の発生頻度が高い部位のみに、光吸収層Ａを形成することが可能である。

また、上記の実施形態の説明では、光学素子成形用型２において、基体部と還元層とが、異なる材質からなる場合の例で説明したが、還元層に用いることができる材質で基体部を形成してもよい。
例えば、ＳｉＣなどのセラミックスは、基体部として用いることも可能である。この場合、基体部の表面がそのまま還元層になっているため、還元層を成膜する工程を省略できる。このため、光学素子成形用型の製造がより容易となり、安価に製造することができる。

また、上記の実施形態の説明では、還元層Ｘを傾斜中間層ＧＲ上に積層して形成する場合の例で説明したが、形成後に良好な密着強度が得られる場合には、傾斜中間層ＧＲを省略することができる。例えば、基体部上にＭの被覆層を形成し、Ｍの表面を酸化することにより、還元層Ｘを形成することが可能である。

また、上記の実施形態の説明では、レンズ１のフランジ側面１ｆを外径型６によって成形する場合の例で説明したが、胴型５の内周面５ａに還元層Ｘを形成することにより、外径型６を省略し、下型３、上型４、および胴型５からなる光学素子成形用型を用いることも可能である。

また、上記の説明では、光学部品２０の形態として、レンズ１に光吸収層Ａを形成した場合の例を示したが、変質層Ｔは、表面を粗面化することにより、塗料等の塗布物との密着性を向上できるものである。
したがって、例えば、特に内面反射の防止を意図しない塗布物であっても、塗布状態を向上させることができる点で、優れた効果を発揮する。
このような塗布物としては、光学素子を固定するための接着剤や、例えば製造番号などを印字するインクや、光学素子の絞りを形成する塗料などの例を挙げることができる。

また、上記の実施形態で説明した構成要素は、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。

１ レンズ（光学素子）
１ａ、１ｂ 凸レンズ面
１ｄ、１ｅ フランジ平面部（光学有効領域外のガラス表面）
１ｆ フランジ側面（光学有効領域外のガラス表面）
２ 光学素子成形用型
３ 下型
３Ａ、４Ａ 光学有効領域成形面
３Ｂ、４Ｂ 非光学有効領域成形面
３Ｃ、４Ｃ、６Ａ 基体部
３ａ、４ａ レンズ面成形面
３ｂ、４ｂ 平面部成形面
４ 上型
４ａ レンズ面成形面
５ 胴型
６ 外径型
６ａ 内周面
１０ 成形装置
１１ 真空チャンバー
１２ 加熱ステージ
１３ 加圧部
２０ 光学部品
Ａ 光吸収層
Ｅ_ａ、Ｅ_ｂ 光学有効領域
Ｇ ガラス（ガラス材料）
ＧＲ 傾斜中間層
ｍ 金属層
Ｎ_ａ、Ｎ_ｂ 非光学有効領域（光学有効領域外のガラス表面）
Ｏ 光軸
Ｐ 中心軸線
Ｔ 変質層
Ｘ 還元層

Claims (5)

1. 酸化ビスマスを含むガラス材料で成形された光学素子であって、
   光学有効領域外のガラス表面に、前記ガラス材料中の酸化ビスマスが還元されてなる金属ビスマスを含む変質層が形成された
   ことを特徴とする、光学素子。
2. 酸化ビスマスを含むガラス材料を用いた光学素子の製造方法であって、
   前記光学素子の形状を前記ガラス材料に転写する形状の成形面を有し、該成形面のうち前記光学素子の光学有効領域外の表面形状を転写する部分の少なくとも表面に、ビスマスよりもイオン化傾向の大きい元素を含む還元層が設けられた光学素子成形用型を準備する型準備工程と、
   前記光学素子成形用型を非酸化雰囲気に配置し、加熱された前記ガラス材料を前記光学素子成形用型によってプレスして、前記ガラス材料に前記光学素子の形状を転写するとともに、前記還元層と密着する前記ガラス材料の表面に金属ビスマスを含む変質層を形成する成形工程と、
   を備えることを特徴とする、光学素子の製造方法。
3. 前記還元層は、ビスマスよりもイオン化傾向の大きい元素の酸化物、窒化物、または炭化物を含む
   ことを特徴とする、請求項２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記光学素子成形用型の成形面のうち、前記光学素子の光学有効領域の表面を形成する部分が、
   白金、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、ハフニウムで構成される元素群の中の少なくとも１種の元素からなる、又は前記元素群の中の少なくとも１種の元素を含む合金からなる
   ことを特徴とする、請求項２または３に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記光学素子成形用型の成形面のうち、前記光学素子の光学有効領域の表面を形成する部分が、
   前記元素群の中の少なくとも２種の元素から構成される合金からなる
   ことを特徴とする、請求項４に記載の光学素子の製造方法。

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